楊冬冬， 張忠斌， 黃 虎

(1.合肥通用機械研究院，安徽合肥 230031;2.南京師范大學(xué)動力工程學(xué)院，江蘇南京 210042)

隨著能源形勢的日益嚴(yán)峻和技術(shù)的不斷進(jìn)步，家用和類似用途的熱水系統(tǒng)型式不斷發(fā)展，各種新型熱水系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)[1-3]?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)和污水源熱泵熱水系統(tǒng)均在家用和類似用途的熱水系統(tǒng)中占據(jù)相當(dāng)重要的位置，相關(guān)研究文獻(xiàn)也不為少數(shù)。如文獻(xiàn)[4]介紹了熱泵系統(tǒng)的工作原理及控制，闡述了空氣源熱泵、城市廢水熱泵等系統(tǒng)的應(yīng)用以及最新技術(shù)，分析了應(yīng)用中出現(xiàn)的問題;文獻(xiàn)[5]對太陽能、空氣源和污水源等混合熱泵系統(tǒng)的最優(yōu)化運行模式作了詳細(xì)的研究和探討。

火用是評價一個熱力系統(tǒng)是否節(jié)能的重要理論依據(jù)，它的定義為系統(tǒng)(或流動的物質(zhì)或能量)達(dá)到與外界環(huán)境平衡狀態(tài)時所能輸出的最大功率[6-8]，也就是說，節(jié)能即為節(jié)火用?；鹩梅治鍪腔谫|(zhì)量守恒定律、能量守恒定律與熱力學(xué)第二定律，分析、設(shè)計并優(yōu)化熱力系統(tǒng)的技術(shù)[9]?；鹩梅治鍪菓?yīng)用廣泛的熱力系統(tǒng)評價方法。文獻(xiàn)[10]對太陽能、地源和空氣源等不同熱源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了火用評價，并對熱泵系統(tǒng)的火用評價方法做了進(jìn)一步的發(fā)展;文獻(xiàn)[11]也對2種不同的家用熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了火用的評價分析與比較。

本文在介紹空氣源、污水源和能量回收三熱源熱水系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，采用火用分析的方法將該熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、水源熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析比較。

1 系統(tǒng)描述和工作狀態(tài)假定

1.1 三熱源熱泵熱水系統(tǒng)原理

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和水源熱泵熱水系統(tǒng)(以地下水源熱泵熱水系統(tǒng)作為研究對象)比較常見，本文不做詳細(xì)介紹。三熱源熱泵熱水系統(tǒng)是通過夜間谷電空氣源熱泵運行、午后洗浴廢熱能量回收與峰電污水源熱泵運行的工作模式，最終實現(xiàn)能級匹配、能量回收和削峰填谷的熱力系統(tǒng)。

三熱源熱泵熱水系統(tǒng)的原理，如圖1所示。

熱水系統(tǒng)主要通過3個環(huán)路從熱源獲得熱量:空氣源熱泵循環(huán);水-水能量回收系統(tǒng);污水源熱泵循環(huán)。制熱循環(huán)通過四通換向閥實現(xiàn)從一個熱源熱泵系統(tǒng)到另一個熱源熱泵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。制冷劑(通常是R-134a)在閉環(huán)銅管中循環(huán)。

洗浴后的廢熱水經(jīng)過過濾和洗浴新水逆向同步進(jìn)入水-水能量回收單元，對洗浴廢水進(jìn)行能量回收。從能量回收單元出來的預(yù)加熱的洗浴新水和降溫后的洗浴廢熱水逆向同步進(jìn)入污水源熱泵熱水機組。污水源熱泵熱水機組峰電運行，二次利用洗浴廢熱水中的能量，將預(yù)加熱的洗浴新水最終加熱到用戶需要的洗浴熱水溫度狀態(tài)。

熱泵系統(tǒng)按照蒸汽壓縮熱泵循環(huán)，冷凝器中使用水從制冷劑中吸收熱量。水-水能量回收單元，將有傳熱溫差的高溫?zé)崴偷蜏乩渌嫦蛄鬟^間壁式換熱器(如板式換熱器)。低溫冷水從高溫?zé)崴形漳芰浚瑢崿F(xiàn)能量提升。

1.2 工作狀態(tài)的假定

依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的實際運行工況，對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、地下水源熱泵熱水系統(tǒng)和三熱源熱水系統(tǒng)的火用分析評價進(jìn)行了條件假設(shè)，具體數(shù)據(jù)見表1所列[12-14]。

圖1 三熱源熱泵熱水系統(tǒng)原理

表1 各熱水系統(tǒng)工況假定℃

表1中，t ai(t w i)為熱源側(cè)空氣(水)進(jìn)口溫度;twi為熱源側(cè)水進(jìn)口溫度;te為蒸發(fā)溫度;tk為冷凝溫度;SH為過熱度;SC為過冷度;ηi為壓縮機等熵效率。

考慮系統(tǒng)全年運行，假定空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工作環(huán)境溫度分別取35、20、7、-6℃4種情況。以南京地區(qū)的年氣象參數(shù)為依據(jù)，假定每種情況全年運行的時間比例為2.0∶7.5∶2.0∶0.5，這也是以下計算空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年平均火用效率的計算權(quán)重。

2 熱水系統(tǒng)的熱力循環(huán)計算和火用分析

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、地下水源熱泵熱水系統(tǒng)和污水源熱泵熱水系統(tǒng)的壓力-比焓圖，如圖2所示。圖2中，1-2-3-4-1、1′-2′-3′-4′-1′、1″-2″-3″-4″-1″和1″′-2″′-3″′-4″′-1″′表示空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的制熱循環(huán);

A-B-C-D-A表示地下水源熱泵熱水系統(tǒng)的制熱循環(huán);

A′-B′-C′-D′-A′表示污水源熱泵熱水系統(tǒng)的制熱循環(huán);

1(1′，1″，1″′，A，A′)為吸氣狀態(tài)點;

2(2′，2″，2″′，B，B′)為排氣狀態(tài)點;

2S為等熵壓縮排氣狀態(tài)點;

3(3′，3″，3″′，C，C′)為冷凝器出口狀態(tài)點;

4(4′，4″，4″′，D，D′)為蒸發(fā)器進(jìn)口狀態(tài)點;

hn表示n狀態(tài)點(n=1，2，3，4)的比焓值;

Sn表示n狀態(tài)點(n=1，2，3，4)的熵值。

圖2 壓力-比焓圖

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、地下水源熱泵熱水系統(tǒng)和污水源熱泵熱水系統(tǒng)的運行與火用分析計算結(jié)果，見表2所列。表2中，t0為使用側(cè)環(huán)境溫度;t為熱源側(cè)環(huán)境溫度;t k為冷凝溫度;t*為蒸發(fā)溫度;系統(tǒng)火用效率是指總收益火用與消耗火用的比值。

表2 三熱源熱泵熱水系統(tǒng)的運行與火用分析計算結(jié)果kJ/kg

3 結(jié)果與分析

根據(jù)火用分析計算結(jié)果，分別繪制出3種熱水系統(tǒng)方案的火用流程，如圖3所示。圖3中陰影部分為火用的流動情況，空白部分表示各設(shè)備的火用損失情況。以壓縮機功耗100%為基準(zhǔn)，火用的流動和損失按比例用線框表示?；鹩昧鞒虉D可以定量地表示3種不同的熱水系統(tǒng)中火用的流動情況和各個系統(tǒng)設(shè)備的火用損失情況。

計算表明，環(huán)境溫度為35、20、7、-6℃時，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的火用效率分別為19.72%、14.20%、11.01%和9.44%，計算年平均火用效率時取4個工作環(huán)境溫度，火用效率的加權(quán)平均為13.82%，最高可達(dá)17.92%。地下水源熱泵熱水系統(tǒng)的年平均火用效率可達(dá)15.36%。污水源熱泵熱水系統(tǒng)的工作狀態(tài)最好，火用效率最高，其全年平均火用效率為23.97%。三熱源熱水系統(tǒng)的年平均火用效率在13.82%～23.97%之間，其值主要由空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和污水源熱泵熱水系統(tǒng)的運行時間比例決定，隨著污水源熱泵熱水系統(tǒng)運行時間的增加而增加。

從系統(tǒng)造價的角度考慮，按照每天提供約120 t、50℃的洗浴熱水來計算，三熱源熱水系統(tǒng)方案，空氣源熱泵熱水機組230 kW、20.4萬元，水源熱泵熱水機組200 kW、21.6萬元，能量回收系統(tǒng)240 kW、24萬元，保溫水箱等其它設(shè)備費用28萬元，各項費用總計94萬元。

單一空氣源熱泵熱水系統(tǒng)方案，空氣源熱泵熱水機組700 kW、62萬元，保溫水箱等其它設(shè)備費用28萬元，各項費用總計90萬元。單一水源熱泵熱水系統(tǒng)方案，水源熱泵熱水機組700 kW、75.6萬元，保溫水箱等其它設(shè)備費用28萬元，各項費用總計103.6萬元。從中可以看出，三熱源熱水系統(tǒng)方案造價比較適中、合理。

從我國峰谷電價的能源政策角度分析，按峰電費用0.53元/kWh、谷電費用0.24元/kWh計算，三熱源熱水系統(tǒng)谷電運行8 h、峰電運行2 h，日用電費用約為180元;單一空氣源熱泵熱水系統(tǒng)峰電運行10 h，日用電費用約為1 000元;單一水源熱泵熱水系統(tǒng)峰電運行10 h，日用電費用約為825元。從中可以看出，三熱源熱水系統(tǒng)用電費用最低，為單一空氣源熱泵熱水機組用電費用的18%，為單一水源熱泵熱水機組用電費用的21.8%[15]。

圖3 火用流程圖

4 結(jié) 論

(1)空氣源、污水源和能量回收三熱源熱水系統(tǒng)，是一種夜間谷電空氣源熱泵運行、日間洗浴廢熱能量回收、峰電污水源熱泵運行，充分考慮能級匹配、能量回收和削峰填谷的熱水系統(tǒng)。

(2)由于增設(shè)了能量回收單元，加上污水源熱泵熱水系統(tǒng)的日間運行，三熱源熱泵熱水系統(tǒng)比單一空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的工作條件更好，火用效率更高。因此，三熱源熱泵熱水系統(tǒng)更為節(jié)能。而且，三熱源熱泵熱水系統(tǒng)由于能量回收單元和污水源熱泵熱水系統(tǒng)等設(shè)備的存在而增加的初期投資，可以通過運行成本的降低很快得到補償[16]。

(3)由于增設(shè)了能量回收單元，加上污水源熱泵熱水系統(tǒng)的日間運行，三熱源熱泵熱水系統(tǒng)比單一污水源熱泵熱水系統(tǒng)的工作條件更好，火用效率更高。三熱源熱泵熱水系統(tǒng)中，能量回收單元充分利用廢熱提升了洗浴新水的溫度，污水源熱泵熱水系統(tǒng)也進(jìn)一步回收利用廢水余熱，最終形成用戶需要的洗浴新水。

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