喬 璐

中北大學(xué)朔州校區(qū)

小型浴室高效熱泵熱水器的熱力循環(huán)關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)研究

喬 璐

中北大學(xué)朔州校區(qū)

隨著人們的生活水平日益提高，各式各樣的浴室熱水器進(jìn)入了家庭。熱泵熱水器可以極大地避免“三廢”熱量的浪費(fèi)。利用熱泵原理，通過逆卡諾循環(huán)，借助于空氣源、污水源熱泵，壓縮機(jī)消耗少量的電能，把熱空氣、熱污水中的低位熱能提取出來，加熱洗浴用熱水，從而利用了熱空氣、廢熱水中的“廢熱”，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。熱泵所依據(jù)的是熱力學(xué)第一定律，能量在不同介質(zhì)中轉(zhuǎn)移，但總量是守恒的。

熱泵；暖通；小型熱水器；熱力循環(huán)；節(jié)能技術(shù)；暖通

1 引言

家庭浴室熱泵熱水器的提出，具有很重要的意義。其一，熱泵熱水器可以利用熱空氣、廢熱水中的余熱，與其他類型的熱水器相比更加節(jié)能，面對(duì)能源日益匱乏的現(xiàn)狀，熱泵熱水器具有很大優(yōu)勢(shì)，我國(guó)人口眾多，而且我國(guó)能源利用率比國(guó)外較低，如果熱泵熱水器能夠推廣開來，能節(jié)約大量能源，在一定程度上緩解能源壓力；其二，熱泵熱水器使用較少的電能，很少使用甚至不適用化石能源，因此不會(huì)產(chǎn)生太多的污染，對(duì)環(huán)境更友好，符合我國(guó)節(jié)能減排的政策。

2 熱泵熱水器的原理

熱泵熱水器利用熱泵技術(shù)，主要組成部分有壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和水箱以及其他輔助設(shè)備（溫度控制儀等）。工作原理如下：

(1)低溫低壓的工質(zhì)，經(jīng)過膨脹閥節(jié)流后降壓，之后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中與熱空氣、廢熱水等進(jìn)行換熱，熱空氣、廢熱水中的部分熱量進(jìn)入工質(zhì)，低溫工質(zhì)吸熱由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，溫度上升；

(2)從蒸發(fā)器出來的氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)消耗一定的電能壓縮工質(zhì)，工質(zhì)溫度上升，壓力提高，此時(shí)工質(zhì)中增加的熱量一共包括兩部分，一部分是工質(zhì)從熱空氣、廢熱水中吸收的熱量，另一部分是壓縮機(jī)消耗的電能壓縮制冷劑過程中轉(zhuǎn)變的熱量；

(3)從壓縮機(jī)出來的制冷劑為氣態(tài)，溫度、壓力比較高，進(jìn)入冷凝器，同時(shí)生活用水也進(jìn)入冷凝器，二者進(jìn)行逆向換熱，工質(zhì)放熱溫度降低，壓力下降，水的溫度上升；

(4)熱水從冷凝器中出來后，進(jìn)入保溫水箱保溫以備使用，溫度降低后的工質(zhì)進(jìn)入膨脹閥，重復(fù)循環(huán)過程。

在循環(huán)過程中，廢熱水和熱空氣的溫度比從冷凝器中出來的熱水溫度低，按照常識(shí)這似乎不能實(shí)現(xiàn)，但壓縮機(jī)消耗了電能，是熱量從溫度較低的廢熱水和熱空氣進(jìn)入熱水，并不違背熱力學(xué)第二定律[1]。釋放的熱量包括廢熱水和熱空氣中的熱量以及壓縮機(jī)消耗的電能轉(zhuǎn)化的熱量，吸收的熱量是水從冷凝器中吸收的熱量，在理想條件下，釋放的熱量和吸收的熱量是相等的，這也符合熱力學(xué)第一定律。因此，在理論上熱泵熱水器是可行的。

3 小型浴室熱泵熱水器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

我們當(dāng)初構(gòu)想的高效節(jié)能的家庭浴室熱泵熱水器僅僅考慮了熱泵熱水器這一部分，但出于實(shí)際考慮，這樣的安排尚需完善，我們還需要有更多的考慮。在我們的構(gòu)想中，為熱水提供的能量分為兩部分，其中廢熱水和熱空氣中的能量是主要的熱量，而壓縮機(jī)中消耗的電能較少。但是我們還可以做這樣的考慮，將熱泵熱水器與太陽(yáng)能熱水器結(jié)合起來，同是利用太陽(yáng)能來加熱洗浴用水，這樣不但會(huì)彌補(bǔ)熱泵熱水器可能出現(xiàn)的供熱水不足的缺陷，而且能夠進(jìn)一步減少電能的消耗。其流程大致為：低溫的水經(jīng)過太陽(yáng)能熱水器加熱后在水箱中保溫，在人使用后，廢熱水在經(jīng)過熱泵系統(tǒng)，回收其中的余熱來加熱補(bǔ)充到太陽(yáng)能熱水器中的水或用來使用的生活用水。

如果用戶應(yīng)經(jīng)安裝了太陽(yáng)能熱水器、煤氣熱水器、電熱水器等，我們都可以進(jìn)行改裝，在這些熱水器的基礎(chǔ)上加裝熱泵熱水器，將他們與熱泵熱水器組合起來，都可以減少能源的消耗。當(dāng)然，這樣做會(huì)增加設(shè)備的初始投資，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮是合理的。

4 熱泵熱水器的熱力循環(huán)研究

4.1 熱泵熱水器的設(shè)計(jì)思路與原則

人們?cè)谌粘Ｏ丛∵^程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱水和廢熱空氣（其中包含少量水蒸氣），我們所設(shè)計(jì)的家庭浴室熱泵熱水器就是要把這兩部分中的熱量充分利用起來。利用熱泵原理，用兩個(gè)蒸發(fā)器把廢熱水和廢熱空氣中的余熱提取出來，然后在冷凝器中把熱量放給供水，加熱供水用來洗浴。

通過熱泵系統(tǒng)，利用了洗浴后廢水廢氣中的余熱，整個(gè)過程中消耗少量的電能，體現(xiàn)了家庭浴室熱泵熱水器的節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，這既是市場(chǎng)對(duì)熱水器發(fā)展提出的要求，也是我們所追求的。

4.2 工作過程中制冷劑的循環(huán)過程

上圖分別是制冷劑R134a在熱力循環(huán)過程中的T-s圖和p-h圖。具體過程如下：

5→6為制冷劑在蒸發(fā)器（空氣換熱部分）中定溫定壓的吸熱過程，制冷劑吸收廢熱空氣中熱量；

6→1為制冷劑在蒸發(fā)器（污水換熱部分）中定溫定壓的吸熱過程，制冷劑吸收廢熱水中熱量；

1→2為制冷劑在壓縮機(jī)中絕熱壓縮過程，制冷劑的壓力和溫度均提高；

2→4為制冷劑在冷凝器中的放熱過程，其中2→3為制冷劑過熱氣體的定壓降溫放熱過程，制冷劑由過熱氣體狀態(tài)變?yōu)轱柡蜌怏w狀態(tài)；

3→4為制冷劑飽和氣體定溫定壓放熱過程，制冷劑由飽和氣體狀態(tài)變?yōu)轱柡鸵后w狀態(tài)；

4→5為制冷劑等焓節(jié)流過程。

5 結(jié)束語(yǔ)

因此，小型熱泵熱水器前景廣闊，研究開發(fā)小型熱泵熱水器具有積極意義。相信在不久的將來，小型熱泵熱水器會(huì)進(jìn)入千家萬(wàn)戶，它也將為我國(guó)節(jié)能環(huán)保做出巨大貢獻(xiàn)。

[1]曲云霞,楊勇,李愛景,劉文波,王偉華.污水源熱泵供熱的工程應(yīng)用及分析[J].可再生能源,2007(2):103～105.

[2]鐵燕.新型空氣源熱泵輔助供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱力性能及運(yùn)行特性研究[D].昆明理工大學(xué)，2010．

10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.12.032

喬璐（1996-），女，學(xué)士，研究方向：環(huán)境工程。