宋園園，陳 朋，李 濤，王曉艾，肖苗苗，張振迎

( 華北理工大學 建筑工程學院，唐山 063210 )

1 引言

目前洗頭用的熱水制取裝置主要有電熱水器，燃氣熱水器，空氣源熱水器等，以上熱水器存在成本高，安裝位置受限制、熱源不穩(wěn)定、體積較大等問題，而本文的污水源熱泵洗頭床從根本上避免了該問題的發(fā)生，近年來，關于利用熱泵回收污水廢熱的研究較多[1-4]，但研究多集中于小區(qū)、洗浴中心、酒店等大型集中式用戶，對于適用于美容美發(fā)行業(yè)的小型洗頭床系統(tǒng)以及污水側(cè)換熱器的研究較少，如今節(jié)能減排已經(jīng)成為了洗發(fā)行業(yè)的主流趨勢。污水源熱泵洗頭床可以從淋浴產(chǎn)生的廢水中提取能量，做到即取即用，系統(tǒng)效率較高，較其他形式優(yōu)勢較大而且廢水的溫度較高，大量余熱隨著廢水而排出，因此利用熱泵回收淋浴水廢熱，能提高能源利用率，減少污染物的排放，節(jié)約洗發(fā)行業(yè)的運行成本。

1—蒸發(fā)器、2—壓縮機、3—冷凝器、4—中間換熱器、5—水泵1、6—熱水出水口、7—循環(huán)熱管路、8—速熱熱水裝置、9—熱水箱、10—溫度感應顯示器、11—自來水進水口、12—床體、13—膨脹閥、14—噴灑、15—水池、16—粗過濾器、17—二次過濾、18—污水進水口、19—溢流排水管、20—污水取熱裝置、21—排水口

2 系統(tǒng)方案分析

洗頭床廢熱回收熱泵系統(tǒng)設計方案如圖1所示。該系統(tǒng)主要由廢水取熱裝置、蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置、中間換熱器、熱水箱、速熱熱水裝置、混水閥等部件構成。該系統(tǒng)以污水源熱泵加熱為主，電加熱為輔。污水源熱泵利用制冷劑相態(tài)的變化來攜帶能量，在管路中進行循環(huán)，利用熱泵機組所消耗能量和吸取的全部熱能一起排輸至被加熱端，有效地把即將排放掉的污水中的能量轉(zhuǎn)移并得到再利用，減少熱量的浪費，有效提高能效比。廢水取熱裝置20位于噴灑14下方，用戶在廢水取熱裝置的上方進行使用；在洗頭床使用過程中，廢水取熱裝置20將用戶使用過的廢水收集起來，當廢水取熱裝置20中有一定溫度的水流入時，壓縮機2及水泵5開啟，熱泵機組把廢水取熱裝置20中廢水中的熱量通過蒸發(fā)器1經(jīng)過中間換熱器4轉(zhuǎn)移到熱水箱9中，用來提高熱水箱中的水溫。首先蒸發(fā)器1內(nèi)的制冷劑吸收的熱量并通過制冷劑管路傳遞給中間介質(zhì)水，形成一個回路，傳遞熱量是通過中間換熱器4，制冷劑與中間介質(zhì)水進行熱交換。同時中間換熱器4與熱水箱9內(nèi)換熱器7相連接，連接水泵5構成一閉合回路，由水泵5提供動力，中間介質(zhì)酒精把攜帶的熱量通過冷凝器釋放到熱水箱，從而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。當廢水取熱裝置中的廢水當液面達到一定高度時，可以通過溢流排水管裝置，排出廢水取熱裝置中的多余淋浴廢水。需要把廢水箱內(nèi)的水全部排出時，可通過排水口排出。在廢水取熱裝置中設置折流板，增強換熱效率。洗頭結(jié)束時，淋浴廢水取熱裝置中存有一定高度的淋浴廢水。在廢水箱和熱水箱中均設置溫度傳感器，當廢水箱內(nèi)水溫低于設定溫度或熱水箱內(nèi)熱水溫度高于設定溫度時，壓縮機關閉，熱泵系統(tǒng)停止運行。可開啟速熱熱水裝置對熱水進行加熱，以滿足用戶需求。

3 系統(tǒng)設計計算及經(jīng)濟性分析

設計熱水箱容積為60L，熱水箱進口水溫15℃，加熱設定溫度50℃，每人每次所用水量按照12L計算，每人熱水用水量10L(實際用水按照50℃熱水和15℃涼水摻混)。因此加熱一人洗頭所用熱水所需要的冷凝器放熱可算出為2.4kW。圖2示出了洗頭床廢熱回收熱泵系統(tǒng)的lgp-h圖。

圖2 循環(huán)lg p-h 圖

表1 熱泵系統(tǒng)熱力學分析結(jié)果

選取的制冷劑為R410A，選擇設計工況為：tc=55℃，t3=52℃，to=10℃，t1′=10℃，t1=15℃。系統(tǒng)熱力計算結(jié)果如表1所示。

一般中等水平的理發(fā)店，每日客流量平均25人，每人每次所用水量12L，則理發(fā)店一天所需要50℃熱水約為250L。1kg熱水由15℃加熱到50℃所需要的能量為147kJ，因此一年中加熱水所需要的能量為1.34×106kJ。如今理發(fā)店多使用的洗頭裝置多為電加熱或燃氣加熱，因此本產(chǎn)品與這兩種加熱方式進行了經(jīng)濟效益對比分析，結(jié)果如表2所示。對于污水源熱泵和電加熱的對比：初投資差額為7500元，每日運行成本差額為9.45元，年運行成本差額為3449元。所以對于電加熱而言，使用熱泵加熱在2.2年后便可收回初投資的差額。對于污水源熱泵和燃氣加熱的對比：初投資差額為7000元，每日運行成本差額為6.8元，年運行成本差額為2491元。所以對于燃氣加熱而言，使用熱泵加熱在2.8年后便可收回初投資的差額。

表2 不同加熱方式經(jīng)濟效益對比分析

4 結(jié)論

通過洗頭床的原理性能以及運行成本進行分析，具有以下結(jié)論：

(1)在運行成本方面，利用熱泵將廢水箱中的余熱回收，把這部分熱量通過制冷劑的相態(tài)變化轉(zhuǎn)移到熱水箱以及水床介質(zhì)中。加熱洗頭所用熱水，只消耗少量的電能，節(jié)約運行成本。

(2)在環(huán)保方面，有利于創(chuàng)造環(huán)境友好型社會，減少污染物的排放，較傳統(tǒng)的電加熱和燃氣加熱節(jié)約了能源的同時也更加安全。

(3)在經(jīng)濟性方面，廢熱回收污水源熱泵洗頭床系統(tǒng)，可充分利用客戶洗頭過程中淋浴廢水的熱量，能效比COP大大提高，2～3年即可收回初投資費用。

參考文獻：

[1]吳榮華，張承虎，孫德興.城市污水冷熱源應用技術發(fā)展狀況研究[J].暖通空調(diào)，2005，35(6):31-37.

[2] 向南宏，金蘇敏，王璐.熱管廢熱回收蒸發(fā)器在濁水余熱回收中的應用[J].流體機械，2009，37(12)：76-79.

[3] 連之偉.熱質(zhì)交換原理與設備[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[4] 雷博，董建凱，姜益強,等，家用淋雨污水源熱泵熱水器系統(tǒng)實驗[J].暖通空調(diào)，2014，(44)：14-17.