(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124)

隨著生活水平的提高，人們對(duì)生活熱水的需求量和品質(zhì)要求也發(fā)揮來(lái)越高。熱泵技術(shù)是近年來(lái)備受關(guān)注的新能源技術(shù)，采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量能源。家用淋浴廢水溫度較高，含有大量低品位能量，大量廢水排走的同時(shí)也帶走了熱量。利用熱泵回收淋浴廢水中的熱量，可以提高熱水裝置的能量利用率[1]。廢水產(chǎn)生時(shí)熱量和水量同步，這也為熱泵系統(tǒng)即時(shí)利用廢熱提供了可能[2]。

近年來(lái)，關(guān)于暖通空調(diào)領(lǐng)域的研究大都集中在建筑空調(diào)節(jié)能及大型集中式熱回收裝置中[3]。針對(duì)小型家用熱回收設(shè)備的研究較少，帶熱回收的熱泵熱水器研究更少[4]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)熱泵熱水器進(jìn)行了研究，雷博等[5]實(shí)驗(yàn)研究了家用污水源熱泵熱水器，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中有電熱輔助系統(tǒng)；李衛(wèi)國(guó)等[6]研究表明采用合適的電子膨脹閥開(kāi)度可以提高系統(tǒng)性能；楊強(qiáng)等[7-8]研究了熱泵系統(tǒng)中制冷劑充注量，提出以過(guò)冷度和過(guò)熱度為標(biāo)準(zhǔn)判斷熱泵系統(tǒng)制冷劑充注量。其他學(xué)者在此方面也進(jìn)行了大量研究[9-16]。本文提出一種帶廢熱回收的熱泵熱水裝置的循環(huán)原理，并搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)[16-17]，通過(guò)實(shí)際測(cè)試研究其制取熱水的循環(huán)性能，為開(kāi)發(fā)高效的熱泵熱水裝置提供參考。

1 工作原理

圖1所示為帶廢熱回收的熱泵熱水裝置系統(tǒng)原理。整個(gè)裝置主要由壓縮機(jī)、冷凝器，節(jié)流閥、蒸發(fā)器、預(yù)熱器組成，工作過(guò)程：自來(lái)水首先進(jìn)入與淋浴廢水連接的預(yù)熱器中進(jìn)行一次升溫，然后進(jìn)入冷凝器進(jìn)行二次換熱升溫，達(dá)到所需的36～46 ℃出水溫度，經(jīng)淋浴器噴出供淋浴使用。淋浴廢水流經(jīng)預(yù)熱器、再流過(guò)蒸發(fā)器回收其中熱量后排出。

圖1 廢熱回收熱泵熱水裝置系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of waste heat recovery heat pump water heater system

與普通空氣源熱泵熱水裝置相比，帶廢熱回收的熱泵熱水裝置沒(méi)有泵和風(fēng)機(jī)，制熱COP更高。回收熱量后廢水的溫度從35 ℃降至15 ℃排出，基本等于同時(shí)期地表水溫度，對(duì)環(huán)境友好。另外，帶廢熱回收的熱泵熱水裝置只受進(jìn)水溫度的影響，因此其工況條件穩(wěn)定。

2 理論計(jì)算

理論計(jì)算條件：進(jìn)水溫度16 ℃；出水溫度36～42 ℃；預(yù)熱器溫升2～7 ℃；冷凝溫度比出水溫度高3 ℃，制冷劑過(guò)冷溫度比出水溫度低5 ℃；蒸發(fā)溫度低于排水溫度8 ℃；吸氣過(guò)熱度5 ℃。

計(jì)算過(guò)程：先假定一個(gè)進(jìn)水量，設(shè)定不同出水溫度，計(jì)算出所需熱量。制冷劑回路迭代計(jì)算制熱量。對(duì)比兩次計(jì)算結(jié)果，差值小于1%即迭代完成。得出系統(tǒng)運(yùn)行各點(diǎn)參數(shù)。計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 計(jì)算流程Fig.2 The calculation process

以額定功率為2 HP的壓縮機(jī)為例計(jì)算制熱量、供水量等，圖3所示為制熱量隨出水溫度的變化。由圖3可知，制熱量隨出水溫度的升高略有下降，變化較小，穩(wěn)定在約10 kW。當(dāng)出水溫度為36 ℃時(shí)，制熱量為10.05 kW；當(dāng)出水溫度為46 ℃時(shí)，制熱量為9.99 kW，僅降低0.6%。表明帶熱回收的熱泵熱水器制熱量穩(wěn)定。

圖3 制熱量隨出水溫度的變化Fig.3 The variation of heating capacity with outlet water temperature

圖4 制熱COP隨出水溫度的變化Fig.4 The variation of heating COP with outlet water temperature

圖4所示為制熱COP隨出水溫度的變化。壓縮機(jī)COP是冷凝器制熱量與壓縮機(jī)功率的比值，制熱COP是冷凝器制熱量加預(yù)熱器制熱量與壓縮機(jī)功率的比值。由圖4可知，出水溫度越高，制熱COP越低。當(dāng)出水溫度為36～46 ℃時(shí)，預(yù)熱器的效果對(duì)制熱COP影響從10%增至23%。表明在高出水溫度下，預(yù)熱器對(duì)提高系統(tǒng)的COP作用較大，原因主要是，出水溫度高時(shí)，淋浴廢水的溫度也較高，提高了預(yù)熱器的傳熱溫差。

3 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況為：進(jìn)水溫度16 ℃，出水溫度36～46 ℃。實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成：蒸發(fā)器1盤(pán)管放水箱中，啟動(dòng)時(shí)提供熱量；蒸發(fā)器2采用流道隔開(kāi)的環(huán)形盤(pán)管，回收淋浴廢水熱量；預(yù)熱器采用環(huán)形盤(pán)管；壓縮機(jī)額定功率為2 HP；毛細(xì)管節(jié)流閥和盤(pán)管冷凝器。對(duì)R22工質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)。表1所示為實(shí)驗(yàn)用測(cè)試儀表數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器精度Tab.1 Sensors accuracy

圖5 所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)安裝位置圖。溫度測(cè)點(diǎn)安裝在熱水器進(jìn)水及冷凝器的進(jìn)出水處。壓力測(cè)點(diǎn)安置在壓縮機(jī)的排氣口和吸氣口。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.5 The experimental testing device of heat pump water with measuring point

采用水量調(diào)節(jié)閥控制水流量，來(lái)控制不同的出水溫度，每次出水溫度波動(dòng)在0.5 ℃內(nèi)。

制熱量:

Q=3.6×106ρcvΔt

(1)

式中：Q為制熱量,kW；ρ為自來(lái)水密度,kg/m3；c為水的定壓比熱,kJ/(kg·℃)；v為自來(lái)水體積流量,L/h；Δt為熱水器進(jìn)出水溫差,℃。

4 結(jié)果與討論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6所示為不同制冷劑充注量下系統(tǒng)的制熱量隨出水溫度的變化。由圖6可知，充注量為1.4、1.7、2.0 kg時(shí)，制熱量隨出水溫度的提高總體穩(wěn)定，波動(dòng)范圍為4.5%～10%。但不同充注量下系統(tǒng)的制熱量偏差隨出水溫度升高而增大。當(dāng)出水溫度從36 ℃升至46 ℃時(shí)，制熱量偏差從0.19 kW增至1.04 kW。

圖6 不同制冷劑充注量下制熱量隨出水溫度的變化Fig.6 The variation of heating capacity with outlet water temperature under different refrigerant charge

圖7 不同制冷劑充注量下制熱COP隨出水溫度的變化Fig.7 The variation of heating COP with outlet water temperature under different refrigerant charge

圖7 所示為不同制冷劑充注量下制熱COP隨出水溫度的變化。由圖7可知，充注量為1.4、1.7、2.0 kg時(shí)，制熱COP隨出水溫度的上升不斷減小。增加充注量有利于制熱COP的穩(wěn)定。如充注量為1.4、1.7、2.0 kg時(shí)，出水溫度分別為36 ℃和46 ℃時(shí)，制熱COP分別減小20%、11%和8%。充注量為1.7 kg和 2.0 kg系統(tǒng)的制熱COP數(shù)值大小和波動(dòng)范圍相同。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，有限度地增加充注量有利于制熱COP的穩(wěn)定。出水溫度為36～38 ℃時(shí)，制熱COP的大小順序?yàn)?.4 kg>1.7 kg>2.0 kg；出水溫度為38～42 ℃時(shí)，制熱COP大小順序?yàn)?.4 kg>2.0 kg>1.7 kg。結(jié)果表明，出水溫度越低，充注量越少時(shí)制熱COP越高。

圖8所示為不同制冷劑充注量下壓縮功率隨出水溫度的變化。由圖8可知，充注量為1.4、1.7、2.0 kg時(shí)，壓縮機(jī)功率隨出水溫度的升高而增大，原因是冷凝溫度升高。在相同的出水溫度下，充注量為1.4 kg時(shí)壓縮機(jī)功率最小，充注量為1.7 kg和2.0 kg時(shí)壓縮機(jī)功率基本一致。壓縮機(jī)功率隨制冷劑充注量的增大而增大，但增至一定值后壓縮機(jī)功率不再增加。充注量為1.4、1.7、2.0 kg，出水溫度為36 ℃時(shí)和46 ℃時(shí)相比，壓縮機(jī)功率分別增大10%、7.8%、7.2%。表明增加充注量會(huì)使壓縮機(jī)功率增大，但也會(huì)造成壓縮機(jī)功率波動(dòng)幅度減小。

圖8 不同制冷劑充注量下壓縮機(jī)功率隨出水溫度的變化Fig.8 The variation of compressor power with outlet water temperature under different refrigerant charge

圖9 不同制冷劑充注量下體積流量隨出水溫度的變化Fig.9 The variation of water flow rate with outlet water temperature under different refrigerant charge

圖9所示為不同制冷劑充注量下出水體積流量隨出水溫度的變化。由圖9可知，充注量為1.4、1.7、2.0 kg時(shí)，出水體積流量隨出水溫度的上升而減少。充注量為1.4 kg時(shí)流量波動(dòng)較大，因?yàn)榇藭r(shí)制熱量隨出水溫度的升高波動(dòng)較大。充注量為1.7、2.0 kg時(shí)流量大致相同，因?yàn)樵谙嗤鏊疁囟认轮茻崃拷咏?。出水量的變化?guī)律基本與制熱量變化規(guī)律相吻合，原因可能是冷凝器本身會(huì)儲(chǔ)存一部分熱量而引起制熱量變化的滯后，即制熱量的變化不會(huì)立刻反映到出水量的變化上。

4.2 理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)比圖3和圖6可知，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)獲得的制熱量趨勢(shì)一致，理論計(jì)算值高于實(shí)驗(yàn)值約20%。對(duì)比圖4和圖7可知，制熱COP的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值趨勢(shì)一致，但理論計(jì)算值較高。通過(guò)分析可知：假定條件下的蒸發(fā)溫度較高，而實(shí)驗(yàn)設(shè)備的蒸發(fā)溫度較低是造成理論計(jì)算的制熱量、制熱COP較高的主要原因。

5 結(jié)論

為回收家用熱水器中廢熱的熱量，本文提出了一種帶廢熱回收的熱泵熱水裝置，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。在進(jìn)水溫度為16 ℃，出水溫度為36～46 ℃時(shí)，對(duì)帶廢熱回收的熱泵熱水裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。得到主要結(jié)論如下：

1)出水溫度為36～46 ℃ 時(shí)，系統(tǒng)制熱量受制冷劑充注量影響較大。充注量為2.0 kg時(shí)系統(tǒng)可以獲得最穩(wěn)定的制熱量。充注量為1.4 kg和1.7 kg時(shí)，系統(tǒng)的制熱量隨出水溫度的升高而降低，最大降幅為0.5 kW，充注量為2.0 kg時(shí)，系統(tǒng)的制熱量隨出水溫度的升高而增大，最高增大0.32 kW。

2)出水溫度為36～46 ℃ 時(shí)，系統(tǒng)的制熱COP隨出水溫度的上升而減小，充注量為1.4 kg時(shí)，可以獲得最大制熱COP；充注量為1.7 kg時(shí)，制熱COP保持在相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值范圍。

3)出水溫度為36～46 ℃ 時(shí)，壓縮機(jī)功率隨著出水溫度的升高而增大，出水溫度每增加2 ℃,壓縮機(jī)功率增大20～40 W。

4)出水溫度為36～46 ℃ 時(shí)，隨出水溫度的升高，出水體積流量下降。測(cè)試結(jié)果顯示，出水溫度為36 ℃ 時(shí)，水體積流量為330 L/h，出水溫度46 ℃ 時(shí)，水體積流量變?yōu)?30 L/h。出水溫度每增加2 ℃，出水體積流量平均減少17 L/h。