馬良棟，任體秀，甄先子，張吉禮

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

在中國，洗浴廢水占城市生活污水量的30%，溫度一般在30～35 ℃之間，含大量可回收余熱[1]。但大部分洗浴廢熱水中的余熱卻未加以利用就直接排放掉，據(jù)估算，每年因此造成的熱損失相當(dāng)于568萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤[2]，顯然，對其進行余熱回收具有較大的經(jīng)濟價值與節(jié)能減排效益。通過回收洗浴廢水的余熱生產(chǎn)生活熱水的常用技術(shù)包括換熱回收技術(shù)[3-4]和熱泵技術(shù)[5-7]，其中，熱泵技術(shù)具有熱回收效率高、經(jīng)濟性好等優(yōu)點[8]，被多數(shù)研究者采用，其系統(tǒng)形式主要包括兩類，一類是漸進加熱系統(tǒng)(見圖1)，即洗浴廢水作為熱泵的低位熱源漸進加熱生活熱水[9-10]，該系統(tǒng)的熱泵機組通常為常規(guī)熱泵機組，冷凝側(cè)進出口水溫度為40/45 ℃，蒸發(fā)側(cè)進出口溫度為15/7 ℃；另一類是即熱系統(tǒng)(見圖2)，廢水熱能被梯級利用，采用污水換熱器和熱泵機組串聯(lián)，首先，污水通過污水換熱器預(yù)熱自來水，其次，經(jīng)污水換熱器換熱后的污水作為低位熱源，利用污水源熱泵系統(tǒng)加熱預(yù)熱后的自來水[11-13]。實際工程中，熱泵需要將生活用水從自來水的溫度加熱到45 ℃，甚至更高溫度，而且為了最大限度地利用廢水熱能，洗浴廢水從30 ℃降低為6 ℃左右、甚至更低溫度排放。上述兩種系統(tǒng)均存在一定的問題，對于漸進加熱系統(tǒng)，自來水需要經(jīng)過多次循環(huán)加熱才能滿足供水溫度要求，同時，廢水也需要多次循環(huán)利用，因此，熱泵機組的蒸發(fā)溫度逐漸升高、冷凝溫度逐漸降低，在此過程中，熱泵機組并不在額定工況下運行，導(dǎo)致熱泵機組始終處于不穩(wěn)定的運行狀態(tài)，盡管熱泵在額定工況下制熱性能系數(shù)較高，但從整個加熱過程來看，熱泵機組的平均制熱系數(shù)并不高。另外，自來水在多次循環(huán)加熱過程中，加熱后的熱水必須與水箱內(nèi)的冷水混合，導(dǎo)致熱能品位降低，也降低了系統(tǒng)運行效率；對于即熱系統(tǒng)，盡管熱泵機組的運行工況穩(wěn)定，但由于換熱器回收污水熱能的比例通常占可回收污水熱能的50%，而污水換熱器的最大回收效率為1，因此，通過該系統(tǒng)回收污水熱能所生產(chǎn)的生活熱水用量不能滿足洗浴用水量需求，特別是在冬季運行工況條件下，為此，該系統(tǒng)還必須配置額外的輔助熱源，增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。

圖1 漸進加熱系統(tǒng)Fig.1 The gradual heating

圖2 即熱系統(tǒng)

從蒸氣壓縮式熱泵理想逆卡諾循環(huán)可知，熱泵制熱性能系數(shù)COP隨著高溫?zé)嵩礈囟萒c的升高而減小、隨著低溫?zé)嵩碩e溫度的升高而增大?；诖?，一些研究者研究了串聯(lián)式熱泵系統(tǒng)，宋國軍[14]針對地下水源熱泵的工況范圍，提出了水源側(cè)串聯(lián)的熱泵系統(tǒng)，并進行了性能模擬研究；Baik等[15]利用TRNSYS模擬分析了部分負(fù)荷下海水源熱泵系統(tǒng)的制熱性能，該系統(tǒng)供熱熱水在熱泵機組的冷凝側(cè)實現(xiàn)串聯(lián)，供熱熱水被逐級加熱，但蒸發(fā)側(cè)低位熱源海水仍然獨自進入兩個機組的蒸發(fā)器；文獻[16]提出了壓縮式熱泵和吸收式熱泵結(jié)合的串級系統(tǒng)，吸收式熱泵的冷凝熱為壓縮式熱泵提供低位熱源。研究表明，串聯(lián)式熱泵系統(tǒng)提高了系統(tǒng)制熱系數(shù)。通過以上研究，針對洗浴廢水的溫度、自來水的全年溫度范圍以及洗浴用水的溫度要求，提出了雙機串聯(lián)大溫差熱泵熱水機組[17]，實現(xiàn)了蒸發(fā)側(cè)洗浴廢水和冷凝側(cè)生活熱水的串聯(lián)運行，洗浴廢水逐級降溫、生活水逐級升溫。該系統(tǒng)與漸進系統(tǒng)相比，提高了機組運行的穩(wěn)定性和制熱效率；與即熱系統(tǒng)相比，盡管熱泵機組的效率有所下降，但不需要增加輔助熱源，可降低系統(tǒng)復(fù)雜度。文獻[18]提出了大溫差熱泵熱水機組的優(yōu)化設(shè)計方法，確定了機組的設(shè)計原則和設(shè)計參數(shù)?；趦?yōu)化設(shè)計結(jié)果，開發(fā)了串聯(lián)式大溫差熱泵機組，設(shè)計時其額定制熱功率為36 kW。通過試驗方法，研究了自來水進口溫度、熱水出口溫度及洗浴廢水入口溫度對熱泵機組制熱性能的影響，為大溫差熱泵機組回收洗浴廢水熱能提供指導(dǎo)。

1 雙機串聯(lián)大溫差熱泵熱水機組

雙機串聯(lián)大溫差熱泵機組系統(tǒng)原理如圖3所示，其lgp-h圖如圖4所示。該機組由低溫區(qū)模塊和高溫區(qū)模塊機組串聯(lián)組成，由蒸發(fā)側(cè)的洗浴污水和冷凝側(cè)的熱水實現(xiàn)兩個溫區(qū)模塊機組的耦合運行。洗浴廢水從高溫區(qū)模塊機組蒸發(fā)器流入，經(jīng)放熱后從低溫區(qū)模塊機組蒸發(fā)器流出；自來水從低溫區(qū)模塊機組冷凝器流入，經(jīng)加熱后從高溫區(qū)模塊機組冷凝器流出。在設(shè)計工況下，自來水一次性從環(huán)境溫度(10 ℃)被加熱到45 ℃左右，進出口溫差為35 ℃；洗浴廢水一次性從30 ℃降低到6 ℃左右，進出口溫差為24 ℃。該機組對于高溫模塊機組而言，提高了蒸發(fā)溫度，對于低溫模塊機組來說，降低了冷凝溫度，因此，整體機組效率較高，提高了廢熱回收效率。在機組首次啟動時，可以使用自來水作為低位熱源。當(dāng)機組COP在4.5左右時，回收的廢水熱量全完滿足供熱用水量需求，即系統(tǒng)的廢水循環(huán)流量低于或等于熱水的循環(huán)流量。

圖3 雙機串聯(lián)大溫差熱泵熱水機組原理圖Fig.3 The cchematic diagram of the two-series-connected large temperature difference heat pump hot water

圖4 熱泵熱水機組壓焓圖Fig.4 The lgp-h diagram of the heat pump hot water unit

2 大溫差熱泵熱水機組性能實驗系統(tǒng)

2.1 制熱性能實驗原理

大溫差熱泵熱水機組低溫模塊、高溫模塊機組及整體機組的制熱量分別表示為

Qc,L=mccp(tc,m-tc,i)

(1)

Qc,H=mccp(tc,o-tc,m)

(2)

Qc,z=Qc.L+Qc.H

(3)

式中：Qc,L為低溫模塊機組的制熱功率，kW；Qc,H為高溫模塊機組的制熱功率；Qc,z為整體機組的制熱功率，kW；mc為熱水側(cè)水流量，kg/s；cp為水的比熱容，kW/(kg·℃)；tc,i為自來水進口溫度，℃；tc,m為熱水側(cè)的中間點溫度，℃；tc,o為熱水出口溫度，℃。

大溫差熱泵熱水機組低溫模塊、高溫模塊及整體機組從洗浴廢水中的吸熱量分別為

Qe,L=mecp(tc,m-tc,o)

(4)

Qe,H=mecp(te,i-te,m)

(5)

Qe,z=Qe，L+Qe，H

(6)

式中：Qe,L為低溫模塊機組的取熱功率，kW；Qe,H是高溫模塊機組的取熱功率，kW；Qe,z為整體機組的取熱功率，kW；me為洗浴廢水流量，kg/s；te,i為洗浴廢水進口溫度，℃；te,m為洗浴廢水側(cè)的中間點溫度，℃；te,o為洗浴廢水出口溫度，℃。

大溫差熱泵熱水機組的低溫模塊機組、高溫模塊機組和整體機組的制熱系數(shù)分別定義為

(7)

(8)

(9)

式中：COPL為低溫模塊機組的制熱系數(shù)；COPH為高溫模塊機組的制熱系數(shù)；COPz為整體機組的制熱系數(shù)；WL為低溫模塊機組壓縮機的功率，kW；WH為高溫模塊機組壓縮機的功率，kW。

由式(1)～式(9)可知，大溫差熱泵熱水機組性能實驗需要測試的參數(shù)包括WL、WH、mc、tc,i、tc,m、tc,o、me、te,i、te,m和te,o，共計10個參數(shù)。除此之外，還需要詳細了解機組運行時各模塊的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度等參數(shù)。

2.2 實驗系統(tǒng)搭建

大溫差熱泵熱水機組性能實驗系統(tǒng)圖如圖5所示。該實驗系統(tǒng)包括熱水管路系統(tǒng)、洗浴廢水管路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。熱水管路系統(tǒng)包括冷水箱、熱水泵、熱泵機組冷凝器和熱交換器；洗浴廢水管路系統(tǒng)包括廢水箱、廢水泵、熱泵機組蒸發(fā)器和熱交換器。自來水流經(jīng)熱泵機組冷凝器后溫度升高，再通過熱交換器，將熱量傳遞為經(jīng)熱泵機組吸熱后溫度降低的洗浴廢水，以維持洗浴廢水入口溫度的恒定。由于系統(tǒng)工質(zhì)冷凝釋放的熱量大于系統(tǒng)工質(zhì)蒸發(fā)吸收的熱量，因此，熱水通過熱交換器釋放熱量后，其溫度不能降低到原自來水入口溫度，為此，通過溫度更低的自來水與冷水箱中溫度較低的水進一步混合，使其溫度達到要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電量表、溫度傳感器、壓力傳感器、流量計和數(shù)據(jù)采集器?；谠O(shè)計參數(shù)和參考文獻[18]的模擬結(jié)果，實驗用大溫差熱泵機組主要設(shè)備的選型參數(shù)見表1，機組循環(huán)工質(zhì)為R134a，實驗系統(tǒng)中各傳感器的測量范圍和精度見表2。實驗系統(tǒng)如圖6所示。實驗過程中，通過閥門的手動調(diào)節(jié)以滿足熱泵系統(tǒng)廢水和生活用水的進出口溫度需求。

圖5 大溫差熱泵熱水機組性能實驗系統(tǒng)圖Fig.5 Performance test system diagram of large temperature difference heat pump hot water

基于測試儀表的精度，通過誤差分析可知[19]，低溫模塊機組、高溫模塊機組和整體機組的制熱系數(shù)COPL、COPH、COPz的誤差分別為2.24%、2.24%和1.22%。

表1 大溫差熱泵機組主要設(shè)備選型參數(shù)Table 1 The main equipment specifications of the large temperature difference heat pump unit

表2 測試儀器及其精度Table 2 Test instrument and its precision

2.3 實驗系統(tǒng)熱平衡驗證

定義機組的熱不平衡率為系統(tǒng)的輸入能量減去輸出能量的差與輸入能量的比值。則低溫模塊機組、高溫模塊機組和整體機組熱不平衡率可以分別表示為

(10)

(11)

(12)

以自來水進口溫度為5～15 ℃、出口溫度為45 ℃、洗浴廢水側(cè)進口為30 ℃、洗浴廢水側(cè)出口溫度為6℃為例，驗證機組性能實驗的熱平衡性。圖7給出了機組的熱不平衡率隨自來水進口溫度的變化。低溫模塊機組的不平衡率為2%左右，高溫模塊機組的不平衡率為6%左右、整體機組熱不平衡率為4%左右，系統(tǒng)熱平衡滿足實驗要求。

圖7 熱不平衡率驗證Fig.7 The validation of the thermal imbalance

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 自來水入口溫度對機組制熱性能的影響

熱水側(cè)自來水入口溫度會根據(jù)季節(jié)的變化有波動，在洗浴廢水側(cè)，保持洗浴廢水進出口溫度分別為30 ℃和6 ℃，穩(wěn)定熱水出口溫度保持45 ℃不變化，改變自來水入口溫度5到15 ℃變化，分析機組性能的變化。

圖8給出了自來水入口溫度對熱泵機組制熱性能參數(shù)的影響。由圖8(a)可知，隨著自來水入口溫度升高，低溫模塊機組冷凝溫度tc,L從37 ℃變化到60 ℃，升高了23 ℃，高溫模塊機組冷凝溫度tc,H僅從50.7 ℃變化到52.1 ℃，僅升高了1.4 ℃。當(dāng)自來水溫度高于12 ℃時，高溫模塊機組冷凝溫度反而低于低溫模塊機組冷凝溫度，表明自來水入口溫度對低溫模塊機組的制熱效率影響較大。兩個模塊機組的蒸發(fā)溫度基本維持不變，高溫、低溫模塊機組蒸發(fā)溫度分別為4.0 ℃和-12 ℃左右。與設(shè)備選型參數(shù)相比，高溫、低溫模塊機組實際運行冷凝溫度分別提高了2 ℃和8 ℃左右，實際運行的蒸發(fā)溫度降低了9～13 ℃左右。冷凝和蒸發(fā)溫度的變化是由于冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)在實際運行條件下與選型參數(shù)相比有所降低導(dǎo)致。

由圖8(b)可知，隨著自來水入口溫度的升高，低溫模塊機組的取熱量下降，耗電量逐漸升高，制熱量基本不變。當(dāng)自來水溫度低于10 ℃時，高溫模塊機組的耗電量高于低溫模塊機組的耗電量，但當(dāng)自來水溫度高于10 ℃時，由于低溫模塊機組制熱效率隨自來水溫度升高下降較快，導(dǎo)致低溫模塊機組耗電量反而高于高溫模塊機組耗電量。從總制熱量來看，測試結(jié)果比選型參數(shù)降低了14%。從圖8(c)可以看出，當(dāng)自來水入口溫度從5到15 ℃變化時，低溫模塊機組制熱系數(shù)COPL從5.4降低到3.4，而高溫模塊機組制熱系數(shù)COPH基本不變，整體機組的制熱系數(shù)COPz從5.0逐漸減小到3.85。在設(shè)計工況下，高溫、低溫模塊機組的測試制熱系數(shù)分別為4.6和4.5，整體機組COPz為4.5，與模擬結(jié)果相比[19]，低溫模塊機組的COPL降低了15%，高溫模塊機組COPH持平，整體機組COPz減少了10%。當(dāng)自來水入口溫度低于10℃時，整體機組制熱系數(shù)大于4.5。

為維持洗浴廢水進出口溫度、熱水出口溫度不變，洗浴廢水流量和自來水流量也必將發(fā)生變化，隨自來水入口溫度的升高，由于低溫模塊機組冷凝溫度的升高，導(dǎo)致整體機組的取熱量減少，則洗浴廢水流量降低；對于熱水而言，由于熱水進出口溫差降低，導(dǎo)致流量升高，見圖8(d)。當(dāng)自來水入口溫度高于12 ℃時，廢水流量小于熱水流量，此時整體機組COPz為4.3。在該條件下，熱泵機組滿足系統(tǒng)的加熱量需求，系統(tǒng)不需要額外補充熱量。理論條件下，自來水入口溫度為10 ℃，整體機組COPz為4.5時滿足加熱要求。與理論結(jié)果相比，自來水入口溫度需要提高2 ℃。

圖8 自來水入口溫度對熱泵機組制熱性能參數(shù)的影響Fig.8 The effect of tap water inlet temperature on the heating performance of the heat

3.2 熱水出口溫度對機組制熱性能的影響

圖9給出了熱水出水溫度對熱泵機組制熱系數(shù)的影響。保持洗浴廢水進口溫度為30 ℃，出口溫度為6 ℃，自來水進口溫度為6 ℃，研究熱水出口溫度從40 ℃到50 ℃變化時熱泵機組的性能變化。

圖9 熱水出水溫度對熱泵機組制熱系數(shù)的影響Fig.9 The effect of the hot water outlet temperature on the heating performance of the heat

由圖9(a)可以看出，隨熱水出口溫度升高，兩個模塊機組的制熱系數(shù)均下降，當(dāng)tc,i=6 ℃時，低溫模塊機組的COPL從5.3降低到5.0，高溫模塊機組的COPH從5.0降低到4.2。整體機組的COPz從5.15降低到4.6。低溫模塊機組COPL均高于高溫模塊機組COPH。在不同的自來水入口溫度條件下，整體機組制熱系數(shù)的變化是一致的，見圖9(b)所示，當(dāng)隨熱水出口溫度從40 ℃升高到50 ℃時，整體機組制熱系數(shù)降低7.5%。

圖10給出了不同自來水入口溫度條件下，熱水和廢水流量隨熱水側(cè)出口溫度的變化。從圖10(a)可以看出，盡管隨熱水出口溫度升高，機組制熱量有所升高，但熱水進出口溫差增大，導(dǎo)致熱水流量降低，當(dāng)tc,i=6 ℃時，熱水流量從0.74 m3/h降低到0.58 m3/h，流量降低近22%；由于機組取熱量降低，導(dǎo)致洗浴廢水流量也有所降低，但其變化可以忽略不計。由圖10(b)～(d)可知，在不同的自來水入口溫度條件下，機組熱水和廢水的流量變化一致。在自來水入口溫度tc,i=6 ℃時，熱水側(cè)流量均低于廢水側(cè)流量，即使熱水出口溫度為40 ℃，廢水的熱量也滿足不了用熱泵加熱生活熱水量的需求，需要進行補熱；當(dāng)tc,i=9 ℃，只要熱水出口溫度不高于41 ℃，廢水的熱量可以滿足熱泵加熱生活熱水量的需求；當(dāng)tc,i=12 ℃時，熱水出口溫度可以達到45 ℃(與圖8(d)一致)；如果tc,i=15 ℃，則熱水出口溫度可以達到50 ℃。

圖10 熱水和洗浴廢水流量隨熱水側(cè)出口溫度的變化Fig.10 Variation of flow rate of the hot water and the bathing wastewater with outlet temperature of the hot

3.3 洗浴廢水入口溫度對機組制熱性能的影響

通常情況下，洗浴廢水的溫度高于30 ℃，如在30～35 ℃范圍內(nèi)波動，設(shè)定熱水出口溫度為45 ℃，洗浴廢水側(cè)出口溫度為6 ℃，自來水進口溫度為6 ℃，研究洗浴廢水入口溫度變化對機組制熱性能的影響。

圖11給出了洗浴廢水入口溫度對熱泵機組制熱系數(shù)的影響。從圖11(a)可以看出，隨洗浴廢水入口溫度的升高，低溫模塊機組的COPL幾乎沒有變化，高溫模塊機組COPH略有升高，當(dāng)tc,i=6 ℃時，COPH從4.5變化到4.8，對整體機組而言，制熱系數(shù)也只是略有升高，COPZ從4.8升高到4.95。當(dāng)自來水入口溫度變化時，整體機組制熱系數(shù)隨洗浴廢水入口溫度升高的變化趨勢一致，如圖11(b)所示，當(dāng)洗浴廢水入口溫度從30 ℃升高到35 ℃，整體機組制熱系數(shù)提高3.1%。

圖11 洗浴廢水入口溫度對熱泵機組制系數(shù)的影響Fig.11 The effect of bathing wastewater inlet temperature on the heating performance of the heat

圖12給出了不同自來水入口溫度條件下，熱水和廢水流量隨廢水側(cè)入口溫度的變化。從圖12可以看出，由于整體機組的制熱量升高，熱水循環(huán)流量有少量升高。由于洗浴廢水進出口溫差增大，盡管機組取熱量有所增加，但洗浴廢水流量降低。由圖12(a)可知，當(dāng)洗浴廢水入口溫度為35 ℃時，洗浴廢水流量與熱水流量相等，即該條件下，可以滿足自來水溫度為6 ℃時用熱泵機組加熱到出口溫度為45 ℃的要求；若自來水溫度為9 ℃，則洗浴廢水溫度必須要高于33 ℃(見圖12(b))；由圖12(c)和(d)可知，當(dāng)自來水溫度高于12℃時，只要洗浴廢水溫度高于30 ℃均滿足熱泵機組加熱要求。

圖12 熱水和洗浴廢水流量隨廢水側(cè)入口溫度的變化Fig.12 Variation of flow rate of the hot water and wastewater with increasing bathing wastewater inlet

4 結(jié)論

通過實驗研究了自來水進口溫度、熱水出口溫度及洗浴廢水入口溫度對熱泵機組制熱性能的影響，具體結(jié)果如下：

1)當(dāng)自來水進口溫度逐漸增大時，低溫模塊機組冷凝溫度逐漸升高，蒸發(fā)溫度基本不變，制熱量基本不變，取熱量逐漸減小，耗電量逐漸增加，制熱系數(shù)COPL逐漸減小。高溫模塊機組冷凝溫度和蒸發(fā)溫度不變化，制熱量、取熱量、耗電量不變化，制熱系數(shù)COPH基本不變。整體機組制熱系數(shù)COP逐漸減小。

2)當(dāng)熱水出口溫度從40 ℃升高到50 ℃時，整體機組制熱系數(shù)COPz降低7.5%。當(dāng)洗浴廢水溫度從30 ℃升高到35 ℃時，整體機組制熱系數(shù)COPz提高3.1%。

3)在無輔助熱源時，若洗浴廢水溫度從30 ℃降低到6 ℃，熱水出水溫度為45 ℃時，自來水的溫度必須要高于12 ℃；當(dāng)tc,i=9 ℃，熱水出口溫度不高于41 ℃，但當(dāng)tc,i=15 ℃，則熱水出口溫度可以達到50 ℃。在洗浴廢水溫度提高的情況下，若洗浴廢水入口溫度達到35 ℃時，即使自來水溫度為6 ℃，熱水出口溫度也可達到45 ℃。