王鳳予 劉澤華 譚子豪 黃玲玲 魯婧 楊歷全

南華大學土木工程學院

0 引言

直熱式空氣源熱泵熱水器可以將市政冷水一次性加熱至使用溫度，具有運行過程高壓穩(wěn)定，出水迅速，制熱能力強和能效比高的優(yōu)點，在商業(yè)場合中使用較多[1-3]。但是熱泵機組同樣有結霜的問題，在冬季低溫潮濕環(huán)境中運行時存在室外蒸發(fā)器結霜，導致機組制熱能力不足與運行效率低下[4]，現(xiàn)階段的空氣源熱泵除霜方法例如逆向除霜、熱氣旁通除霜等，一定程度上可以解決除霜的問題，但是由于這幾種方法是基于熱泵自身能量，熱量來源單一，在除霜時會帶來制熱的不穩(wěn)定[5]。

基于直熱式空氣源熱泵除霜時的熱量來源問題，本文提出了一種在食堂建筑中利用外部熱源（燃氣大鍋灶煙氣余熱）的除霜方法，并設計了將兩個裝置聯(lián)合運行供熱水系統(tǒng)。燃氣大鍋灶是公共食堂中廣泛使用的炊具，是用能大戶，具有集中的排煙道，排除的煙氣溫度可達400～500 ℃，其中具有大量的余熱[6]，將其回收可以提高天然氣的熱能利用率，也可以改善后廚的熱環(huán)境。

本文以南華大學求是園食堂大伙為例，以滿足其熱水需求為目標，設計了一套燃氣大鍋灶煙氣余熱利用與直熱式空氣源熱泵熱水器聯(lián)合供熱水系統(tǒng)，不僅可以解決空氣源熱泵的除霜問題，還可以提高天然氣的熱能利用率。

1 余熱特點與直熱式空氣源熱泵熱水器的選型

1.1 燃氣大鍋灶煙氣余熱特點

調研得知該大伙每天使用4 臺同樣型號的燃氣大鍋灶烹飪，每天使用約9 h，平均每頓飯使用3 h，期間很少斷火。筆者在2019 年7 月對大鍋灶進行了煙氣余熱測試計算，一般使用時的天然氣的輸入熱負荷為38.4 kW，過量空氣系數(shù)為1.06，室外溫度為30 ℃時，煙氣溫度約為466 ℃，煙氣的露點溫度為60.2 ℃，以環(huán)境溫度30 ℃為基準計算的煙氣余熱量為13.6 kW，其中潛熱占比為32.5%，如果將煙氣中的余熱進行回收，不同排煙溫度下的可回收熱量與占輸入熱量的百分比見圖1。

圖1 不同排煙溫度下的可回收熱量與占輸入熱量的百分比

這里需要說明大鍋灶在冬季較低氣溫下，煙氣溫度沒有夏季高，但是冬季的冷水溫度較低可以將煙氣冷卻至更低的溫度，回收更多的熱量，所以假設一年四季的煙氣余熱量是一樣的進行計算。

1.2 熱負荷計算

1.2.1 熱水需求量

該大伙本身并沒有配置熱水供應系統(tǒng)，也無法從管理人員處得到熱水的需求信息，但熱水需求與用餐人數(shù)相關。筆者在食堂信息管理中心調研得到了2018～2019 學年各典型時間段該食堂大伙的交易額，并按照人均消費水平7.5 元/(人*次)計算得到了用餐人數(shù)變化曲線圖，具體見圖2。

圖2 2018～2019 學年各個典型時間段用餐人數(shù)變化圖

熱水的需求與用餐人數(shù)密切相關，系統(tǒng)也應該按最不利工況進行設計，從季節(jié)的因素考慮，冬季為最不利情況，從用餐人數(shù)來看學期初為最不利情況，本文綜合考慮了這兩方面的因素，由于天氣越寒冷時熱水的需求越大[7]，因此選用了冬季的用餐人數(shù)與天氣工況進行設計，由圖可以發(fā)現(xiàn)，冬季的最大單日用餐人數(shù)為4409(人*次)/日，加上食堂的服務人員，最終確定按照用餐人數(shù)為4500(人*次)/日進行系統(tǒng)設計。

從規(guī)范《建筑給水排水設計標準》GB50015-2019得到食堂建筑熱水用水定額為7 L/(人* 次)，水溫60 ℃，所以大伙每天的熱水的需求M=(4500×7)/1000=31.5 m3。

1.2.2 制水與用水時間

31.5m3的熱水主要用于菜品的清潔，烹飪中的使用以及餐后的餐具清潔等，因為熱水的使用時間多數(shù)在大鍋灶使用過程中以及使用過程之后，所以設定系統(tǒng)的制水時間在大鍋灶使用的時間內制備，假設可以滿足應有的熱水需求。

1.2.3 熱負荷計算

熱負荷應按照最不利工況（即冬季最冷月平均工況）進行計算。衡陽地區(qū)全年最冷月平均氣溫為7 ℃，冷水計算溫度為5 ℃[8]。

熱泵的設計制熱量按下式計算：

式中：Q 為熱泵機組設計供熱量，kW；m 為用水單位數(shù)，人；qr為熱水用水定額，L/(人*次)；C 為水的比熱容，取4.187kJ/(kg*℃)；r為水的密度；tr為熱水溫度，取60 ℃；t1為冷水溫度，取5 ℃；T 為熱泵工作時間，取9 h。

計算得：Q=4500×7×4.187×55/(3600×9)=224 kW

1.3 直熱式空氣源熱泵熱水器選型計算

為了深度的回收煙氣中的潛熱以及煙氣余熱瞬息性特點的原因，需要在制水過程中不斷的使用冷水，所以采用直熱式空氣源熱泵熱水器與余熱回收裝置聯(lián)合運行可以一次性的將冷水制取到使用溫度。

為便于與大鍋灶的聯(lián)合運行，擬選用4 臺直熱式空氣源熱泵熱水器機組，即每臺熱泵配合一臺大鍋灶聯(lián)合運行，每一套系統(tǒng)承擔總熱負荷的1/4，即56 kW。雖然大鍋灶可以提供一部分熱量，保險起見，空氣源熱泵選型按照負荷為56 kW 計算，根據(jù)樣本的性能曲線選擇在7 ℃環(huán)境溫度時的能效比，本研究取此時的COP 為2.5，即每臺輸入功率為22.4 kW，共89.6 kW。

2 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)圖見圖3，圖中三通閥從左至右分別為1、2、3 通路。下面先介紹在需要除霜時和不需要除霜時的系統(tǒng)流程，然后對其中的除霜方案原理和余熱回收方案原理進行闡述。

圖3 燃氣大鍋灶煙氣余熱與直熱式空氣源熱泵熱水器聯(lián)合供熱水系統(tǒng)

2.1 不需要除霜時的運行方案

不需要除霜時，即在春夏秋季和在冬季較高氣溫時，開啟水泵1-1，三通閥3-1 接通1 和3，三通閥3-2接通2 和3，三通閥3-3 接通1 和2，三通閥3-4 接通1和2，空氣源熱泵開啟，三通閥3-5 接通1 和3。冷凝水處理系統(tǒng)開啟，其余未提閥門視為關閉。

此時水系統(tǒng)的流程為，市政冷水依次通過水泵1-1→冷凝換熱器→3-1→3-2→冷凝器→3-3→顯熱換熱器→3-4→保溫水箱1。冷水先經過冷凝換熱器初步預熱，深度回收煙氣中的顯熱與潛熱，然后進入空氣源熱泵熱水器冷凝段進一步加熱，再進入顯熱換熱器，進一步回收高溫煙氣的顯熱，最后進入保溫水箱以備使用。

煙氣：煙氣從大鍋灶排煙口排出后，先經過顯熱換熱器與從冷凝器出來的水進行換熱，被冷卻至低溫后進入冷凝換熱器，進而與市政冷水進行深度換熱，煙溫進一步冷卻至露點一下，最后排入煙囪排向室外。下面的煙氣流動與此相同，不在贅述。

2.2 需要除霜時的運行方案

在冬季需要除霜的時節(jié)，空氣源熱泵熱水器的室外蒸發(fā)器的運行時段可分為結霜期和除霜期。

在結霜期內，保溫水箱2 蓄熱時，開啟水泵1-1，三通閥3-1 接通1 和3，三通閥3-2 接通2 和3，開啟閥門2-1，三通閥3-3 接通1 和2，三通閥3-4 接通1 和3，開啟水泵1-3，三通閥3-5 接通1 和3，空氣源熱泵正常工作。

此時水系統(tǒng)分為兩個部分，將保溫水箱中的水加滿至所需水量后，保溫水箱2 內的水在水泵1-3 的帶動下持續(xù)通過顯熱換熱器加熱至80 ℃，以備除霜使用。與此同時，市政冷水先后經過水泵1-1→冷凝換熱器→三通閥3-1→三通閥3-2→冷凝器→閥門2-1→保溫水箱2。冷水先通過冷凝換熱器進行預熱，然后進入冷凝器加熱后進入保溫水箱1 備用。當保溫水箱2 內的水溫加熱至80 ℃后，系統(tǒng)變換成不需要除霜時的運行方案。

在除霜期內，三通閥3-5 接通1 和2，開啟2-3，其余系統(tǒng)與結霜期時相同。此時制冷劑從膨脹閥節(jié)流出的低壓低溫制冷劑，通過三通閥進入保溫水箱2 吸熱并過熱后通過閥門2-3 進入蒸發(fā)器冷凝除霜，進而完成循環(huán)。

此時水系統(tǒng)運行與結霜期時相同。

2.3 除霜方案原理

空氣源熱泵的除霜方案是參照文獻[9]提出的方法并加以改進的。從膨脹閥節(jié)流出來的低溫低壓液體進入保溫水箱2 吸熱汽化并過熱后進入室外蒸發(fā)器除霜后并保持氣態(tài)進入壓縮機完成循環(huán)，保溫水箱2 不僅要提供容霜所需的熱量，而且要提供機組正常運行時制冷劑從蒸發(fā)端的吸熱量。

熱泵機組的p-h 見圖4。其中流程4-1-2-3-4 為空氣源熱泵正常運行時的循環(huán)流程。在除霜時的流程為4-5-1-2-3-4，其中4-5 過程為低溫低壓的制冷劑液體通入保溫水箱2 吸熱汽化并過熱的過程，5-1 為過熱的制冷劑通入蒸發(fā)器除霜過程。

圖4 余熱除霜方法循環(huán)原理

2.4 余熱回收方案原理與換熱器負荷分配

本研究旨在深度回收煙氣中的顯熱和潛熱，采用兩級換熱，其中冷凝換熱器為了深度回收煙氣中的潛熱，所以需要利用市政冷水溫度低的特點將潛熱充分回收，并且冷凝換熱器的熱負荷不宜過大，只需要將潛熱釋放掉就可以了，這樣進入冷凝器的水溫不高可以使熱泵機組高效運行。而從冷凝器出來的熱水依舊可以在高溫煙氣下加熱到使用溫度。

由于保溫水箱2 的熱量由顯熱換熱器提供，由計算可知，顯熱換熱器的設計熱負荷應該不小于13.6×24640/39168=8.6 kW。因此顯熱換熱器熱負荷按照8.6 kW，由圖1 可知，煙氣放出8.6 kW 熱量時，煙氣溫度已經降低到了露點溫度60.2 ℃附近，然后冷凝換熱器負荷為保險起見，按照煙氣溫度從70 ℃到環(huán)境溫度計算，可以將煙氣余熱較好的回收，冷凝換熱器設計熱負荷為5.3 kW。

3 兩個保溫水箱的選型計算

3.1 保溫水箱1 選型計算

保溫水箱1 為供熱水箱，容積按下式計算：

式中：V1為保溫水箱容積，m3；n 為熱泵機組個數(shù)，個。

計算得保溫水箱的容積為：V1=1.1×4500×7/(1000×4)=8.7 m3。這里計算到了容積為儲存一天的熱水的容積，但是食堂為固定時間段使用的建筑物，制備每餐使用的熱水量相似，保溫水箱只需能夠儲存一餐所需的熱水量即可，這樣可以減小保溫水箱的容積。所以儲存每餐熱水的容積為2.9 m3，這里選取容積為3 m3的保溫水箱。

3.2 保溫水箱2 選型計算

保溫水箱2 是為了提供除霜時的熱量而設立的，與保溫水箱1 分開設立，除霜時并不影響保溫水箱1的穩(wěn)定性。

保溫水箱2 的容量設計要考慮除霜時需要多少熱量，參照文獻[10]的計算方法，在結霜為60 min，除霜10 min 的工況下，相對于制熱量，除霜所需的熱量為188 kJ/kW，所以本文的熱泵除霜所需熱量為10528 kJ。

保溫水箱2 在除霜時還需要提供蒸發(fā)器的吸熱量，所以假定在蒸發(fā)溫度為0 ℃的工況下運行時，蒸發(fā)器所需熱量約為7 ℃工況下的70%，即(56-22.4)×0.7=23.52 kW，保溫水箱2 還需要提供14112 kJ 的熱量，保溫水箱2 要在除霜的10 min 內提供24640 kJ 的能量。

大鍋灶的余熱有13.6 kW 的余熱，假設煙氣余熱回收裝置的熱效率為0.8，則可以回收10.88 kW 的能量，60 min 內可以回收39168 kJ 的熱量，很顯然是足夠的。

保溫水箱2 的容量計算，假設保溫水箱除霜后水溫從80 ℃降為50 ℃，則需要水量196 kg，選用200 L的保溫水箱。

4 系統(tǒng)運行參數(shù)與節(jié)能分析

以設計工況為例，冷水溫度為5 ℃，環(huán)境溫度為7 ℃，水質量流量vg=mqrρ/(4×9×1000×3600)=0.243 kg/s。假設換熱器的余熱利用率為0.8，則冷水通過冷凝換熱器后的溫度t2=(13.6-8.6)×0.8/(0.243×4.187)+5=8.9 ℃。

進入顯熱換熱器的水溫t3=60-8.6×0.8/(0.243×4.187)=53.2 ℃。此時空氣源熱泵熱水器的進出水溫為9.2 ℃/53.2 ℃，承擔熱負荷Q2=4.187×0.243×(53.2-8.9)=45.1 kW。

則系統(tǒng)節(jié)能率Ψ1=1-45.1/56=19.5%，可以提高天然氣熱能利用率Ψ2=13.6×0.8/38.4=28%。

5 總結

利用燃氣大鍋灶煙氣余熱與直熱式空氣源熱泵聯(lián)合供熱水系統(tǒng)可以較好地為食堂提供熱水，達到節(jié)能減排的目的。燃氣大鍋灶煙氣余熱量可以為直熱式空氣源熱泵除霜提供所需熱量。