胡鵬王鐵軍李繼萍徐維夏興祥

（1合肥工業(yè)大學 合肥 230009；2安徽康特姆新能源工程有限公司 合肥 230009）

空氣源／污水源復合熱泵系統(tǒng)設計與應用

胡鵬1王鐵軍1李繼萍2徐維1夏興祥1

（1合肥工業(yè)大學 合肥 230009；2安徽康特姆新能源工程有限公司 合肥 230009）

基于公共浴室熱水生產設備節(jié)能減排改造的需要，本文設計了可回收洗浴廢水余熱的空氣源／污水源復合熱泵熱水系統(tǒng)，在合肥工業(yè)大學屯溪路校區(qū)建立了應用示范工程，進行了運行測試和應用研究工作。結果顯示：在8℃ ±1.2℃的環(huán)境溫度、50℃供水設定溫度的運行條件下，通過預熱器和污水源熱泵機組進行余熱回收，洗浴廢水溫度從30.6℃降低至15.5℃，熱回收的能量約占熱水生產總能量的1／3；在10℃ ±1℃的環(huán)境溫度、45℃供水設定溫度的條件下，復合熱泵系統(tǒng)的能效比為3.45，與單獨運行空氣源熱泵的2.96相比，能效提高16%；與傳統(tǒng)的燃氣鍋爐設備、電熱水器對比分析，復合熱泵系統(tǒng)可分別節(jié)約運行費用53.3%、72.4%，節(jié)能、環(huán)保和降費的優(yōu)勢明顯。

空氣源熱泵；污水源熱泵；設計；現場實測；余熱利用

據統(tǒng)計，高校學生的平均能耗、水耗分別是全國居民人均的4倍和2倍［1］，節(jié)能減排是節(jié)約型校園和綠色大學建設的重點，并具有良好的教育、示范和引領作用［2］。高校的公共浴室普遍采用低能效、高污染的燃煤或燃氣鍋爐生產熱水，節(jié)能減排改造成為必然［3］。在這樣的背景下，熱泵熱水系統(tǒng)以消耗少量驅動能為代價，從環(huán)境中攝取數倍的熱能生產熱水，高效、環(huán)保、安全和經濟的優(yōu)勢明顯［4－6］。 楊磊等［7］設計了一種復合熱源太陽能熱泵熱水系統(tǒng)，進行了不同工作模式的性能模擬研究；張月紅等［8］在南京市進行了復合熱源熱泵系統(tǒng)的實驗研究，太陽充裕和陰天的平均能效比分別為4.83和3.97；陳劍波等［9］、郭超等［10］進行的理論和實踐研究進一步驗證了太陽能、空氣源復合熱泵熱水系統(tǒng)的高能效；韓豐云等［11］進行的污水源熱泵、空氣源熱泵系統(tǒng)的經濟技術分析表明，采用污水源熱泵可以降低投資、減少運行費用；沈朝等［12］對公共浴室洗浴廢水的溫度和水量進行測試分析，認為利用熱泵系統(tǒng)回收余熱的潛力較大；安青松等［13］分析了洗浴廢水的水質，提出了帶過濾器的直接式循環(huán)熱泵方案；胡敏東等［14］介紹了一種新型的回收廢水余熱的熱泵熱水器，實驗得到了熱泵系統(tǒng)在設定工況下的平均能效比及污水參數與制冷量的關系。本文在研發(fā)“集中浴室用空氣源與污水源復合熱泵熱水系統(tǒng)及控制方法”［15］的基礎上，結合合肥工業(yè)大學屯溪路校區(qū)浴室熱水系統(tǒng)節(jié)能減排改造項目，建立了空氣源／污水源復合熱泵熱水系統(tǒng)應用示范工程，并進行了相關的應用研究和系統(tǒng)優(yōu)化工作。

1 復合熱泵熱水系統(tǒng)設計與工作原理

空氣源／污水源復合熱泵熱水系統(tǒng)如圖1所示。其總能量計算依據最冷月平均氣溫、日均洗浴人次和運營時間等，設計額定熱水供應量100 m3／日，選取4臺QH-220EC-20空氣源熱泵機組構成熱水系統(tǒng)的主機，輔以1臺60匹污水源熱泵機組，設定室外溫度小于24℃運行污水源熱泵進行洗浴污水的余熱回收。其它組成包括預熱換熱器、熱水箱、循環(huán)加熱水箱、各類循環(huán)泵、污水收集及其清洗過濾裝置等。

圖1 空氣源／污水源復合熱泵系統(tǒng)Fig.1 Air source／sewage source heat pump system

1.1 補水操作

設定循環(huán)加熱水箱液位波動區(qū)間為H1±ΔH1，下限時開始補水，上限時停止補水，并按如下規(guī)則選擇補水通道和方式。

若ΔT≤Ts，自來水通過閥A直接進入循環(huán)加熱水箱；若ΔT＞Ts且污水泵運行時，自來水通過閥B、預熱通道9后，進入循環(huán)加熱水箱。其中：ΔT＝T2－T6，T2為洗浴廢水溫度，T6為自來水溫度，Ts為設定溫差。

1.2 循環(huán)加熱及其能量控制

以熱水箱液位為輸入信號，設定熱水箱液位波動區(qū)間為H2±ΔH2，V為液位變化速度，T為設定儲水溫度。采用循環(huán)加熱工作方式生產熱水，并按模糊控制規(guī)則調節(jié)熱泵熱水系統(tǒng)的輸出總能量。

將熱水箱的液位劃分為高、較高、中、較低和低5個液位等級。同理，將其液位變化速度V劃分為正大、正中、零、負中和負大5個等級；將復合熱泵熱水系統(tǒng)的輸出總能量按照大、中和零劃分為3個等級；根據實時檢測的液位H和液位變化速度V，控制復合熱泵熱水系統(tǒng)進行加載或減載。設定復合熱泵熱水系統(tǒng)的加載順序為：優(yōu)先加載污水源熱泵機組，隨后逐個加載空氣源熱泵機組；減載順序為：首先逐個卸載空氣源熱泵機組，最后卸載污水源熱泵機組。

1.3 污水回路自動清洗操作

設定污水泵最大累計工作時間，并設最大運行功率作為參考信號。清洗操作時，截止閥E開啟，截止閥C、D關閉，污水泵啟動，污水流經清洗加藥箱后對預熱器、污水源熱泵機組的蒸發(fā)通道進行清洗，之后排入城市污水管網。

復合熱泵熱水系統(tǒng)可根據環(huán)境溫度、自來水溫度、水箱水位等運行狀態(tài)參數，自動控制補水、循環(huán)加熱及其能量調節(jié)、清洗操作等，實現熱泵熱水系統(tǒng)的節(jié)能和穩(wěn)定運行。

2 測試與分析

空氣源／污水源復合熱泵系統(tǒng)于2013年2月投入運行，其后進行了一系列的運行數據測試、分析和系統(tǒng)優(yōu)化工作，取2015-12-03—2015-12-20期間的測試數據進行分析。

采用安捷倫數據采集儀自動存儲溫度數據，采集頻率設為0.5 min。溫度標識及其測量位置如下：熱水水溫T1的測點位于熱水箱出水口，洗浴廢水溫度T2的測點位于污水池進水口，預熱后廢水溫度T3的測點位于預熱換熱器污水通道出口，廢水排水溫度T4的測點位于廢水排水口，循環(huán)加熱水箱水溫T5的測點位于循環(huán)水箱出水口，環(huán)境溫度T0的測點位于通風處。

2.1 數據處理

1）復合熱泵熱水系統(tǒng)的制熱量

式中：Q0為復合熱泵熱水系統(tǒng)的制熱量，kJ；T6為自來水溫度，℃；ρ為熱水密度，kg／m3；c為熱水的定壓比熱，kJ／（kg·K）；G0為熱水供水量，m3。

2）洗浴廢水的余熱回收量

式中：Q1為洗浴廢水的余熱回收量，kJ；μ為廢水收集系數，取0.9［16］；G1為洗浴時混入的冷水流量，m3。

3）復合熱泵熱水系統(tǒng)的性能系數

式中：P為熱水系統(tǒng)的總耗電量，kW·h，包括熱泵機組、循環(huán)水泵、供水泵、污水泵等能耗。

2.2 測試結果與分析

圖2所示為浴室工作某日11：00～23：00復合熱泵系統(tǒng)的運行狀況。該時段室外平均溫度為8.1℃，波動幅度2.3℃；自來水溫度基本穩(wěn)定，平均值為10.2℃，熱水供水溫度設定為50℃；洗浴廢水的平均溫度為30.6℃，熱回收過程中預熱換熱器出口、污水源熱泵機組出口的廢水平均溫度分別為25.8℃、15.5℃，總溫降為15.1℃。結合復合熱泵系統(tǒng)當天的熱水供水量G0和洗浴水總流量G2，其中G2＝G0＋G1，由式（1）和式（2）計算得到余熱回收的能量約占熱水加熱總能量的 1／3，復合熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。

圖2 復合熱泵熱水系統(tǒng)運行狀況Fig.2 Operating conditions of compound heat pump

取測量期間循環(huán)加熱水箱和熱水箱中具有代表性的溫度點繪制如圖3所示。

圖3 水箱溫度動態(tài)變化Fig.3 The water tank temperature varied with time

由圖3可知，熱水溫度基本穩(wěn)定在50℃ ±1℃范圍內，表明復合熱泵系統(tǒng)能夠響應內、外部擾動，穩(wěn)定、可靠地工作。循環(huán)加熱水箱內的溫度分層，由下至上，溫度逐漸提高，補水口設在水箱的下部，T5呈周期性變化，波動范圍為30～45.9℃。熱泵熱水系統(tǒng)在浴室開放的12 h中，共運行了10個近似的等幅振蕩周期，期間共生產熱水120 m3。

圖4所示為2015年12月7日單獨運行空氣源熱泵、8日運行空氣源／污水源復合熱泵制取45℃熱水的測試數據。圖中T7和T8分別為兩日的室外溫度曲線。計算平均溫度分別為10.83℃、10.71℃，自來水平均溫度分別為11.83℃、11.78℃。測量熱泵系統(tǒng)的耗電量P、熱水供應量G0，由式（1）、（3）計算熱泵系統(tǒng)運行能效的變化。

圖4 空氣源熱泵與復合熱泵運行能效對照圖Fig.4 Comparison of energy efficiency of air source heat pump and compound heat pump

由圖4可知，12月7日，空氣源熱泵系統(tǒng)能效變化較為平緩，COP在2.96左右。12月8日，復合熱泵系統(tǒng)運行初期能效較低，其原因在于洗浴廢水流量不足，污水源熱泵沒有運行；隨著污水源熱泵投入運行，COP平穩(wěn)上升，之后穩(wěn)定在3.45左右；在20∶45～22∶00洗浴人次高峰時段，熱泵系統(tǒng)的COP提高到3.6，其原因是洗浴廢水溫度高、流量大，污水源熱泵滿負荷運行。相對于空氣源熱泵獨立運行，能效約提高16%。

3 熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的比較

根據本項目熱泵熱水系統(tǒng)的測試數據，對采用空氣源／污水源復合熱泵熱水系統(tǒng)、電熱水器、燃氣鍋爐、燃煤鍋爐等4種加熱方式進行經濟性比較。為方便比較，現設定如下條件：環(huán)境溫度為10℃，將1 000 kg自來水從10℃加熱到45℃。計算比較結果如表1所示。

表1中計算的能源價格分別：電0.65元／（kW· h）、煤750元／t、天然氣3.60元／m3，燃煤鍋爐效率η＝0.8，燃氣鍋爐的效率取η＝0.9，電熱水器的效率η＝0.95。由表2可知，燃煤鍋爐生產熱水的費用最低，但由于高能耗、高污染等問題，國家已經禁止在城市內使用?？諝庠矗鬯磸秃蠠岜霉?jié)能、環(huán)保、安全，相對于燃氣鍋爐節(jié)約費用53.3%，相對于電熱水器節(jié)約費用72.4%。

表1 幾種典型熱水生產方式的性能對比Tab.1 Economic analysis of different water heater

4 結論

研發(fā)空氣源／污水源復合熱泵熱水系統(tǒng)，建立了空氣源／污水源復合熱泵熱水示范工程，進行了復合熱泵熱水系統(tǒng)運行狀況的測試研究，得出如下結論：

1）在環(huán)境溫度為10℃條件下，復合熱泵系統(tǒng)相對于空氣源熱泵、燃氣熱水器、電熱水器分別節(jié)約費用16%、53.3%、72.4%，測試期間系統(tǒng)運行平穩(wěn)，熱水水溫穩(wěn)定，在洗浴高峰期出水溫度依然能達到設定溫度。

2）室外平均溫度為8.1℃，對污水池內污水溫度、預熱換熱器污水通道出口溫度、污水排水口溫度測試結果顯示，各溫度相對穩(wěn)定，分別為30.6℃、25.8℃、15.5℃，污水總溫降約15.1℃，回收熱量約占加熱總能量的1／3，污水余熱回收效果明顯。

3）循環(huán)水箱內水溫近似等幅振蕩，波動范圍為30～45.9℃，系統(tǒng)在12 h內共完成10個加熱周期，制得50℃熱水120 m3；同一個加熱周期內水溫上升速度變緩、耗電量上升速度變快。

4）分別對空氣源熱泵、空氣源／污水源復合熱泵系統(tǒng)在10℃ ±1℃的條件下，將自來水加熱到45℃進行實驗研究，空氣源熱泵平均能效為2.96，復合熱泵系統(tǒng)平均能效為3.45，復合熱泵系統(tǒng)相對于普通的空氣源熱泵更高效、節(jié)能。

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Design and Application of Air／Sewage Source Heat Pump System

Hu Peng1Wang Tiejun1Li Jiping2Xu Wei1Xia Xingxiang1
（1.Hefei University of Technology，Hefei，230009，China；2.Anhui Quantum New Energy Co.，Ltd.，Hefei，230009，China）

In order to achieve energy conservation and emissions reductions，an air source／sewage source heat pump hot water system was designed.Field tests were conducted in a demonstration project on Tunxi Road at Hefei University of Technology.The results show that at an ambient temperature of 8℃ ±1.2℃ and a water supply temperature of 50℃ condition，the wastewater temperature is decreased from 30.6℃ to 15.5℃ through preheater and waste heat recovery.Heat recovery energy accounts for about 1／3 of the total energy for hot water heating.At an ambient temperature of 10℃ ±1℃ and a water supply temperature of 45℃ condition，the energy efficiency of the composite heat pump system was 3.45.Compared with a separate air source heat pump，the energy efficiency is increased by 18%.Compared with a gas water heater and an electric water heater，the composite heat pump system can reduce operating costs by 53.3%and 72.4%，respectively.The results show obvious advantages of composite heat pump system on energy saving，environmental protection，and cost reduction.

air source heat pump；sewage source heat pump；design；field test；waste heat recovery

TK115；TQ051.5；X703

：A

：0253－4339（2017）03－0019－05

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.019

王鐵軍，男，教授，合肥工業(yè)大學制冷與空調技術研究所所長，13905510159，E-mail：wtj555＠sina.com。研究方向：制冷空調系統(tǒng)節(jié)能與能源綜合利用。

2016年8月30日

About the corresponding author

Wang Tiejun，male，professor，the Head of Refrigeration and Air Conditioning Institute，Hefei University of Technology， ＋86 13905510159，E-mail：wtj555＠sina.com.Research fields：conservation and utilization of energy in refrigeration and air conditioning system.