(北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院 北京 100124)

隨著生活水平的提高，人們對生活熱水的需求量和品質要求也發(fā)揮來越高。熱泵技術是近年來備受關注的新能源技術，采用熱泵技術可以節(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]。廢水產生時熱量和水量同步，這也為熱泵系統(tǒng)即時利用廢熱提供了可能[2]。

近年來，關于暖通空調領域的研究大都集中在建筑空調節(jié)能及大型集中式熱回收裝置中[3]。針對小型家用熱回收設備的研究較少，帶熱回收的熱泵熱水器研究更少[4]。國內外許多學者已對熱泵熱水器進行了研究，雷博等[5]實驗研究了家用污水源熱泵熱水器，其實驗系統(tǒng)中有電熱輔助系統(tǒng)；李衛(wèi)國等[6]研究表明采用合適的電子膨脹閥開度可以提高系統(tǒng)性能；楊強等[7-8]研究了熱泵系統(tǒng)中制冷劑充注量，提出以過冷度和過熱度為標準判斷熱泵系統(tǒng)制冷劑充注量。其他學者在此方面也進行了大量研究[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，并搭建了實驗樣機[16-17]，通過實際測試研究其制取熱水的循環(huán)性能，為開發(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。整個裝置主要由壓縮機、冷凝器，節(jié)流閥、蒸發(fā)器、預熱器組成，工作過程：自來水首先進入與淋浴廢水連接的預熱器中進行一次升溫，然后進入冷凝器進行二次換熱升溫，達到所需的36～46 ℃出水溫度，經淋浴器噴出供淋浴使用。淋浴廢水流經預熱器、再流過蒸發(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有泵和風機，制熱COP更高。回收熱量后廢水的溫度從35 ℃降至15 ℃排出，基本等于同時期地表水溫度，對環(huán)境友好。另外，帶廢熱回收的熱泵熱水裝置只受進水溫度的影響，因此其工況條件穩(wěn)定。

2 理論計算

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

計算過程：先假定一個進水量，設定不同出水溫度，計算出所需熱量。制冷劑回路迭代計算制熱量。對比兩次計算結果，差值小于1%即迭代完成。得出系統(tǒng)運行各點參數。計算流程如圖2所示。

圖2 計算流程Fig.2 The calculation process

以額定功率為2 HP的壓縮機為例計算制熱量、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。當出水溫度為36 ℃時，制熱量為10.05 kW；當出水溫度為46 ℃時，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COP是冷凝器制熱量與壓縮機功率的比值，制熱COP是冷凝器制熱量加預熱器制熱量與壓縮機功率的比值。由圖4可知，出水溫度越高，制熱COP越低。當出水溫度為36～46 ℃時，預熱器的效果對制熱COP影響從10%增至23%。表明在高出水溫度下，預熱器對提高系統(tǒng)的COP作用較大，原因主要是，出水溫度高時，淋浴廢水的溫度也較高，提高了預熱器的傳熱溫差。

3 實驗研究

實驗測試工況為：進水溫度16 ℃，出水溫度36～46 ℃。實驗臺組成：蒸發(fā)器1盤管放水箱中，啟動時提供熱量；蒸發(fā)器2采用流道隔開的環(huán)形盤管，回收淋浴廢水熱量；預熱器采用環(huán)形盤管；壓縮機額定功率為2 HP；毛細管節(jié)流閥和盤管冷凝器。對R22工質系統(tǒng)進行實驗研究，實驗穩(wěn)定后采集數據。表1所示為實驗用測試儀表數據。

表1 實驗儀器精度Tab.1 Sensors accuracy

圖5 所示為實驗測點安裝位置圖。溫度測點安裝在熱水器進水及冷凝器的進出水處。壓力測點安置在壓縮機的排氣口和吸氣口。

圖5 實驗裝置測點位置圖Fig.5 The experimental testing device of heat pump water with measuring point

采用水量調節(jié)閥控制水流量，來控制不同的出水溫度，每次出水溫度波動在0.5 ℃內。

制熱量:

Q=3.6×106ρcvΔt

(1)

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

4 結果與討論

4.1 實驗結果分析

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，制熱量隨出水溫度的提高總體穩(wěn)定，波動范圍為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。當出水溫度從36 ℃升至46 ℃時，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，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，出水溫度分別為36 ℃和46 ℃時，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數值大小和波動范圍相同。由實驗結果可知，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，制熱COP的大小順序為1.4 kg>1.7 kg>2.0 kg；出水溫度為38～42 ℃時，制熱COP大小順序為1.4 kg>2.0 kg>1.7 kg。結果表明，出水溫度越低，充注量越少時制熱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，壓縮機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時壓縮機功率最小，充注量為1.7 kg和2.0 kg時壓縮機功率基本一致。壓縮機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功率不再增加。充注量為1.4、1.7、2.0 kg，出水溫度為36 ℃時和46 ℃時相比，壓縮機功率分別增大10%、7.8%、7.2%。表明增加充注量會使壓縮機功率增大，但也會造成壓縮機功率波動幅度減小。

圖8 不同制冷劑充注量下壓縮機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，出水體積流量隨出水溫度的上升而減少。充注量為1.4 kg時流量波動較大，因為此時制熱量隨出水溫度的升高波動較大。充注量為1.7、2.0 kg時流量大致相同，因為在相同出水溫度下制熱量接近。出水量的變化規(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儲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立刻反映到出水量的變化上。

4.2 理論結果與實驗結果對比

對比圖3和圖6可知，理論計算和實驗獲得的制熱量趨勢一致，理論計算值高于實驗值約20%。對比圖4和圖7可知，制熱COP的理論計算值與實驗值趨勢一致，但理論計算值較高。通過分析可知：假定條件下的蒸發(fā)溫度較高，而實驗設備的蒸發(fā)溫度較低是造成理論計算的制熱量、制熱COP較高的主要原因。

5 結論

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，并搭建實驗臺進行測試。在進水溫度為16 ℃，出水溫度為36～46 ℃時，對帶廢熱回收的熱泵熱水裝置進行實驗。得到主要結論如下：

1)出水溫度為36～46 ℃ 時，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，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，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，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，可以獲得最大制熱COP；充注量為1.7 kg時，制熱COP保持在相對穩(wěn)定的數值范圍。

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

4)出水溫度為36～46 ℃ 時，隨出水溫度的升高，出水體積流量下降。測試結果顯示，出水溫度為36 ℃ 時，水體積流量為330 L/h，出水溫度46 ℃ 時，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。