浴室余熱回收熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析（能源）

                           林勤榮¹李蘇瀧²羅漢新¹

    1東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司2南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

摘要：本文在公共浴室污水源熱泵系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出設(shè)置低位水箱，增加換熱效果的設(shè)想。并從經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性角度對新型污水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明新型污水源熱泵系統(tǒng)相對于鍋爐和空氣源熱泵系統(tǒng)具有顯著節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)也較簡單，工程上易于實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：公共浴室污水源熱泵熱回收

    學(xué)校、工業(yè)企業(yè)、部隊(duì)營房等單位的浴室淋浴時(shí)廢熱量大，采用鍋爐作為熱源，廢熱無法得到有效利用。采用污水源熱泵機(jī)組作為熱源，能夠進(jìn)行廢熱回收。由于噴淋的供水溫度不高、廢水的排水溫度不低，污染較輕，對于提高污水源熱泵機(jī)組的制熱效率十分有利。

    國內(nèi)外對污水源熱泵機(jī)組在公共浴室中的應(yīng)用做了研究。浴室熱泵的工作過程與普通蒸氣壓縮式熱泵類似。制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收浴室廢熱水的熱量，經(jīng)壓縮后在冷凝器中放出熱量，間接加熱在其中流過的自來水，使其升溫到浴室洗澡所需溫度。在冷凝器中，制冷劑凝結(jié)成飽和液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓降溫進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，氣化為干飽和蒸氣，從而完成一個(gè)循環(huán)；自來水在冷凝器中吸熱升溫后，經(jīng)淋浴頭噴淋，被過濾集水裝置收集后進(jìn)入蒸發(fā)器中釋放余熱，而后排入下水道。本文在此基礎(chǔ)上，提出設(shè)置低溫水箱，完善熱泵系統(tǒng)，并進(jìn)行節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性分析。

1  浴室污水源熱泵系統(tǒng)

    圖1為污水源熱泵系統(tǒng)流程圖。為了充分利用浴室廢熱水余熱，設(shè)置水箱，收集淋浴的廢熱水，并將其作為熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器進(jìn)行直接熱交換，蒸發(fā)器從廢熱水中吸取熱量，在冷凝器中將熱量傳遞給自來水，進(jìn)入水箱作為淋浴用水。廢熱水經(jīng)過濾集水裝置收集后從水箱的上部流入，從下部流出，形成自然的溫度分層。水箱的容積無需太大，只要浸沒蒸發(fā)器，以得到較充分的換熱即可。與管殼式換熱器相比，設(shè)置水箱，不僅初投資低，且換熱效率高、污垢阻塞問題較輕，也容易處理。

    每次使用浴室熱泵前，由于沒有足夠的溫度較高的浴室廢熱水作為低位熱源，只能在蒸發(fā)器中從溫度為常溫的“集水”（殘存在蒸發(fā)器中的廢熱水）中取熱；所放出的熱量不夠時(shí)，則短時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)輔助加熱元件，直接加熱洗澡熱水。洗浴開始后，廢水流量穩(wěn)定后，則輔助加熱元件自動(dòng)停止工作。

    為減少廢水余熱的損失，提高熱回收效率，廢水集水管道的保溫應(yīng)該引起重視，此外去除泡沫、疏通污垢，以保證蒸發(fā)器的換熱效率也需要引起注意。

2  熱泵熱水器節(jié)能性分析

如采用傳統(tǒng)鍋爐為熱源，則一次能源消耗為

    圖2給出了不同鍋爐熱效率下，熱泵機(jī)組相關(guān)于鍋爐的節(jié)能率與熱泵機(jī)組COP之間的關(guān)系。熱泵機(jī)組的COP與高、低溫?zé)嵩吹臏囟扔嘘P(guān)。高溫?zé)嵩吹臏囟容^低，低溫?zé)嵩吹臏囟容^高，機(jī)組的COP就較高；反之，則較低。無論是采用污水源熱泵機(jī)組，還是采用空氣源熱泵機(jī)組，高溫?zé)嵩矗�即噴淋的供水溫度均相同，然而低溫�(zé)嵩吹臏囟葎t有所不同，空氣源熱泵機(jī)組對應(yīng)于室外空氣溫度，冬季較低，而污水源熱泵則對應(yīng)于淋浴廢水的溫度，較室外空氣溫度高許多，尤其是在冬季。另外，空氣源熱泵機(jī)組在冬季室外溫度較低時(shí)還面臨啟動(dòng)困難.制熱能力差、制熱效率低及需要除霜的問題。因此，在此情況下，污水源熱泵較空氣源熱泵優(yōu)勢明顯。

    設(shè)噴淋的供水溫度為42℃，淋浴廢水的排水溫度為25℃，對水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行的性能

測試，熱泵機(jī)組的COP在4.5左右，水源熱泵機(jī)組相對于鍋爐的節(jié)能率可達(dá)52%。當(dāng)然，如果提高噴淋的供水溫度，熱泵機(jī)組的COP要有所降低。事實(shí)上，從圖2可以看出，當(dāng)熱泵機(jī)組的COP太小時(shí)，熱泵熱水器并不節(jié)能，比如當(dāng)鍋爐效率為70%時(shí)，COP大于2.17時(shí)才有可能節(jié)能，顯然，對于空氣源熱泵，由于冬季室外溫度低，加之供水溫度較高，節(jié)能效果并不好，要提高節(jié)能效果，就要利用淋浴廢水熱量這一“資源”，而采用污水源熱泵。

3  浴室污水源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

    以南京某高校宿舍新區(qū)浴室為例，浴室預(yù)計(jì)6000名學(xué)生淋浴用，按每人每次（可以按每5天洗浴1次考慮）洗浴用水量80 L計(jì)算，其中自來水溫度設(shè)定為15℃。則一天加熱冷水所需熱量Q為：

浴室噴淋如采用燃?xì)忮仩t，則燃?xì)庀�耗量�?/span>

如采用水源熱泵機(jī)組，則消耗電量為

    在本項(xiàng)目中，COP取為4.5，天然氣價(jià)為2.2元/m³，電價(jià)為0.80元/kWh。經(jīng)計(jì)算，若采用燃?xì)忮仩t，浴室一天的用熱成本為968元；若采用水源熱泵，則為535元。以學(xué)生一年平均在校時(shí)間為300天計(jì)，一年可節(jié)省燃料費(fèi)用129900元。

4  結(jié)論

    采用污水源熱泵機(jī)組作為熱源供浴室噴淋熱水，無論與鍋爐相比，還是與空氣源熱泵機(jī)組相比，均具有顯著的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)也較簡單、工程上易于實(shí)現(xiàn)，且可以減少有害氣體的排放。在保證噴淋舒適的情況下，應(yīng)盡可能降低供水溫度，以提高熱泵機(jī)組的COP。因此，對于高校、部隊(duì)營房等以年輕人為主的浴室，采用污水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果更好。另外，發(fā)展較高制熱效率的高溫制冷劑對于熱泵的節(jié)能應(yīng)用推廣是一個(gè)亟需研究的課題。