带废热回收的家用热泵热水装置实验研究

(北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124)

随着生活水平的提高，人们对生活热水的需求量和品质要求也发挥来越高。热泵技术是近年来备受关注的新能源技术，采用热泵技术可以节约大量能源。家用淋浴废水温度较高，含有大量低品位能量，大量废水排走的同时也带走了热量。利用热泵回收淋浴废水中的热量，可以提高热水装置的能量利用率[1]。废水产生时热量和水量同步，这也为热泵系统即时利用废热提供了可能[2]。

近年来，关于暖通空调领域的研究大都集中在建筑空调节能及大型集中式热回收装置中[3]。针对小型家用热回收设备的研究较少，带热回收的热泵热水器研究更少[4]。国内外许多学者已对热泵热水器进行了研究，雷博等[5]实验研究了家用污水源热泵热水器，其实验系统中有电热辅助系统；李卫国等[6]研究表明采用合适的电子膨胀阀开度可以提高系统性能；杨强等[7-8]研究了热泵系统中制冷剂充注量，提出以过冷度和过热度为标准判断热泵系统制冷剂充注量。其他学者在此方面也进行了大量研究[9-16]。本文提出一种带废热回收的热泵热水装置的循环原理，并搭建了实验样机[16-17]，通过实际测试研究其制取热水的循环性能，为开发高效的热泵热水装置提供参考。

1 工作原理

图1所示为带废热回收的热泵热水装置系统原理。整个装置主要由压缩机、冷凝器，节流阀、蒸发器、预热器组成，工作过程：自来水首先进入与淋浴废水连接的预热器中进行一次升温，然后进入冷凝器进行二次换热升温，达到所需的36～46 ℃出水温度，经淋浴器喷出供淋浴使用。淋浴废水流经预热器、再流过蒸发器回收其中热量后排出。

图1 废热回收热泵热水装置系统原理Fig.1 The principle of waste heat recovery heat pump water heater system

与普通空气源热泵热水装置相比，带废热回收的热泵热水装置没有泵和风机，制热COP更高。回收热量后废水的温度从35 ℃降至15 ℃排出，基本等于同时期地表水温度，对环境友好。另外，带废热回收的热泵热水装置只受进水温度的影响，因此其工况条件稳定。

2 理论计算

理论计算条件：进水温度16 ℃；出水温度36～42 ℃；预热器温升2～7 ℃；冷凝温度比出水温度高3 ℃，制冷剂过冷温度比出水温度低5 ℃；蒸发温度低于排水温度8 ℃；吸气过热度5 ℃。

计算过程：先假定一个进水量，设定不同出水温度，计算出所需热量。制冷剂回路迭代计算制热量。对比两次计算结果，差值小于1%即迭代完成。得出系统运行各点参数。计算流程如图2所示。

图2 计算流程Fig.2 The calculation process

以额定功率为2 HP的压缩机为例计算制热量、供水量等，图3所示为制热量随出水温度的变化。由图3可知，制热量随出水温度的升高略有下降，变化较小，稳定在约10 kW。当出水温度为36 ℃时，制热量为10.05 kW；当出水温度为46 ℃时，制热量为9.99 kW，仅降低0.6%。表明带热回收的热泵热水器制热量稳定。

图3 制热量随出水温度的变化Fig.3 The variation of heating capacity with outlet water temperature

图4 制热COP随出水温度的变化Fig.4 The variation of heating COP with outlet water temperature

图4所示为制热COP随出水温度的变化。压缩机COP是冷凝器制热量与压缩机功率的比值，制热COP是冷凝器制热量加预热器制热量与压缩机功率的比值。由图4可知，出水温度越高，制热COP越低。当出水温度为36～46 ℃时，预热器的效果对制热COP影响从10%增至23%。表明在高出水温度下，预热器对提高系统的COP作用较大，原因主要是，出水温度高时，淋浴废水的温度也较高，提高了预热器的传热温差。

3 实验研究

实验测试工况为：进水温度16 ℃，出水温度36～46 ℃。实验台组成：蒸发器1盘管放水箱中，启动时提供热量；蒸发器2采用流道隔开的环形盘管，回收淋浴废水热量；预热器采用环形盘管；压缩机额定功率为2 HP；毛细管节流阀和盘管冷凝器。对R22工质系统进行实验研究，实验稳定后采集数据。表1所示为实验用测试仪表数据。

表1 实验仪器精度Tab.1 Sensors accuracy

图5 所示为实验测点安装位置图。温度测点安装在热水器进水及冷凝器的进出水处。压力测点安置在压缩机的排气口和吸气口。

图5 实验装置测点位置图Fig.5 The experimental testing device of heat pump water with measuring point

采用水量调节阀控制水流量，来控制不同的出水温度，每次出水温度波动在0.5 ℃内。

制热量:

Q=3.6×106ρcvΔt

(1)

式中：Q为制热量,kW；ρ为自来水密度,kg/m3；c为水的定压比热,kJ/(kg·℃)；v为自来水体积流量,L/h；Δt为热水器进出水温差,℃。

4 结果与讨论

4.1 实验结果分析

图6所示为不同制冷剂充注量下系统的制热量随出水温度的变化。由图6可知，充注量为1.4、1.7、2.0 kg时，制热量随出水温度的提高总体稳定，波动范围为4.5%～10%。但不同充注量下系统的制热量偏差随出水温度升高而增大。当出水温度从36 ℃升至46 ℃时，制热量偏差从0.19 kW增至1.04 kW。

图6 不同制冷剂充注量下制热量随出水温度的变化Fig.6 The variation of heating capacity with outlet water temperature under different refrigerant charge

图7 不同制冷剂充注量下制热COP随出水温度的变化Fig.7 The variation of heating COP with outlet water temperature under different refrigerant charge

图7 所示为不同制冷剂充注量下制热COP随出水温度的变化。由图7可知，充注量为1.4、1.7、2.0 kg时，制热COP随出水温度的上升不断减小。增加充注量有利于制热COP的稳定。如充注量为1.4、1.7、2.0 kg时，出水温度分别为36 ℃和46 ℃时，制热COP分别减小20%、11%和8%。充注量为1.7 kg和 2.0 kg系统的制热COP数值大小和波动范围相同。由实验结果可知，有限度地增加充注量有利于制热COP的稳定。出水温度为36～38 ℃时，制热COP的大小顺序为1.4 kg>1.7 kg>2.0 kg；出水温度为38～42 ℃时，制热COP大小顺序为1.4 kg>2.0 kg>1.7 kg。结果表明，出水温度越低，充注量越少时制热COP越高。

图8所示为不同制冷剂充注量下压缩功率随出水温度的变化。由图8可知，充注量为1.4、1.7、2.0 kg时，压缩机功率随出水温度的升高而增大，原因是冷凝温度升高。在相同的出水温度下，充注量为1.4 kg时压缩机功率最小，充注量为1.7 kg和2.0 kg时压缩机功率基本一致。压缩机功率随制冷剂充注量的增大而增大，但增至一定值后压缩机功率不再增加。充注量为1.4、1.7、2.0 kg，出水温度为36 ℃时和46 ℃时相比，压缩机功率分别增大10%、7.8%、7.2%。表明增加充注量会使压缩机功率增大，但也会造成压缩机功率波动幅度减小。

图8 不同制冷剂充注量下压缩机功率随出水温度的变化Fig.8 The variation of compressor power with outlet water temperature under different refrigerant charge

图9 不同制冷剂充注量下体积流量随出水温度的变化Fig.9 The variation of water flow rate with outlet water temperature under different refrigerant charge

图9所示为不同制冷剂充注量下出水体积流量随出水温度的变化。由图9可知，充注量为1.4、1.7、2.0 kg时，出水体积流量随出水温度的上升而减少。充注量为1.4 kg时流量波动较大，因为此时制热量随出水温度的升高波动较大。充注量为1.7、2.0 kg时流量大致相同，因为在相同出水温度下制热量接近。出水量的变化规律基本与制热量变化规律相吻合，原因可能是冷凝器本身会储存一部分热量而引起制热量变化的滞后，即制热量的变化不会立刻反映到出水量的变化上。

4.2 理论结果与实验结果对比

对比图3和图6可知，理论计算和实验获得的制热量趋势一致，理论计算值高于实验值约20%。对比图4和图7可知，制热COP的理论计算值与实验值趋势一致，但理论计算值较高。通过分析可知：假定条件下的蒸发温度较高，而实验设备的蒸发温度较低是造成理论计算的制热量、制热COP较高的主要原因。

5 结论

为回收家用热水器中废热的热量，本文提出了一种带废热回收的热泵热水装置，并搭建实验台进行测试。在进水温度为16 ℃，出水温度为36～46 ℃时，对带废热回收的热泵热水装置进行实验。得到主要结论如下：

1)出水温度为36～46 ℃ 时，系统制热量受制冷剂充注量影响较大。充注量为2.0 kg时系统可以获得最稳定的制热量。充注量为1.4 kg和1.7 kg时，系统的制热量随出水温度的升高而降低，最大降幅为0.5 kW，充注量为2.0 kg时，系统的制热量随出水温度的升高而增大，最高增大0.32 kW。

2)出水温度为36～46 ℃ 时，系统的制热COP随出水温度的上升而减小，充注量为1.4 kg时，可以获得最大制热COP；充注量为1.7 kg时，制热COP保持在相对稳定的数值范围。

3)出水温度为36～46 ℃ 时，压缩机功率随着出水温度的升高而增大，出水温度每增加2 ℃,压缩机功率增大20～40 W。

4)出水温度为36～46 ℃ 时，随出水温度的升高，出水体积流量下降。测试结果显示，出水温度为36 ℃ 时，水体积流量为330 L/h，出水温度46 ℃ 时，水体积流量变为230 L/h。出水温度每增加2 ℃，出水体积流量平均减少17 L/h。