复合热泵热水系统运行特性的分析研究

炜，陆海荣

（1.扬州大学 电气与能源动力工程学院，江苏扬州 225009；2.迈进工程设计咨询（上海）有限公司，上海 200235）

0 引言

目前，高校的公共浴室普遍采用低能效、高污染的燃煤或燃气锅炉生产热水［1］，而节能减排是节约型校园和绿色大学建设的重点［2］，因此，浴室的节能减排改造成为必然。热泵热水系统以消耗少量高品位能（如电能）为代价，从环境中摄取低温位热能生产热水，高效、环保、安全和经济［3-5］，除此之外，洗浴污水中含有大量的余热，采用污水源热泵技术利用污水中的热能供热，可在一定程度上缓解能源紧张的形势［6］。

在热泵热水系统的研究方面，许多学者分别对空气源热泵热水系统和污水源热泵热水系统进行研究，结果表明采用污水源热泵可以降低投资、减少运行费用，并且利用污水源热泵机组进行余热回收的潜力大［7-21］。本文将空气源热泵与污水源热泵复合，组成复合热泵热水系统，选取镇江市某高校学生洗浴中心的空气源和污水源复合热泵热水系统进行相关的应用研究，分析空气源和污水源复合热泵热水系统的优势。

1 工程概况

本文选取镇江市某高校学生洗浴中心为研究对象，设计热水日用量G0=342 m3，自来水日用量G1=108 m3，设计出水温度t1=50 ℃，自来水温度t2=8 ℃，根据热量计算公式：

式中 c ——热水定压比热，kJ/（kg·K）；

ρ ——热水密度，kg/m3。

计算可得热水日耗热量Q0=6.01×107KJ，在浴室使用阶段，热水系统约运行12.5 h，因此，热水负荷为1 336.2 kW。洗浴高峰期为晚上16：30～21：30，污水量约为450 m3，在环境温度为9 ℃时洗浴废水池平均温度为22.8 ℃。本系统是以空气源热泵热水系统能够单独提供所需洗浴热水的基础上，考虑冬季极限情况，另外设热水负荷的20%由污水源热泵提供，热水系统原理如图1所示。此外，考虑到储能、用能的平衡问题以及热损失问题，热水系统在夜间也制取热水，因此以空气源热泵机组最长运行时间18 h，污水源热泵机组最长运行时间16 h。

图1 空气源和污水源复合热泵热水系统原理

根据热水设计负荷选用的空气源热泵机组和污水源热泵机组型号，具体见表1。

表1 热泵机组型号参数

空气源热泵机组的制热名义工况：使用侧：8 ℃/55 ℃（进水温度/热水出水温度）；热源侧：25 ℃/19.5 ℃（空气干球工况/空气湿球工况）。

污水源热泵机组的制热名义工况：使用侧：30 ℃/45 ℃（热水进水温度/热水出水温度）；热源侧：17 ℃/7 ℃（污水进水温度/污水出水温度）。

根据机组运行实际数据，在环境温度8 ℃左右时，空气源热泵热水系统制热量在1 160 kW左右，污水源热泵热水系统制热量在250 kW左右，因此空气源与污水源热泵的配比能够满足浴室供热水量。

2 复合热泵热水系统运行特性分析

2.1 复合热泵运行模式下污水源热泵串并联模式分析

在复合热泵运行模式下，本文对2台污水源热泵系统进行了串联与并联模式下的性能比较，以此探讨该复合热泵热水系统最佳的运行模式。

复合热泵热水系统的运行模式如下：

（1）污水源热泵机组串联运行：上午2#、3#空气源热泵机组模块（5台热泵机组）先制取热水，至下午15：30左右，2台污水源热泵机组启动与2#、3#空气源热泵机组模块共同运行，17：00～18：30时间段2台污水源热泵机组与1#空气源热泵机组模块（8台热泵机组）共同运行，之后污水源热泵热水系统单独运行至浴室营业结束。

（2）污水源热泵机组并联运行：上午利用已制取储备的热水，至 11：30～12：30 时间段，1#空气源热泵机组模块运行制取热水，之后无热泵机组制热，约至下午14：30左右，2台污水源热泵机组单独运行制取热水至浴室营业结束。

为了方便叙述，将串联的污水源热泵第1级机组称为1#机组，第2级机组称为2#机组。测试时机组热源侧的污水进水温度和污水量分别在17.5 ℃、9 m3/h左右。下面进行污水源热泵机组串、并联运行性能分析。

比较串、并联运行时机组使用侧出水温度，如图2所示，串联运行时1#机组的出水温度基本稳定在44 ℃左右，2#机组的出水温度基本稳定在50 ℃左右，最高可达52 ℃，即2#机组能够将1#机组的出水温度提高5～6 ℃，并且1#机组的出水温度正好达到设定的出水温度44 ℃，2#机组的出水温度能超过设定的出水温度约2 ℃。并联运行时，1#、2#机组的出水温度基本相同，出水温度在46.5～50.5 ℃范围内，平均出水温度在48.7 ℃左右，也基本达到设定的48 ℃出水温度。可见串、并联机组的出水温度都能够达到设定的要求，但串联机组的最终出水温度比并联机组高约2 ℃。

图2 机组出水温度随时间变化

机组进水温度对串、并联运行时机组制热量与COP的影响，如图3所示。图3（a）与3（c）、图 3（b）与3（d）表明，1#、2#机组的制热量、COP总体随机组进水温度的升高而下降，这是因为在机组污水进水温度和流量恒定情况下，机组进水温度越高，机组冷凝温度越高，制冷剂单位质量制冷能力降低，系统制热量降低，另外由于压缩比的增加，压缩机耗功增加，因此机组的COP值也逐渐降低。总体上，串联运行时1#机组制热量、COP分别维持在97 kW、3.7，2#机组制热量、COP分别维持在67 kW、2.5，经过二级串联，机组温升达10 ℃左右，1#机组比2#机组的制热量、COP分别大30 kW、1.2左右。而并联运行时1#机组相比较于2#机组，其机组制热量、COP都略大，理论上2台机组制热量、COP应相同，因为1#机组的进水温度要比2#机组的进水温度低1.5 ℃左右，因此1#机组比2#机组制热量和COP都略大。

图3 机组制热量、COP与机组进水温度随时间变化

2.2 复合热泵热水系统与空气源热泵热水系统的运行性能分析

本系统是在空气源热泵热水系统能够单独提供所需洗浴热水的基础上，考虑冬季极限情况，另外设热水负荷的20%由污水源热泵提供。将污水源热泵串联时的复合系统与空气源热泵系统单独运行时的性能比较如下：

当环境温度为9 ℃时，复合热泵热水系统与空气源热泵热水系统的性能参数如图4所示，图4（a）、（b）和（c）中，10：00-15：00 2个热泵热水系统的性能基本相同，因为该时段是由2#、3#空气源热泵机组运行供热。从15：00开始，复合热泵热水系统中污水源热泵开始运行，空气源热泵热水系统中1#、2#、3#机组全部运行，如图4（a）所示，2个热泵热水系统的出水温度高于设定出水温度46 ℃，复合热泵热水系统的平均出水温度为47.5 ℃，高于空气源热泵热水系统的平均出水温度46.7 ℃。图4（b）中，空气源热泵热水系统的制热量总体较为稳定，而复合热泵热水系统存在3个阶段：15：00-17：00，复合热泵热水系统的制热量小于空气源热泵热水系统，因为该时段洗浴人数较少，污水量不足；17：30-18：30，复合热泵热水系统的制热量大于空气源热泵热水系统，因为该时段洗浴人数较多，污水量充足，污水源热泵能够充分利用污水中的余热，因此复合热泵热水系统的制热量较大；19：00之后复合热泵热水系统的制热量急剧下降，是因为该时段热水箱里的温度已经达到系统设计的出水温度，两台污水源热泵机组的制热量足以维持热水箱的温度稳定。图4（c）中，复合热泵热水系统的COP总体大于空气源热泵热水系统，复合热泵热水系统的COP大体稳定在3.7左右，空气源热泵热水系统的系统COP较为平缓，平均在3.1左右，可见复合热泵热水系统的系统COP因污水源热泵机组的运行有所提高，比空气源热泵热水系统单独运行能效更高，经计算可知相对于空气源热泵热水系统单独运行，空气源和污水源复合热泵热水系统运行能效能提高约19%，节能效果明显。

图4 热水系统出水温度、制热量和COP随时间变化

2.3 污水源热泵余热回收性能分析

污水源热泵利用污水里的余热作为低温位热源，通过输入少量的高品位能（如电能）来制取高温位热源。本文在污水余热完全应用的情况下，分析回收热量占总制热量的占比。

当环境平均温度为9 ℃时，对污水池温度以及污水排出温度进行测试，结果如图5所示，污水池温度、污水池排出温度相对稳定，污水池的平均温度t3=22.8 ℃，排出污水的平均温度t4=10.2 ℃，根据热量公式［14］：

式中 μ ——废水收集系数，取μ =0.9［22］；

c ——热水定压比热，kJ/（kg·K）；

ρ ——热水密度，kg/m3；

G0——设计热水日用量，m3，G0=342 m3；

G1——自来水日用量，m3，G1=108 m3。

图5 环境温度、污水池温度及污水排出温度随时间变化

计算可得回收污水余热量Q1=5 146 642 kCal，占热水日耗热量Q0的35.8%，而本系统污水源热泵的配比在设计选型时仅占热水负荷的20%，表明污水源热泵系统的余热回收潜力大，设计时应考虑污水余热回收的最大化，节能效果显著。

3 结语

（1）在空气源和污水源热泵系统联合运行的模式下，从机组出水温度、机组制热量、COP等3个方面比较了2台污水源热泵机组的串、并联运行效果，结果表明串联运行的效果优于并联运行。

（2）将污水源热泵串联时的复合热泵热水系统与单独空气源热泵热水系统的系统出水温度、系统制热量及COP等3个性能参数进行比较，表明复合热泵热水系统的运行效果优于空气源热泵热水系统，复合热泵热水系统的运行能效提高约19%，节能效果显著。

（3）对污水余热进行分析，结果表明污水余热回收的热量占总制热量的35.8%，设计时应尽量利用最大化，使污水源热泵系统的节能效果更显著。