一种三热源热泵热水系统及其节能评价

杨冬冬， 张忠斌， 黄 虎

(1.合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031;2.南京师范大学动力工程学院，江苏南京 210042)

随着能源形势的日益严峻和技术的不断进步，家用和类似用途的热水系统型式不断发展，各种新型热水系统不断涌现[1-3]。空气源热泵热水系统和污水源热泵热水系统均在家用和类似用途的热水系统中占据相当重要的位置，相关研究文献也不为少数。如文献[4]介绍了热泵系统的工作原理及控制，阐述了空气源热泵、城市废水热泵等系统的应用以及最新技术，分析了应用中出现的问题;文献[5]对太阳能、空气源和污水源等混合热泵系统的最优化运行模式作了详细的研究和探讨。

火用是评价一个热力系统是否节能的重要理论依据，它的定义为系统(或流动的物质或能量)达到与外界环境平衡状态时所能输出的最大功率[6-8]，也就是说，节能即为节火用。火用分析是基于质量守恒定律、能量守恒定律与热力学第二定律，分析、设计并优化热力系统的技术[9]。火用分析是应用广泛的热力系统评价方法。文献[10]对太阳能、地源和空气源等不同热源热泵系统进行了火用评价，并对热泵系统的火用评价方法做了进一步的发展;文献[11]也对2种不同的家用热泵系统进行了火用的评价分析与比较。

本文在介绍空气源、污水源和能量回收三热源热水系统原理的基础上，采用火用分析的方法将该热水系统与空气源热泵热水系统、水源热泵热水系统进行综合分析比较。

1 系统描述和工作状态假定

1.1 三热源热泵热水系统原理

空气源热泵热水系统和水源热泵热水系统(以地下水源热泵热水系统作为研究对象)比较常见，本文不做详细介绍。三热源热泵热水系统是通过夜间谷电空气源热泵运行、午后洗浴废热能量回收与峰电污水源热泵运行的工作模式，最终实现能级匹配、能量回收和削峰填谷的热力系统。

三热源热泵热水系统的原理，如图1所示。

热水系统主要通过3个环路从热源获得热量:空气源热泵循环;水-水能量回收系统;污水源热泵循环。制热循环通过四通换向阀实现从一个热源热泵系统到另一个热源热泵系统的转换。制冷剂(通常是R-134a)在闭环铜管中循环。

洗浴后的废热水经过过滤和洗浴新水逆向同步进入水-水能量回收单元，对洗浴废水进行能量回收。从能量回收单元出来的预加热的洗浴新水和降温后的洗浴废热水逆向同步进入污水源热泵热水机组。污水源热泵热水机组峰电运行，二次利用洗浴废热水中的能量，将预加热的洗浴新水最终加热到用户需要的洗浴热水温度状态。

热泵系统按照蒸汽压缩热泵循环，冷凝器中使用水从制冷剂中吸收热量。水-水能量回收单元，将有传热温差的高温热水和低温冷水逆向流过间壁式换热器(如板式换热器)。低温冷水从高温热水中吸收能量，实现能量提升。

1.2 工作状态的假定

依据国家相关标准和系统的实际运行工况，对空气源热泵热水系统、地下水源热泵热水系统和三热源热水系统的火用分析评价进行了条件假设，具体数据见表1所列[12-14]。

图1 三热源热泵热水系统原理

表1 各热水系统工况假定℃

表1中，t ai(t w i)为热源侧空气(水)进口温度;twi为热源侧水进口温度;te为蒸发温度;tk为冷凝温度;SH为过热度;SC为过冷度;ηi为压缩机等熵效率。

考虑系统全年运行，假定空气源热泵热水系统工作环境温度分别取35、20、7、-6℃4种情况。以南京地区的年气象参数为依据，假定每种情况全年运行的时间比例为2.0∶7.5∶2.0∶0.5，这也是以下计算空气源热泵热水系统全年平均火用效率的计算权重。

2 热水系统的热力循环计算和火用分析

空气源热泵热水系统、地下水源热泵热水系统和污水源热泵热水系统的压力-比焓图，如图2所示。图2中，1-2-3-4-1、1′-2′-3′-4′-1′、1″-2″-3″-4″-1″和1″′-2″′-3″′-4″′-1″′表示空气源热泵热水系统的制热循环;

A-B-C-D-A表示地下水源热泵热水系统的制热循环;

A′-B′-C′-D′-A′表示污水源热泵热水系统的制热循环;

1(1′，1″，1″′，A，A′)为吸气状态点;

2(2′，2″，2″′，B，B′)为排气状态点;

2S为等熵压缩排气状态点;

3(3′，3″，3″′，C，C′)为冷凝器出口状态点;

4(4′，4″，4″′，D，D′)为蒸发器进口状态点;

hn表示n状态点(n=1，2，3，4)的比焓值;

Sn表示n状态点(n=1，2，3，4)的熵值。

图2 压力-比焓图

空气源热泵热水系统、地下水源热泵热水系统和污水源热泵热水系统的运行与火用分析计算结果，见表2所列。表2中，t0为使用侧环境温度;t为热源侧环境温度;t k为冷凝温度;t*为蒸发温度;系统火用效率是指总收益火用与消耗火用的比值。

表2 三热源热泵热水系统的运行与火用分析计算结果kJ/kg

3 结果与分析

根据火用分析计算结果，分别绘制出3种热水系统方案的火用流程，如图3所示。图3中阴影部分为火用的流动情况，空白部分表示各设备的火用损失情况。以压缩机功耗100%为基准，火用的流动和损失按比例用线框表示。火用流程图可以定量地表示3种不同的热水系统中火用的流动情况和各个系统设备的火用损失情况。

计算表明，环境温度为35、20、7、-6℃时，空气源热泵热水系统的火用效率分别为19.72%、14.20%、11.01%和9.44%，计算年平均火用效率时取4个工作环境温度，火用效率的加权平均为13.82%，最高可达17.92%。地下水源热泵热水系统的年平均火用效率可达15.36%。污水源热泵热水系统的工作状态最好，火用效率最高，其全年平均火用效率为23.97%。三热源热水系统的年平均火用效率在13.82%～23.97%之间，其值主要由空气源热泵热水系统和污水源热泵热水系统的运行时间比例决定，随着污水源热泵热水系统运行时间的增加而增加。

从系统造价的角度考虑，按照每天提供约120 t、50℃的洗浴热水来计算，三热源热水系统方案，空气源热泵热水机组230 kW、20.4万元，水源热泵热水机组200 kW、21.6万元，能量回收系统240 kW、24万元，保温水箱等其它设备费用28万元，各项费用总计94万元。

单一空气源热泵热水系统方案，空气源热泵热水机组700 kW、62万元，保温水箱等其它设备费用28万元，各项费用总计90万元。单一水源热泵热水系统方案，水源热泵热水机组700 kW、75.6万元，保温水箱等其它设备费用28万元，各项费用总计103.6万元。从中可以看出，三热源热水系统方案造价比较适中、合理。

从我国峰谷电价的能源政策角度分析，按峰电费用0.53元/kWh、谷电费用0.24元/kWh计算，三热源热水系统谷电运行8 h、峰电运行2 h，日用电费用约为180元;单一空气源热泵热水系统峰电运行10 h，日用电费用约为1 000元;单一水源热泵热水系统峰电运行10 h，日用电费用约为825元。从中可以看出，三热源热水系统用电费用最低，为单一空气源热泵热水机组用电费用的18%，为单一水源热泵热水机组用电费用的21.8%[15]。

图3 火用流程图

4 结 论

(1)空气源、污水源和能量回收三热源热水系统，是一种夜间谷电空气源热泵运行、日间洗浴废热能量回收、峰电污水源热泵运行，充分考虑能级匹配、能量回收和削峰填谷的热水系统。

(2)由于增设了能量回收单元，加上污水源热泵热水系统的日间运行，三热源热泵热水系统比单一空气源热泵热水系统的工作条件更好，火用效率更高。因此，三热源热泵热水系统更为节能。而且，三热源热泵热水系统由于能量回收单元和污水源热泵热水系统等设备的存在而增加的初期投资，可以通过运行成本的降低很快得到补偿[16]。

(3)由于增设了能量回收单元，加上污水源热泵热水系统的日间运行，三热源热泵热水系统比单一污水源热泵热水系统的工作条件更好，火用效率更高。三热源热泵热水系统中，能量回收单元充分利用废热提升了洗浴新水的温度，污水源热泵热水系统也进一步回收利用废水余热，最终形成用户需要的洗浴新水。

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