基于分析的高校公共浴室热泵式余热回收热水供应系统

刘 鹏，杨恩泽（中国核电工程有限公司河北分公司，河北石家庄 050000）

刘 鹏，杨恩泽
（中国核电工程有限公司河北分公司，河北石家庄 050000）

从火用的角度对高校公共浴室传统热水供应系统与热泵式余热回收系统进行了分析，得出了2种系统的火用损、支付火用及火用效率。结果显示：增加热泵机组并不会增加系统火用损，热泵式机组比传统系统火用损减小约50%，热泵式机组火用损减小主要通过降低锅炉的容量来实现，高校公共浴室热泵式余热回收系统不仅节能，还能够降低有用功的耗损。

供热工程；浴室；余热；热泵；火用分析

高校公共浴室热水具有水量大、使用时间集中的特点，温度一般较高。使用后的热水温度经测定大概在33℃，甚至更高[1]，一般被直接排走，造成了能量的浪费。有学者提出用热泵技术将排水中的热量提取出来，经过间接换热来提高自来水温度，然后再利用低温热水锅炉或电锅炉将热水温度提升到洗浴所需温度[2]。相关文献指出，利用热泵技术回收排水中的能量，具有良好的节能效果[3－6]。以往的相关文献主要是从节能的角度分析这一系统的优越性，还没有文献从火用的角度对传统热水供应和热泵式热水供应系统进行全面、具体的比较[7]。本文着重研究这一问题。

1　传统公共浴室热水供应系统火用分析

传统浴室热水供应系统如图1所示。低温热水锅炉提供温度为t1的热水，在换热器中经与温度为t3的自来水换热将其加热至t4后，以t2温度返回锅炉，而t4温度的热水供洗浴用，洗浴后的热水温度为t5，直接排到室外环境中。在本文中笔者以环境压力p0＝0.1MPa，环境温度t0＝10℃为火用值的计算基准（公式中使用对应的开氏温度T0，下同）。此系统换热过程由2部分组成：锅炉换热和换热器换热。与之相对应，系统的火用分析分为2部分：热水锅炉火用分析和换热器火用分析。

图1　传统浴室热水供应系统Fig.1 Traditional hot water supplying system in bathroom

1.1热水锅炉火用分析

当锅炉侧热水流量为1kg／s时，由锅炉的效率公式得到将单位流量热水由进口温度t2加热至目标温度t1时煤释放的能量：式中：Q为将单位质量热水加热至目标温度煤释放的能量，kJ；h1为锅炉出口热水焓值，kJ／kg；h2为锅炉进口热水焓值，kJ／kg；ηb为锅炉的效率，取80%。

将单位质量热水加热至目标温度所需的煤质量mf＝Q／q，q为煤的低位热值，q＝29.271MJ／kg。

图2为热水锅炉火用过程图。空气与燃料在大气温度t0下进入锅炉，排烟温度为te。为分析方便，认为燃料先在绝热条件下燃烧，将化学能全部转换为烟气的热能，使烟气达到绝热燃烧温度tad，然后再由此高温烟气对水加热，最后烟气排到大气中。介质在热水锅炉中火用平衡式为式中：Exa为锅炉进口空气火用值，kJ；Exf1为锅炉进口燃料火用值，kJ；Ex2为锅炉进口热水火用值，kJ；Exe为锅炉出口排烟火用值，kJ；Exf2为锅炉出口燃料火用值，忽略，认为是0kJ；Ex1为锅炉出口热水火用值，kJ。

图2　热水锅炉火用平衡示意图Fig.2 Sketch map of the exergy in hot water boiler

经分析，热水锅炉总体火用损失大体分为3个部分[8－12]：式中：πbt为热水锅炉总火用损，kJ／kg；πb1为热水锅炉绝热燃烧过程火用损，kJ／kg；πb2为热水锅炉烟气与热水之间传热过程火用损，kJ／kg；πb3为热水锅炉排烟过程火用损，kJ／kg。

1）绝热燃烧过程火用损计算式中：exf为单位质量标煤提供的化学火用，近似为标煤的低位热值，MJ／kg；exa为单位质量锅炉进口空气火用值，假设在T0下进入锅炉，故exa＝0；ma为锅炉进口空气流量，kg／s；ex，ad为绝热燃烧温度下烟气的焓火用，kJ／kg；me为锅炉排烟质量流量，kg／s。式中：cpa为烟气定压比热容，kJ／（kg·K）；Tad为绝热燃烧温度，K；sad为烟气绝热温度熵值，kJ／（kg· K）；ss0为烟气在t0温度下的熵值，kJ／（kg·K）。

锅炉内烟气压力可视为定值，故mecpa（Tad－，所以：

2）热水锅炉烟气与热水之间传热过程火用损

图3　烟气换热器Fig.3 Flue gas heat exchanger

3）锅炉排烟过程火用损

热水锅炉的收益火用为

1.2水－水换热器火用分析

热水锅炉的收益火用即为水－水换热器的支出火用。此处假设从热水锅炉来的热水流量为1kg／s，供应浴室水流量为Gkg／s。参照1.1项中烟气换热器火用分析，可得出此处水－水换热器的火用损为

水－水换热器收益火用为

式中：exw4为水温在t4的比火用，kJ／kg；exw3为水温在t3的熵值，kJ／kg；s4为水在温度t4下的熵值，kJ／（kg·K）；s3为水在温度t3下的熵值，kJ／（kg·K）。

1.3实例计算

以典型热水供应系统为算例计算热水供应各过程火用损，介质温度参数如表1所示。

表1　介质参数Tab.1 Parameters of the medium　　℃

为了方便与下文中的热泵系统进行比较，现确定2个系统共同的目标是将流量为1kg／s的自来水由t3加热至t4，在收益相同的情况下比较火用损。由换热器处能量守恒定律可知，当自来水流量为1kg／s，锅炉热水流量为1.3kg／s。传统热水供应系统的火用分析见表2。

表2　传统热水供应系统火用分析结果Tab.2 Exergy analysis results of traditional hot water supplying system

由表2可以看出，传统热水供应系统中火用主要损失在热水锅炉这一过程中，占总损失的90%以上，单纯由热水锅炉供应热水，有用功浪费严重。

2　热泵式公共浴室热水供应系统火用分析

热泵式公共浴室余热回收系统如图4所示，热泵先将温度为t7的自来水升温到t8，再用热水锅炉的热水在换热器中加热到t9，达到洗浴要求。低温热水锅炉热水供回水温度分别为t5和t6。下文将在此基础上对热泵式公共浴室余热回收系统进行火用分析。火用分析共分为3部分：热水锅炉火用分析、换热器火用分析和热泵火用分析。其中，热水锅炉火用分析和换热器火用分析方法在前文已经讲述，不再赘述，此处主要讨论热泵的火用分析。

图4　热泵式公共浴室余热回收系统Fig.4 Waste heat recovery heating pump system in bathroom

2.1热泵火用分析

图5所示为蒸汽压缩式热泵循环，工质为R134a，蒸发温度为t1，冷凝温度为t2，压缩机入口为饱和蒸汽，压缩机效率ηc＝0.8，将温度为t7的自来水加热到t8。

图5　蒸汽压缩式热泵循环Fig.5 Cycle of vapour compression heat pump

1）确定各状态点参数

状态点1，3可直接查表获得，点2，4的参数需要计算求得。

状态点1的饱和蒸汽经定熵压缩到压力p时的焓值h2s可由蒸汽表查得。按给定的压缩机效率值可算得点2的焓值[18]：再通过蒸汽表，利用插值计算求得t2，s2。状态点3和状态点4焓值相同：

t1下对应的R134a饱和液焓值和饱和汽焓值分别为h′，h″。所以湿蒸汽的干度x为而湿蒸汽的熵值s4为式中：s′为t1对应饱和液态R134a熵值，kJ／（kg· K）；s″为t1对应饱和汽态R134a熵值，kJ／（kg· K）。

2）计算制冷剂流量G

冷凝器的能量平衡方程如下：

式中：h7为水在温度t7状态下焓值，kJ／kg；h8为水温度t8状态下焓值，kJ／kg。

3）压缩机功率w[19]

4）压缩机火用损

5）冷凝器火用损[20]

6）节流阀火用损

7）蒸发器火用损

综上所述，热泵系统火用损为

热泵系统收益火用为

2.2实例计算

首先确定热泵循环中各状态点的参数。设蒸发温度为10℃，冷凝温度为40℃，压缩机入口为饱和蒸汽，压缩机效率ηc＝0.8，将14℃的自来水加热到30℃，经蒸发器后排水温度为15℃。状态点1，3的参数可直接查表获得，点2，4的参数由式（15）—式（18）计算求得。制冷剂各状态点参数见表3。

表3　制冷剂状态点参数Tab.3 Parameters of state points of the refrigerant

低温热水锅炉供回水温度和洗浴温度与传统热水供应系统相同。计算热泵式热水供应系统各工作过程的火用结果如表4所示。

表4　热泵式热水供应系统火用分析结果Tab.4 Exergy analysis results of the waste heat recovery heating pump system

由表4可以看出，热泵式热水供应系统火用损失主要发生在热水锅炉阶段，其次是热泵阶段，热泵火用损失与锅炉火用损失相比较少。

3　两种系统火用对比分析

根据上述分析，在制备相同流量、相同温度的热水时，两种系统的支出火用、损失火用和火用效率见表5。

表5　两种热水供应系统火用分析结果对比Tab.5 Comparison of exergy analysis for two method in hot water supplying

由表5可以看出，热泵式热水供应系统与传统的热水供应系统相比，其支出火用和损失火用都比后者减少了约50%；相应地，前者的火用效率比后者火用效率提高了1倍多。因此，与传统的热水供应系统相比，热泵式热水供应系统不仅是一种节能的热水制备系统，还是一种节约有用功的热水制备系统。

4　结 论

本文从火用的角度分析了公共浴室中传统的热水供应系统和热泵式热水供应系统火用损情况，得出结论如下：

1）在传统热水供应系统基础上，增加热泵机组并不会增加系统支出火用和损失火用。

2）热泵式热水供应系统比传统的热水供应系统大大减少了火用损，火用损约是传统系统的50%。

3）热泵式热水供应系统主要靠减小热水锅炉容量以降低火用损。

4）热泵式热水供应系统不仅节能，还能显著地降低火用损，应该积极地在公共浴室场所推广。

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Waste－heat－recycled heating pump system based on exergy analysis for public bathrooms in colleges and universities

LIU Peng，YANG Enze
（Hebei Branch of China Nuclear Power Engineering Company Limited，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

The traditional hot water supply system and the waste－heat－recycled heating pump system based on exergy analysis for public bathrooms in colleges and universities are analyzed from the viewpoint of exergy，and the exergy loss，the payment exergy and exergy efficiency are obtained.The results show that adding heating pump units will not increase the exergy loss，the exergy loss of heating pump system is half of the traditional system，and its exergy loss is mainly decreased by reducing the capacity of the boiler.The heating pump system in college public bathroom is not only energy－saving but also exergy－saving.

heating engineering；bathroom；waste heat；heat pump；exergy analysis

1008－1534（2016）01－0084－06

TU832.1＋3

A

10.7535／hbgykj.2016yx01016

2015－10－28；

2015－11－23；责任编辑：冯 民

刘 鹏（1982—），男，河北保定人，工程师，硕士，主要从事核电、核工程、民用工程等方面的研究、设计工作。

E－mail：liupeng2008hi＠163.com

刘 鹏，杨恩泽.基于火用分析的高校公共浴室热泵式余热回收热水供应系统[J].河北工业科技，2016，33（1）：84－89.

LIU Peng，YANG Enze.Waste－heat－recycled heating pump system based on exergy analysis for public bathrooms in colleges and universities[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（1）：84－89.