空气源／污水源复合热泵系统设计与应用

胡鹏王铁军李继萍徐维夏兴祥

（1合肥工业大学 合肥 230009；2安徽康特姆新能源工程有限公司 合肥 230009）

空气源／污水源复合热泵系统设计与应用

胡鹏1王铁军1李继萍2徐维1夏兴祥1

（1合肥工业大学 合肥 230009；2安徽康特姆新能源工程有限公司 合肥 230009）

基于公共浴室热水生产设备节能减排改造的需要，本文设计了可回收洗浴废水余热的空气源／污水源复合热泵热水系统，在合肥工业大学屯溪路校区建立了应用示范工程，进行了运行测试和应用研究工作。结果显示：在8℃ ±1.2℃的环境温度、50℃供水设定温度的运行条件下，通过预热器和污水源热泵机组进行余热回收，洗浴废水温度从30.6℃降低至15.5℃，热回收的能量约占热水生产总能量的1／3；在10℃ ±1℃的环境温度、45℃供水设定温度的条件下，复合热泵系统的能效比为3.45，与单独运行空气源热泵的2.96相比，能效提高16%；与传统的燃气锅炉设备、电热水器对比分析，复合热泵系统可分别节约运行费用53.3%、72.4%，节能、环保和降费的优势明显。

空气源热泵；污水源热泵；设计；现场实测；余热利用

据统计，高校学生的平均能耗、水耗分别是全国居民人均的4倍和2倍［1］，节能减排是节约型校园和绿色大学建设的重点，并具有良好的教育、示范和引领作用［2］。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，节能减排改造成为必然［3］。在这样的背景下，热泵热水系统以消耗少量驱动能为代价，从环境中摄取数倍的热能生产热水，高效、环保、安全和经济的优势明显［4－6］。 杨磊等［7］设计了一种复合热源太阳能热泵热水系统，进行了不同工作模式的性能模拟研究；张月红等［8］在南京市进行了复合热源热泵系统的实验研究，太阳充裕和阴天的平均能效比分别为4.83和3.97；陈剑波等［9］、郭超等［10］进行的理论和实践研究进一步验证了太阳能、空气源复合热泵热水系统的高能效；韩丰云等［11］进行的污水源热泵、空气源热泵系统的经济技术分析表明，采用污水源热泵可以降低投资、减少运行费用；沈朝等［12］对公共浴室洗浴废水的温度和水量进行测试分析，认为利用热泵系统回收余热的潜力较大；安青松等［13］分析了洗浴废水的水质，提出了带过滤器的直接式循环热泵方案；胡敏东等［14］介绍了一种新型的回收废水余热的热泵热水器，实验得到了热泵系统在设定工况下的平均能效比及污水参数与制冷量的关系。本文在研发“集中浴室用空气源与污水源复合热泵热水系统及控制方法”［15］的基础上，结合合肥工业大学屯溪路校区浴室热水系统节能减排改造项目，建立了空气源／污水源复合热泵热水系统应用示范工程，并进行了相关的应用研究和系统优化工作。

1 复合热泵热水系统设计与工作原理

空气源／污水源复合热泵热水系统如图1所示。其总能量计算依据最冷月平均气温、日均洗浴人次和运营时间等，设计额定热水供应量100 m3／日，选取4台QH-220EC-20空气源热泵机组构成热水系统的主机，辅以1台60匹污水源热泵机组，设定室外温度小于24℃运行污水源热泵进行洗浴污水的余热回收。其它组成包括预热换热器、热水箱、循环加热水箱、各类循环泵、污水收集及其清洗过滤装置等。

图1 空气源／污水源复合热泵系统Fig.1 Air source／sewage source heat pump system

1.1 补水操作

设定循环加热水箱液位波动区间为H1±ΔH1，下限时开始补水，上限时停止补水，并按如下规则选择补水通道和方式。

若ΔT≤Ts，自来水通过阀A直接进入循环加热水箱；若ΔT＞Ts且污水泵运行时，自来水通过阀B、预热通道9后，进入循环加热水箱。其中：ΔT＝T2－T6，T2为洗浴废水温度，T6为自来水温度，Ts为设定温差。

1.2 循环加热及其能量控制

以热水箱液位为输入信号，设定热水箱液位波动区间为H2±ΔH2，V为液位变化速度，T为设定储水温度。采用循环加热工作方式生产热水，并按模糊控制规则调节热泵热水系统的输出总能量。

将热水箱的液位划分为高、较高、中、较低和低5个液位等级。同理，将其液位变化速度V划分为正大、正中、零、负中和负大5个等级；将复合热泵热水系统的输出总能量按照大、中和零划分为3个等级；根据实时检测的液位H和液位变化速度V，控制复合热泵热水系统进行加载或减载。设定复合热泵热水系统的加载顺序为：优先加载污水源热泵机组，随后逐个加载空气源热泵机组；减载顺序为：首先逐个卸载空气源热泵机组，最后卸载污水源热泵机组。

1.3 污水回路自动清洗操作

设定污水泵最大累计工作时间，并设最大运行功率作为参考信号。清洗操作时，截止阀E开启，截止阀C、D关闭，污水泵启动，污水流经清洗加药箱后对预热器、污水源热泵机组的蒸发通道进行清洗，之后排入城市污水管网。

复合热泵热水系统可根据环境温度、自来水温度、水箱水位等运行状态参数，自动控制补水、循环加热及其能量调节、清洗操作等，实现热泵热水系统的节能和稳定运行。

2 测试与分析

空气源／污水源复合热泵系统于2013年2月投入运行，其后进行了一系列的运行数据测试、分析和系统优化工作，取2015-12-03—2015-12-20期间的测试数据进行分析。

采用安捷伦数据采集仪自动存储温度数据，采集频率设为0.5 min。温度标识及其测量位置如下：热水水温T1的测点位于热水箱出水口，洗浴废水温度T2的测点位于污水池进水口，预热后废水温度T3的测点位于预热换热器污水通道出口，废水排水温度T4的测点位于废水排水口，循环加热水箱水温T5的测点位于循环水箱出水口，环境温度T0的测点位于通风处。

2.1 数据处理

1）复合热泵热水系统的制热量

式中：Q0为复合热泵热水系统的制热量，kJ；T6为自来水温度，℃；ρ为热水密度，kg／m3；c为热水的定压比热，kJ／（kg·K）；G0为热水供水量，m3。

2）洗浴废水的余热回收量

式中：Q1为洗浴废水的余热回收量，kJ；μ为废水收集系数，取0.9［16］；G1为洗浴时混入的冷水流量，m3。

3）复合热泵热水系统的性能系数

式中：P为热水系统的总耗电量，kW·h，包括热泵机组、循环水泵、供水泵、污水泵等能耗。

2.2 测试结果与分析

图2所示为浴室工作某日11：00～23：00复合热泵系统的运行状况。该时段室外平均温度为8.1℃，波动幅度2.3℃；自来水温度基本稳定，平均值为10.2℃，热水供水温度设定为50℃；洗浴废水的平均温度为30.6℃，热回收过程中预热换热器出口、污水源热泵机组出口的废水平均温度分别为25.8℃、15.5℃，总温降为15.1℃。结合复合热泵系统当天的热水供水量G0和洗浴水总流量G2，其中G2＝G0＋G1，由式（1）和式（2）计算得到余热回收的能量约占热水加热总能量的 1／3，复合热泵系统节能效果明显。

图2 复合热泵热水系统运行状况Fig.2 Operating conditions of compound heat pump

取测量期间循环加热水箱和热水箱中具有代表性的温度点绘制如图3所示。

图3 水箱温度动态变化Fig.3 The water tank temperature varied with time

由图3可知，热水温度基本稳定在50℃ ±1℃范围内，表明复合热泵系统能够响应内、外部扰动，稳定、可靠地工作。循环加热水箱内的温度分层，由下至上，温度逐渐提高，补水口设在水箱的下部，T5呈周期性变化，波动范围为30～45.9℃。热泵热水系统在浴室开放的12 h中，共运行了10个近似的等幅振荡周期，期间共生产热水120 m3。

图4所示为2015年12月7日单独运行空气源热泵、8日运行空气源／污水源复合热泵制取45℃热水的测试数据。图中T7和T8分别为两日的室外温度曲线。计算平均温度分别为10.83℃、10.71℃，自来水平均温度分别为11.83℃、11.78℃。测量热泵系统的耗电量P、热水供应量G0，由式（1）、（3）计算热泵系统运行能效的变化。

图4 空气源热泵与复合热泵运行能效对照图Fig.4 Comparison of energy efficiency of air source heat pump and compound heat pump

由图4可知，12月7日，空气源热泵系统能效变化较为平缓，COP在2.96左右。12月8日，复合热泵系统运行初期能效较低，其原因在于洗浴废水流量不足，污水源热泵没有运行；随着污水源热泵投入运行，COP平稳上升，之后稳定在3.45左右；在20∶45～22∶00洗浴人次高峰时段，热泵系统的COP提高到3.6，其原因是洗浴废水温度高、流量大，污水源热泵满负荷运行。相对于空气源热泵独立运行，能效约提高16%。

3 热泵系统与常规系统的比较

根据本项目热泵热水系统的测试数据，对采用空气源／污水源复合热泵热水系统、电热水器、燃气锅炉、燃煤锅炉等4种加热方式进行经济性比较。为方便比较，现设定如下条件：环境温度为10℃，将1 000 kg自来水从10℃加热到45℃。计算比较结果如表1所示。

表1中计算的能源价格分别：电0.65元／（kW· h）、煤750元／t、天然气3.60元／m3，燃煤锅炉效率η＝0.8，燃气锅炉的效率取η＝0.9，电热水器的效率η＝0.95。由表2可知，燃煤锅炉生产热水的费用最低，但由于高能耗、高污染等问题，国家已经禁止在城市内使用。空气源／污水源复合热泵节能、环保、安全，相对于燃气锅炉节约费用53.3%，相对于电热水器节约费用72.4%。

表1 几种典型热水生产方式的性能对比Tab.1 Economic analysis of different water heater

4 结论

研发空气源／污水源复合热泵热水系统，建立了空气源／污水源复合热泵热水示范工程，进行了复合热泵热水系统运行状况的测试研究，得出如下结论：

1）在环境温度为10℃条件下，复合热泵系统相对于空气源热泵、燃气热水器、电热水器分别节约费用16%、53.3%、72.4%，测试期间系统运行平稳，热水水温稳定，在洗浴高峰期出水温度依然能达到设定温度。

2）室外平均温度为8.1℃，对污水池内污水温度、预热换热器污水通道出口温度、污水排水口温度测试结果显示，各温度相对稳定，分别为30.6℃、25.8℃、15.5℃，污水总温降约15.1℃，回收热量约占加热总能量的1／3，污水余热回收效果明显。

3）循环水箱内水温近似等幅振荡，波动范围为30～45.9℃，系统在12 h内共完成10个加热周期，制得50℃热水120 m3；同一个加热周期内水温上升速度变缓、耗电量上升速度变快。

4）分别对空气源热泵、空气源／污水源复合热泵系统在10℃ ±1℃的条件下，将自来水加热到45℃进行实验研究，空气源热泵平均能效为2.96，复合热泵系统平均能效为3.45，复合热泵系统相对于普通的空气源热泵更高效、节能。

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Design and Application of Air／Sewage Source Heat Pump System

Hu Peng1Wang Tiejun1Li Jiping2Xu Wei1Xia Xingxiang1
（1.Hefei University of Technology，Hefei，230009，China；2.Anhui Quantum New Energy Co.，Ltd.，Hefei，230009，China）

In order to achieve energy conservation and emissions reductions，an air source／sewage source heat pump hot water system was designed.Field tests were conducted in a demonstration project on Tunxi Road at Hefei University of Technology.The results show that at an ambient temperature of 8℃ ±1.2℃ and a water supply temperature of 50℃ condition，the wastewater temperature is decreased from 30.6℃ to 15.5℃ through preheater and waste heat recovery.Heat recovery energy accounts for about 1／3 of the total energy for hot water heating.At an ambient temperature of 10℃ ±1℃ and a water supply temperature of 45℃ condition，the energy efficiency of the composite heat pump system was 3.45.Compared with a separate air source heat pump，the energy efficiency is increased by 18%.Compared with a gas water heater and an electric water heater，the composite heat pump system can reduce operating costs by 53.3%and 72.4%，respectively.The results show obvious advantages of composite heat pump system on energy saving，environmental protection，and cost reduction.

air source heat pump；sewage source heat pump；design；field test；waste heat recovery

TK115；TQ051.5；X703

：A

：0253－4339（2017）03－0019－05

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.019

王铁军，男，教授，合肥工业大学制冷与空调技术研究所所长，13905510159，E-mail：wtj555＠sina.com。研究方向：制冷空调系统节能与能源综合利用。

2016年8月30日

About the corresponding author

Wang Tiejun，male，professor，the Head of Refrigeration and Air Conditioning Institute，Hefei University of Technology， ＋86 13905510159，E-mail：wtj555＠sina.com.Research fields：conservation and utilization of energy in refrigeration and air conditioning system.