小型浴室高效热泵热水器的热力循环关键节能技术研究

乔 璐

中北大学朔州校区

小型浴室高效热泵热水器的热力循环关键节能技术研究

乔 璐

中北大学朔州校区

随着人们的生活水平日益提高，各式各样的浴室热水器进入了家庭。热泵热水器可以极大地避免“三废”热量的浪费。利用热泵原理，通过逆卡诺循环，借助于空气源、污水源热泵，压缩机消耗少量的电能，把热空气、热污水中的低位热能提取出来，加热洗浴用热水，从而利用了热空气、废热水中的“废热”，达到节能环保的目的。热泵所依据的是热力学第一定律，能量在不同介质中转移，但总量是守恒的。

热泵；暖通；小型热水器；热力循环；节能技术；暖通

1 引言

家庭浴室热泵热水器的提出，具有很重要的意义。其一，热泵热水器可以利用热空气、废热水中的余热，与其他类型的热水器相比更加节能，面对能源日益匮乏的现状，热泵热水器具有很大优势，我国人口众多，而且我国能源利用率比国外较低，如果热泵热水器能够推广开来，能节约大量能源，在一定程度上缓解能源压力；其二，热泵热水器使用较少的电能，很少使用甚至不适用化石能源，因此不会产生太多的污染，对环境更友好，符合我国节能减排的政策。

2 热泵热水器的原理

热泵热水器利用热泵技术，主要组成部分有压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器和水箱以及其他辅助设备（温度控制仪等）。工作原理如下：

(1)低温低压的工质，经过膨胀阀节流后降压，之后进入蒸发器，在蒸发器中与热空气、废热水等进行换热，热空气、废热水中的部分热量进入工质，低温工质吸热由液态变为气态，温度上升；

(2)从蒸发器出来的气态工质进入压缩机，压缩机消耗一定的电能压缩工质，工质温度上升，压力提高，此时工质中增加的热量一共包括两部分，一部分是工质从热空气、废热水中吸收的热量，另一部分是压缩机消耗的电能压缩制冷剂过程中转变的热量；

(3)从压缩机出来的制冷剂为气态，温度、压力比较高，进入冷凝器，同时生活用水也进入冷凝器，二者进行逆向换热，工质放热温度降低，压力下降，水的温度上升；

(4)热水从冷凝器中出来后，进入保温水箱保温以备使用，温度降低后的工质进入膨胀阀，重复循环过程。

在循环过程中，废热水和热空气的温度比从冷凝器中出来的热水温度低，按照常识这似乎不能实现，但压缩机消耗了电能，是热量从温度较低的废热水和热空气进入热水，并不违背热力学第二定律[1]。释放的热量包括废热水和热空气中的热量以及压缩机消耗的电能转化的热量，吸收的热量是水从冷凝器中吸收的热量，在理想条件下，释放的热量和吸收的热量是相等的，这也符合热力学第一定律。因此，在理论上热泵热水器是可行的。

3 小型浴室热泵热水器的优化设计

我们当初构想的高效节能的家庭浴室热泵热水器仅仅考虑了热泵热水器这一部分，但出于实际考虑，这样的安排尚需完善，我们还需要有更多的考虑。在我们的构想中，为热水提供的能量分为两部分，其中废热水和热空气中的能量是主要的热量，而压缩机中消耗的电能较少。但是我们还可以做这样的考虑，将热泵热水器与太阳能热水器结合起来，同是利用太阳能来加热洗浴用水，这样不但会弥补热泵热水器可能出现的供热水不足的缺陷，而且能够进一步减少电能的消耗。其流程大致为：低温的水经过太阳能热水器加热后在水箱中保温，在人使用后，废热水在经过热泵系统，回收其中的余热来加热补充到太阳能热水器中的水或用来使用的生活用水。

如果用户应经安装了太阳能热水器、煤气热水器、电热水器等，我们都可以进行改装，在这些热水器的基础上加装热泵热水器，将他们与热泵热水器组合起来，都可以减少能源的消耗。当然，这样做会增加设备的初始投资，但是从长远考虑是合理的。

4 热泵热水器的热力循环研究

4.1 热泵热水器的设计思路与原则

人们在日常洗浴过程中，会产生大量的废热水和废热空气（其中包含少量水蒸气），我们所设计的家庭浴室热泵热水器就是要把这两部分中的热量充分利用起来。利用热泵原理，用两个蒸发器把废热水和废热空气中的余热提取出来，然后在冷凝器中把热量放给供水，加热供水用来洗浴。

通过热泵系统，利用了洗浴后废水废气中的余热，整个过程中消耗少量的电能，体现了家庭浴室热泵热水器的节能环保的优势，这既是市场对热水器发展提出的要求，也是我们所追求的。

4.2 工作过程中制冷剂的循环过程

上图分别是制冷剂R134a在热力循环过程中的T-s图和p-h图。具体过程如下：

5→6为制冷剂在蒸发器（空气换热部分）中定温定压的吸热过程，制冷剂吸收废热空气中热量；

6→1为制冷剂在蒸发器（污水换热部分）中定温定压的吸热过程，制冷剂吸收废热水中热量；

1→2为制冷剂在压缩机中绝热压缩过程，制冷剂的压力和温度均提高；

2→4为制冷剂在冷凝器中的放热过程，其中2→3为制冷剂过热气体的定压降温放热过程，制冷剂由过热气体状态变为饱和气体状态；

3→4为制冷剂饱和气体定温定压放热过程，制冷剂由饱和气体状态变为饱和液体状态；

4→5为制冷剂等焓节流过程。

5 结束语

因此，小型热泵热水器前景广阔，研究开发小型热泵热水器具有积极意义。相信在不久的将来，小型热泵热水器会进入千家万户，它也将为我国节能环保做出巨大贡献。

[1]曲云霞,杨勇,李爱景,刘文波,王伟华.污水源热泵供热的工程应用及分析[J].可再生能源,2007(2):103～105.

[2]铁燕.新型空气源热泵辅助供热太阳能热水系统热力性能及运行特性研究[D].昆明理工大学，2010．

10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.12.032

乔璐（1996-），女，学士，研究方向：环境工程。