余热回收制卫生热水

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1、地源热泵热水系统研究目前，我国建筑卫生热水生产方式主要有以下几种：电/燃气/燃煤热水锅炉， 小型电/燃气热水器，太阳能热水系统，中央空调部分余热生产卫生热水，热泵 热水系统等。由卫生热水能耗现状可知，当前卫生热水生产还处于一个高能耗状 态，用能极不合理。因此，卫生热水供应的热源形式迫切需要改变，采用更加节 能环保的新技术取代传统高能耗的化石能源和电能生产卫生热水生产方式。热泵 制取卫生热水技术,是一项通过耗费较少的电能，获取较多的蕴藏于大气或水土壤 中的免费的、低品位能源得以利用的技术。目前，人们公认热泵技术具有显著的 节能环保特性，在制备低温卫生热水方面具有很强的竞争力。热泵热水系统应该 成

2、为未来商业和民用建筑中卫生热水供应热源的主要形式。以热泵热水系统替代 传统的锅炉热水加热系统是低碳化时代的一种必然选择。目前建筑废热回收的途径大致可以分为：通过热交换器的方式回收空调冷却 水或其他较高温度废水的废热加热或预热卫生热水，或者回收排气废热/冷预处理 新风；将排气或排水废热作为热泵热源加热卫生热水或处理新风，考虑废热排放 与热能利用在时间上的不同步和空间上的不一致，可能要设置蓄热环节，另外考 虑卫生热水的温度要求，可能还要设置再热环节。对于加热卫生热水可利用废热，夏季来源最丰富的热源是制冷机的冷凝热； 在冬季，主要是生活污水废热和锅炉房、变电室、洗衣房排水、排气废热。对于 宾馆、商场

3、等商业建筑，冷凝热排放量可数倍于卫生热水能耗量，卫生热水一般 要求4060C，般低压制冷剂的水冷冷凝器的出水温度约为3537C，若要得 到4060C的卫生热水温度，还需设法升温。利用热泵技术回收废热加热卫生热 水，一方面消除了对环境的热污染，省去或部分省去加热卫生热水的锅炉设备； 另一方面，可以降低制冷机组循环冷却水的进水温度，进而降低压缩机的冷凝温 度，提高压缩机的工作效率。1土壤源热泵独立卫生热水机组在需要供应大量卫生热水场所，单独用土壤源热泵制取卫生热水在原理上是 不可行的，因为土壤源热泵长时间从土壤中抽取热量，而土壤的自然温度恢复赶 不上其向土壤吸热量引起的温降，破坏土壤热平衡，土壤热

4、泵卫生热水系统的能 效比将会逐渐减小，最后当土壤温度达到一个极限值时，土壤源热泵将不再节能。 所以通常将土壤源热泵热水系统与土壤源热泵供热制冷复合起来使用，就需要再 加一套土壤源热泵空调系统便于调节土壤热平衡。 1 11, 4冷凝器;2,3-蒸发器;&板式换热器，6-热水箱；7-空调末端;8-水泵;9-地埋管换热器;10-2个系统阀门转换开关；11-土壤源热泵冬夏季转换阀门。图2.1 土壤源热泵独立卫生热水系统示意图如图2.1所示，两套相对独立的土壤源热泵系统，一个作为卫生热水供应系 统，另一个作为热泵空调系统。两个系统能很好的实现卫生热水和空调功能。地 埋管换热器流出来的水分别经过热水系统和

5、空调系统热泵的蒸发器中，通过水路 阀门的切换可实现热泵热水系统与热泵空调系统串并联或者是独立运行。由于两 套热泵系统相对独立，热泵热水系统可以充入高温制冷剂，热泵空调系统则充入 中温制冷剂，这样两台热泵系统可以工作与不同的温度区间，各自可发挥最大的 能效。同时在夏季，地埋管换热器的出水先经过热泵热水系统的蒸发器，释放热 量后再经过热泵空调系统的冷凝器，这样热泵系统在制取卫生热水的同时还降低 了热泵空调系统的冷凝温度，从而进一步提高了热泵空调系统的能效比，整体系 统的性能系数也达到最高。但由于采用了两套相互独立的热泵系统，会增加了整 套系统的初投资成本。2土壤源热泵热回收式热水机组热回收式土壤源

6、热泵热水系统按照热回收量的多少可分为全部热回收和部 分热回收系统。在lgP-h图中可以清晰的表达出部分热回收与全部热回收土壤 源热泵的区别，如图2.2。点2-5为土壤源热泵全部冷凝过程，2-3点是制冷剂的 过热段显热放热过程，3-4点是制冷剂的潜热放热过程，4-5点是制冷剂的过冷 段显热放热过程。IgPh图2.2热冋收热泵机1LlgP-h原理图部分热回收指利用制冷剂的冷凝热加热卫生用水，水温高于冷凝温度，见图 2.2中2-3过程，他只回收土壤源热泵机组冷凝器排放的部分热量，经过过热蒸 汽冷却器后，制冷剂的仍是气相或气液混合物，为保证制冷剂完全冷凝或过冷， 还需进一步经过地埋管换热器进行冷却，其

7、优点是所回收的热水温度相对较高， 理论上可以接近排气温度，通常可以达到60C或更高，远高于满足卫生热水所 需的温度，但热回收量小,其热回收量在50 C热水时的25 %到60 C热水时的15 % 之间，实际往往更小于此值，综合能效比低15。全部热回收回收的是整个冷凝 过程的冷凝热，包括显热和潜热，即图中2-5过程，其热回收量在62%100% 之间。其基本回收了压缩机排放的全部废热，制取的卫生热水温度比部分热回收 热泵系统的要低。要达到较高的卫生热水供水温度要求，需要提高压缩机出口的 排气温度，这会牺牲一部分土壤源热泵的供热制冷性能，但总体综合能效比通常 会升高。在住宅、宾馆等一年四季需要大量卫生

8、热水的场所，通常采用的是全热 回收式土壤源热泵系统作为卫生热水热源，图2.3是全热回收系统卫生热水供应 原理图。1-蒸发:器;2冷凝器;3-全热回收器;牛未端空调用户,5板式换热器;6-热水箱;7冰泵;碁土壤源热泵冬夏季转换阀门；头地埋管换热器；图2.3全热回收土壤源热泵卫生热水系统原理图本文中分析的地源热泵卫生热水系统采用的是全热回收土壤源热泵系统，因 为土壤源热泵全热回收系统热回收的热水量大，能满足住宅日常卫生热水用水要 求，且可以全年大量的供应卫生热水，投入的成本比独立土壤源热泵卫生热水系 统要低得多。其缺点是水温要达到卫生热水供水温度要求时，会牺牲部分土壤源 热泵制冷、供热性能。3太阳

9、能热泵热水系统太阳能热泵空调热水器功能实现的方法是在系统中设置2个冷凝器：一个为 普通的空冷冷凝器来实现普通的热泵空调器的制冷、制热的功能；另一个为加入 的水冷冷凝器，在需要热水的场合将制冷剂切换到水冷冷凝器中冷凝。实现同时 制冷与制热水和单独作为热泵热水器的目的，同时将热泵空调热水器与太阳能热 水器结合，可以合理利用太阳能和热泵的优势生产热水，装置原理如图1所示。1压编机i 2-四通阀；3室内翅片管换热器；4一室外翅片管换热器；5套管冷擬器；6,7节流毛细管；8 12电磁阀s 13草向阀;14一太阳能集热器$ 1 水泵；16水箱本文研究的太阳能热泵空调热水器水冷侧采用的是套管换热器（不同于一

10、些 热泵热水器采用的沉浸式换热器），纯逆流换热，换热系数较大，而且系统内的 压缩机、换热器都是根据空调要求设计的，冷凝量大，所以通过适当调整流经套 管换热器的水流量，就可以实现由自来水进水直接升温至4055C。热水出水的 目的（冬天可以在管路中增加一个小功率电辅助加热装置，以提高水温）。这样相 对于其他形式的空调热泵热水器而言，系统工作工况稳定，生产成本低，而且布 置形式更加灵活。三冷凝热回收与热泵相结合待解决的问题1、冷凝热回收装置及热泵热水装置是否能在不同工况下稳定工作，有待进 行大量理论研究及试验加以验证。2、虽然二者的基础设备相同，但要将二者综合于一套系统中,就需要合理考 虑系统控制转换及设备的合理配置等问题。若这些问题未能很好地解决,会出现 设备过于复杂、控制繁琐等问题。3、系统的正常运行还依赖于有关参数的正确选择，如卫生热水的温度、储水 箱容积、换热器换热能力等。例如，当水温要求较高时，不但制备热水的时间较长, 而且随着热水温度的升高整个空调系统的能效比将会下降。特别对于冬季，水温 要求较高,会导致压缩机排气压力增大，从而要求空调机组中各部件性能相应提 高。很多场合对卫生热水的温度有一定的要求，特别是宾馆、酒店等建筑对卫生 热水温度的要求更为严格，这就要求设计者选择合理的参数进行设计。