回收利用衛生間排氣熱的熱泵熱水器研究

魏晨希 馬國遠 劉帥領 許樹學

（北京工業大學 北京 100124）

0 引言

自從邁入二十一世紀以來，人們對生活舒適度開始有了更多的要求，這導致了對能源需求的大幅提升。目前商用建筑所用能源的消耗費用已經突破225 億元，家用建筑的能源消耗量更是日益增加[1]。國家推出的政策中提出，將提高能源利用率作為發展的第一目標，因此，如何在不降低日常需求的基礎之上對能源充分利用開始成為人們日益關注的首要核心[2]。許多節能環保的措施及理念開始不斷地出現，將這些理念融入各種工程之中成為了重中之重，其中，以各種熱回收為首的，將建筑內外或設備工作時產生的余熱回收進行再利用的理念已經開始大規模實施于工程之中[3]。

從目前的形勢來看，數據中心余熱利用已經成為了數據中心節能的重點突破項目。隨著新一代技術的快速發展，網絡信息技術已經進入了快速增長期，數據中心的耗電量占社會總用電量的2%[4]。由于數據中心余熱潛能巨大，將冷卻用低溫冷凍水作為水源熱泵的熱源十分可靠，并已經有了相對成熟的技術進展，可以提供數據中心園區及附近辦公區域的供暖熱負荷，相較于使用鍋爐供暖的方式有較為顯著的節能效益[5]。

而當前居民建筑因為住宅面積有限，保證室內的空氣流通效果已經成為了基礎目標，如何充分利用建筑內的空間使其更有效的與建筑融為一體是現在著重的問題所在[6,7]。實驗表明[8]，冷凝熱回收具有較高的回收率。將空調冷凝熱進行熱水加熱并將空調與熱水結合即形成了熱泵空調熱水系統，這種系統可滿足家庭用水與空調的兩種需求[9]。對于冷凝熱的回收，部分研究人員首先將熱泵熱水器與熱回收結合，并首先對熱水中的廢熱進行了回收[10]，回收后的熱水熱效率高達600%-900%；范秀頌[11]等人在淋浴后廢水余熱回收的基礎上加入了泵和風機并改進為二次換熱加熱，相較之前的研究提高了熱水出流溫度，整體提高了系統性能。也有研究人員[12]將淋浴后的廢水與蒸發器進行熱量交換，同樣取得了較為不錯的效果。

針對環境溫度對系統性能帶來的影響，已有研究人員提出利用房間內排氣熱回收的方式減少環境溫度的波動；陳[13]等人在廚房內設置了熱回收裝置，回收了廚房內的高溫煙氣以加熱生活用水，改裝后樣機COP 可達4-5，然而煙氣中含有的油污會導致蒸發器換熱面積下降，又因改裝成本過高而不適合推廣；孟得林[14]等在廚房的各個機器的散熱點進行余熱回收，再反饋給餐廳內的熱泵熱水器代替電能加熱熱水，這種系統適合在北方寒冷天氣下利用機器余熱代替低溫熱源，改善了北方只能用單一熱源進行加熱的不利條件，緩解了廚房內的高溫，整體機組效果良好。郭[15]等人將熱泵熱水器的蒸發器單獨移至浴室排風口吸入室內空氣，有效避免了霜層的產生并改善了系統的性能。以上研究證實了熱泵熱水器放置于室內吸收室內排風升溫熱水的可行性。

本文搭建了一個利用衛生間排氣能量提供生活熱水的熱泵熱水器實驗裝置，實驗研究了環境溫度及水溫對熱泵熱水器的制熱速率與性能的影響。第一部分，介紹了系統的工作原理。第二部分，對實驗裝置進行了設計計算。第三部分，對測試結果及產生的現象進行了詳細地闡述。第四部分，與傳統的熱水器進行了經濟性比較和分析。目前國外針對余熱回收熱泵熱水器的研究多偏向于回收車庫內余熱，尚不能適應我國的國情和居民的使用習慣，國內對該方面的研究則相對匱乏，并未對我國情況進行適配。本文章設計的整體熱泵熱水器呈一體化，避免了分體式所帶來的制冷劑泄漏的問題，使用時可放置于浴室天花板上，吸收室內空氣熱量加熱生活用水，避免了冬季溫度低造成的熱水器結霜、能耗升高的狀況，夏季亦可保持室內空氣流通，保持房間內溫度適宜，更好的適配了我國的情況。

1 實驗裝置與原理

回收室內余熱空氣源熱泵熱水器如圖1 所示。系統主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器、毛細管、氣液分離器及水箱構成，其中冷凝器為沉浸式，放置于水箱內。系統工作過程為：經壓縮機壓縮過的高溫高壓制冷劑氣體進入冷凝器，與水箱內的水換熱，在冷凝器中被冷卻制冷劑液體，后進入毛細管節流降壓，成為低壓的兩相制冷劑，最后進入蒸發器與室內空氣進行熱量交換，成為低溫低壓的制冷劑氣體再次進入壓縮機，完成一輪循環。待水箱中的熱水達到設定溫度后停止循環。

圖1 用于回收衛生間排氣熱的熱泵熱水器原理圖Fig.1 Schematic diagram of a heat pump water heater used to recover exhaust heat from toilet

2 實驗設備選型參數

2.1 熱泵系統計算設計

針對回收室內余熱空氣源熱泵熱水器的這種特性對冬夏兩季的排風量進行了計算。

冬季與夏季室內空氣的溫度不同，空氣物性也不同。對所需的排風量進行計算，冬季室內溫度在18℃-25℃，濕度在30%-70%之間，夏季室內溫度在23℃-28℃，濕度在30%-60%之間的條件為前提，取冬季溫度20℃，相對濕度50%；夏季溫度25℃，相對濕度60%。

由焓濕圖可以查得，冬季進口溫度焓值hin冬=39kJ/kg干空氣，出口為相對濕度接近100%的露點溫度，其焓值hout冬=27.8kJ/kg干空氣。Q0為所設計制冷系統的制冷量。可以得到冬季的排風量：

夏季進口溫度焓值hin夏=56kJ/kg干空氣，出口為相對濕度接近100%的露點溫度，其焓值hout夏=47.6kJ/kg干空氣。可以得到夏季的排風量：

2.2 蒸發器設計參數

系統所采用的蒸發器結構型式為管翅式，詳細的結構參數如表1 所示。

表1 蒸發器設計參數Table 1 Design parameters of evaporator

2.3 冷凝器設計參數

實驗采用的冷凝器是在原系統結構型式上進行改進，管路環繞方式采用上窄下寬的梯形結構配置，該結構型式有利于水溫的均勻分布，其結構如圖2 所示。計算得到的冷凝器模型設計數據如下：螺旋盤管最底端直徑為200mm，最上端直徑為140mm，每圈間距20mm。

圖2 所設計冷凝器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the designed condenser structure

3 實驗設備及測試

3.1 實驗設備及測試環境

根據回收室內余熱空氣源熱泵熱水器小風量、小功率的特點，選擇了市場上與本設計匹配的空氣源熱泵熱水器作為樣機放置于室內模擬運行，如圖3 所示。

圖3 熱泵熱水器設備圖Fig.3 Heat pump water heater equipment diagram

本實驗的測試儀器采用從歐盟進口的（LEM）即電流傳感器，通過將測點與三相交流電進行連接，可在該數據測試處理系統上獲得熱泵熱水器在不同工況下的電流、電壓、以及功率值。

圖4 測試用LEM 電流傳感器Fig.4 LEM current sensor for testing

3.2 實驗過程

本實驗的主要目的為測驗原始機組熱水器在不同環境溫度下的系統性能。根據北京全年室溫統計表可以得到，北京室內最高溫度大約為35℃，室內最低溫度大約為7℃，因此將實驗中環溫的選取確定為7℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃及35℃時，將相同水量從17℃加熱到55℃，研究空氣源熱泵熱水器機組的升溫時間，制熱量，整機功耗，COP 與環境溫度之間的關系。

制熱量的計算公式如下：

式中，Q 為制熱量，kW；t1為加熱開始時水的溫度，℃；t2為加熱終止時水的溫度，℃；H 為加熱小時數， h ； Cp為水的比熱容， 取4.1868kJ/(kg·℃)；M 為水的質量，kg。

整機功耗采用如下公式進行計算：

式中，Pc為壓縮機功耗，kW；Pf為風機功耗，kW。

性能系數COP 計算公式如下：

3.3 實驗結果分析

熱水器輸入功率隨水溫的變化如圖5 示，隨環境溫度的升高輸入功率呈現逐漸上升的趨勢，環境溫度越高最終的功率越高，不同環境溫度下功率變化的差異較小。例如，環境溫度為7℃和35℃時，水溫從20℃上升到55℃，功率分別由0.3kW 上升到0.51kW，0.32kW 上升到0.61kW。不同環溫下，最初加熱階段功率上升曲線的斜率基本一致，隨著時間的推移，環境溫度高時，功率隨水溫上升增長越快，這可能是由于在加熱過程中水溫動態升高導致了冷凝器溫度的升高，這導致了曲線斜率的后期上升。

圖5 不同環境溫度下功率隨水溫的變化Fig.5 Power changes with water temperature under different ambient temperatures

制熱量隨時間的變化如圖6 所示，在整個加熱過程中，制熱量呈現出先上升后下降，最終趨于平穩的趨勢，環境溫度越低，系統水溫上升所需的時間越長，制熱量越低；在開機前五分鐘制熱量突增可能是由于在系統剛啟動的短時間內水溫上升較快，穩定過程中的輕微波動則有可能是由于測量的隨機誤差或環境工況不穩定導致。在環境溫度為30℃時制熱量變化較大，在系統工作55 分鐘時達到最高2.23kW 的瞬時制熱量，而后逐漸下降，制熱量最終維持在1.807kW 附近；環境溫度為20℃時整體加熱過程沒有較大的起伏，最大瞬時制熱量為1.57kW，而后逐漸下降至1.479kW；環境溫度為25℃時制熱量則基本維持在1.674kW 左右，由此可見，20℃與25℃隨時間變化的制熱量曲線較為平穩，20℃-25℃區間可以視作熱泵熱水器適宜運行的環境溫度區間，在此區間內，加熱過程中制熱功率沒有較大波動的同時也擁有較好的制熱效果，此溫度區間恰好為空調要保持的室內溫度的區間，證明了回收衛生間排氣余熱熱泵系統放置于空調室內時的良好性能。

圖6 水溫上升過程中制熱量隨時間變化曲線Fig.6 The heating capacity changes with time in the process of rising water temperature

從圖5 和圖6 可以看出，在水溫從17℃上升至55℃的過程中，環境溫度為7℃時加熱達到設定溫度時間最長，大約耗時306 分鐘，環境溫度為35℃時加熱達到設定溫度時間最短，僅需160 分鐘，這表明，相比較于常年放置于室外、所處環境不穩定的傳統空氣源熱泵熱水器系統，回收室內余熱系統避免了冬季環境溫度低的情況，使得加熱時間降低，同等功率下獲得熱水速率更快。

圖7 是在不同環境溫度下，水溫上升過程中COP 隨時間的變化，整體趨勢為系統COP 先急速上升后開始平緩下降，最終趨于穩定。其中環境溫度為25℃時的COP 穩定在3.1 左右，環境溫度為20℃時的COP 穩定在2.56 左右。

圖7 水溫上升過程中COP 隨時間的變化Fig.7 The change of COP with time during the rise of water temperature

圖8 為COP 隨水溫上升的變化曲線。隨水溫的上升，環境溫度在20℃及以下時，COP 曲線變化較為平緩；環境溫度高于20℃時，COP 曲線則變化較為劇烈，主要波動范圍為水溫25℃-35℃之間，以環境溫度為25℃時波動最為劇烈；環境溫度為20℃時整體系統的波動最小，且相較于其他環境溫度，最終COP 保持在較為中等的水平。

圖8 COP 隨水溫上升的變化Fig.8 Changes in COP with rising water temperature

4 熱水器性能分析比較

4.1 實驗熱泵熱水器回收余熱與置于室外運行性能分析

實驗用熱泵熱水器樣機置于室外全年運行及置于室內回收余熱時的COP 變化可用DeST 軟件模擬計算。首先選取了DeST 中北京地區一年的室外與室內（按夏季開空調，冬季供暖室溫）逐時溫度統計，改變原系統熱泵熱水器蒸發溫度，對制熱COP 進行了全年的計算，得到圖9（a）和（b）的COP 變化曲線。

圖9 北京熱泵熱水器室內室外運行的全年COP 變化曲線Fig.9 Annual COP variation curve of Beijing heat pump water heater indoor and outdoor operation

圖9 中的COP 隨小時數變化曲線是在全年逐時環境溫度下進行模擬計算得到的圖線，全年放置于室外的普通系統和全年放置于室內的回收余熱系統COP 變化均與溫度變化成正比，隨環境溫度變化而變化。分別計算室內室外全年供暖期的平均COP 為：室外運行全年的COP 平均值為3.876，而室內回收余熱運行的COP 平均值則為6.183，比室外運行時高出近37%。

針對北京全年的逐天室內（有空調有供暖的情況下）與逐天室外溫度，按每天制取一次熱水計算，每次加熱到55℃，可以得到全年普通系統的總功耗為：439.17kWh，全年使用回收室內余熱系統的功耗為：338.46kWh，按一度電0.48 元計算，一年可節約電費43.54 元。按同樣的方法對上海進行計算（室內溫度為無空調無供暖的情況），其全年逐時COP 如圖10（a）、（b）所示，可以看出在上海，全年放置于室內時的COP 是較為集中的，且波動范圍較小。通過計算可以得到上海全年回收室內余熱系統的總功耗為：244.572kWh，全年普通系統的總功耗為：291.936kWh，由此可以得到，按一度電0.48 元計算，一年可節約電費22.73 元。從上述計算可以看出，無論在南方還是北方，使用回收室內余熱系統都可以有效降低能耗。

圖10 上海熱泵熱水器室內室外運行的全年COP 變化曲線Fig.10 Annual COP variation curve of Shanghai heat pump water heater indoor and outdoor operation

4.2 熱泵系統與不同熱水器系統性能分析比對

在國內的市場中，熱泵熱水器僅占一小部分的銷售量，儲水式電熱水器，燃氣熱水器等在市場中仍有著不少的占比，為了更好的體現設計系統的運行性能，本文將地點設置為北京，以同樣時間開啟熱水器和同樣的熱水加熱量為基準對設計系統，原系統，電熱水器及燃氣熱水器進行全年的能耗及費用比較分析，如表2 所示。

表2 各種熱水器全年能耗比較Table 2 Comparison of annual energy consumption of various water heaters

從表2 可以看出，設計系統的全年能耗338.46kWh，儲水式電熱水器設計系統全年能耗為1718.84kWh，而燃氣熱水器全年消耗天然氣量為350.76m3，與其余熱水器系統比較，均節約了較多的電費，有較為顯著的節能節費效果。

5 結論

本文通過對空氣源熱泵熱水器進行重新設計計算，設計了可放置于室內回收衛生間排氣的回收余熱空氣源熱泵熱水器系統，該系統全放置于室內回收排風熱量，避免了因全年溫度變化而造成系統的性能下降和耗電量增加，室內溫度在20℃-25℃之間，系統性能相對較高。本文將相似的熱泵熱水器系統放置于室內進行了模擬實驗，得到了以下結論。

（1）設計得到的回收衛生間余熱排風熱泵熱水器系統COP 可較普通熱泵熱水器高出近37%。

（2）在室內環境溫度分別為7℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃和35℃下進行試驗，得到的結果表明，在環境溫度為20℃時，整體系統制熱量變化、COP 變化曲線與功率變化曲線波動較小。

（3）相較于儲水式電熱水器，針對北京地區而言，一年可節約電費662.58 元，相較于燃氣熱水器，一年可節約費用637.27 元，相較于普通空氣源熱泵熱水器，一年可節約電費43.54 元。