热泵在中水工程中的应用设想

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1、热泵在中水工程中的应用设想 张立群 摘要：本文介绍了利用热泵技术回收中水中的低温热量的设想，并分析了冬夏的运行工况及理想模式 下的节能效果；同时也指出该系统所要急需解决的问题和面临的困难。总的来说，该系统有着良好 的发展前景。 一、概述 建筑中水工程是一项节水技术，是指民用建筑或建筑小区使用后的各种排水，经适当的处理后 回用于建筑或建筑小区作为杂用的供水系统。在建筑中水工程中，中水原水大多数采用优质的杂排 水，即冷却排水、洗漱排水，洗衣、沐浴排水等污染浓度低的排水。在宾馆、公共浴池和住宅等建 筑中，生活热水的消耗量很大，生活废水排水温度较高，般生活废水的混合温度在3 0 左右， 甚至更高。如果

2、用这些废水作为热泵的低品位热源，将会达到很好的节能效果。 现有的提供生活热水的热源多是燃煤、燃油、燃气或者是电加热，即消耗高品位能源来加热温 度不高的生活热水，无论从节约能源角度还是从按质用能的角度，现有的热水供应系统都存在着大 量的能源浪费。 生活热水与供暖热水不同，生活热水的利用实质是被污染和低温给水的混合过程，热水使用后， 由于水质被污染而变成了废水，同时由于混合了低温给水降低了温度。虽然存在蒸发、渗漏、温差 传热等质量与能量的损失，废水中依然包含有原生活用热水中的绝大部分热量，只是水温降低了， 水质被污染了。据文献H 介绍，如果配水点最低水温为4 5 ，则热水供水温度( 水加热器出1

3、：3 的 水温) 一般为5 5 。C 6 0 。可见生活热水的供水温度和使用温度都不高。而实际上，在热水供应 系统中，具有4 0 使用温度是热水的最终需要。如果采用加大蓄热水箱的容积或定温变容积的蓄热 形式，是可降低供水温度，甚至可使供水温度仅稍高于使用温度。由于生活热水所需的水温不高， 很适合利用热泵的冷凝器来提供。 中水原水经集流、水量调节及平衡、水处理等技术措施再生成中水，中水再大量的洗衣和洗浴 废水，中水原水的水温较高，一般在2 8 3 2 ，有的高达3 5 心，而且中水处理站多设置在 地下室，自然散热条件差，即使停留时间较长水温的降低也不大。据文献【4 介绍，在调节池容量足 够大的情

4、况下，经过处理时间较长的好氧生物处理，一般需要4 个小时，水温一般仅降到2 7 2 8 。 可见，经处理后的中水是热泵良好的低位热源。同时，中水工程所具有的水量调节及平衡能力和水 质处理工艺，为应用热泵进行热回收创造了良好的条件。 二、发展前景 随着城市建设和工业的发展，水资源日益不足，建筑中水工程已经广泛的采用。建筑中水工程 由于本身所拥有的各种设施及设备，以及水质处理工艺流程，为应用热泵技术提供了适宜的水质、 水温和水量的调节条件。同时应用热泵技术进行中水热回收，也提高了中水工程的经济效益，缓解 了水量不平衡的问题，对于中水工程的推广和发展十分有益。 据资料介绍目前北京市各单位中水运行已经

5、近1 0 年，各种研究实验表明，中水对卫生器具及输 水管道设备没有明显的腐蚀、结垢、生物垢等问题。同时还在实验室内利用回用水做了加温( 4 0 ) 循环挂片实验，结果表明，对于钢材只有轻微的腐蚀，对于镀锌钢管和铜材几乎不产生腐蚀堰1 。可 见中水水质可适用于进行热回收。 笔者设想，在建筑中水工程中，应用热泵技术， 生活用热水；即利用热泵的蒸发器吸收中水的余热， 回收的热量和驱动热泵的功量，加热生活热水。 三、系统构想 以中水为低品位热源，进行热回收，用以加热 以热泵的冷凝器作为热水供应的热源，释放出 1 将建筑中水工程、热泵技术和热水供应系统三者结合在一起，构成了图( 1 ) 所示的热回收 系

6、统。热泵为电驱动蒸汽压缩式热泵，辅助热源为电热源。辅助热源的作用是： ( 1 ) 系统初次使用时，加热生活热水，即承担系统启动的热负荷。 ( 2 ) 在最不利的情况下或峰值负荷时，用以补充加热生活热水。 2 热泵的蒸发器吸收建筑中水中的低温热量，同时热泵的冷凝器加热生活用热水，在这一系统 中，建筑中含有的大量低温热量与驱动热泵的功量一同被转移到生活用热水中，构成了生活用热水 的高温热量；生活热水经利用后变成废水后，热水中的高温热量也由于混合、散热而成为废水中的 低温热量。可见，这形成了一个热量循环利用过程，在这一过程中，驱动热泵的功量( 或能量) 一 方面起推动这一循环的作用，另一方面又以补充

7、已循环中由于各种损失而减少的热量。 给水 热泵供热循环的经济性是以消耗单位热功量所得到的供热量来衡量，即供热系数： eh ：Q h W = ( Q e + W ) W ( 1 ) 式中：eh 一热泵的供热系数 Q h 一热泵冷凝器的散热量( 供热量) ：k w 卜热泵消耗的功率；k W Q e 一热泵蒸发器的吸收量( 回收热量) ；k W 3 图( 2 ) 为热回收系统的水量平衡图，水量损失I 是指从建筑给水直到生活废水集流的过程 中全部水量损失，包括给水、热水输配过程中的渗漏，使用中的蒸发，集流的渗漏等各种水量损失。 水量损失I I 是指从中水原水到中水的工艺处理过程中的全部水量损失，包括渗

8、漏、蒸发、排污等。 特别指出的是：中水原水是由生活用热水与给水混合而成，一旦给水温度较高，则给水也将是 一种低位热源。一般地，给水水温高于热泵蒸发器的出口温度( 被吸收热量后的中水水温) 时，即 可认为给水中也具有可资回收利用的低温热量。给水的水温是随水源、气候、季节等多因素而变化 的，一般说，夏季高于冬季，地下水高于地面水。例如，最冷月平均水温，北京：地面水4 。C ，地 下水1 0 1 5 C ；上海：地面水5 。C ，地下水1 5 2 0 。蒸发器的出口水温可设为5 。C 。给水的水 温一般高于此温度，特别在夏季，给水的水温一般在1 5 2 0 C 。可见，该系统热泵所回收的中水中 的低

9、温热量是来自于生活用热水的热量和温度较高的给水中的热量。 1 3 5 4 如果从热量的循环角度来看，给水中所具有的低温热量可补充系统的热量损失：如果从控制 体角度看，进入系统的能量仅为驱动热泵的功量和生活给水的低温热量。可认为蒸发器的出口中水 中已不含有可资回收利用的热量，即假设蒸发器出口的中水焓值为零，以此为基础绘制热回收系统 的热量平衡图。 吲( 、5 ) e ， 热囤收系统热量平衡图 图中：Q y 一中水原水的含热量，k w ； Q z 一中水被吸收的热量，k W ，Q Z = Q e Q 1 一从建筑热水供应到废水集流的用户段全部热损失，包括散热和因水量损失而造成的热损失， k W ；

10、 Q 2 一中水工程中由于水量损失和散热造成的热损失，k w ； 5 从图( 2 ) 和图( 3 ) 可以看出：除第一次加热生活热水的热负荷需要辅助热源百分之百承担 外，一旦热量循环启动后，仅需要较少的能量( 功量) 就可以供应热水所需的热负荷，节能效果明 显。 如图( 3 ) ：由( 1 ) 可得：O h = ( 1 - 1 eh ) O e( 2 ) 设：1 一加热生活用热水的热量转移到中水原水中的热损失率， l = ( Q h Q y ) Q h 2 一中水原水处理到中水的热损失率，2 = Q 2 Q y r lz 一中水热回收系数，r lz = Q z ( Q y Q 2 ) 贝4 ：

11、Q h = ( 1 一1 ) ( 1 一2 ) T 11Q z( 3 ) 由Q z = Q e 并令n = ( 卜1 ) ( 卜2 ) n Z r 1 一热水供热量回收系数 贝0 ：Q h = ( 1 一1 ) ( 1 一2 ) r l ZQ e - - T l O e ( 4 ) 由( 2 ) 和( 4 ) 可得： r l = 卜1 h( 5 ) 由此分析如下： ( 1 ) 夏季，由于室内外温度高，所以各种热损失相对较小，即Q l 、Q 2 较小，更重要的是，由于给 水的水温高，可向系统提供充足的低温热量，如图( 3 ) ，可使1 小于零，所以夏季r l 较高；冬季 由于各种热损失相对较大，

12、而且给水的水温低，系统无法得益于给水的补充热量，所以系统热平衡 较夏季不利，可能需要辅助热源补充热量。 ( 2 ) 系统的最不利情况出现在冬季，可认为最不利的情况为生活给水的水温低于蒸发器出口的 中水水温，这时I = Q 1 Q h 在最不利的情况下，一般在用户段I = Q 1 Q h ，可取2 0 ；在中水处理 段2 = Q 2 Q y ，可取3 0 ；1 1z = l ；所以r l = 0 5 6 。可见，即使在最不利的情况下，系统仍可回收5 6 的热量，即节能5 6 。 ( 3 ) 由r l = ( 1 一1 ) ( 卜2 ) T 1Z ，可见，供水供热量回收率是随季节、运行情况而变化的

13、。n z 是与运行情况有关的，若令n z = l ，则n 有最大值，即： n m a x = ( 卜1 ) ( 1 一2 ) 。r l m a x 系统可能有最大供热量回收率，即最大的节能效果。r l m a x 随 季节变化，夏季r I m a x 最大，冬季r I m a x 最小。 ( 4 ) 由T 1 = 卜1 h 可见，热水供热量的回收率与热泵供热系数存在一定的关系，计算列于表l 中，粗看，当1 变化时，可以通过调节eh 来达到热量平衡。但实际情况是，一旦热泵确定，虽然 eh 可随工况的变化而变化，但变化范围较小，般实际情况下eh 在3 左右。由于h 相对固定， 而n m a x 随

14、季节变化较大，例如在前述的最不利的情况下，r l m a x = 0 5 6 ；而在如图( 3 ) 所示的情况 下，r l m a x = 0 。8 2 。所以在实际的情况下，夏季r t m a x 大，可通过调节n Z ，使n z l ，从而使n 减小与 eh 匹配；在冬季n m a x 小，将使供热量不足时，这时就需要辅助热源来补充。所以这里引入实际供 热系数的概念： 实际供热系数：e8 = 加热生活用热水的需热量消耗的热量或功量 = ( 热泵冷凝器放热量+ 辅助热源放热量) ( 驱动热泵的功量+ 辅助热源放热量) 不开辅助热源( 夏季) ：5 = Q h W = h 开辅助热源( 冬季)

15、 ：8 = ( Q h + W ) ( W + W ) h 表1 I E h 22 533 54 J I n O 5O 6O 6 7O 7 10 7 5 I 图( 4 ) 为r l ，r l m a x ，h ，e8 之间随季节变化关系的示意图。由图可知，A O B 为r l m a x 季节变 化的曲线，C O D 线为热泵供热系数eh 变化线。在平衡点左侧，I lz = l ，r 1 = I l m a x ，需要辅助热源； 在平衡点右侧，n z l ，n r l m a x ，不需要辅助热源。实际工况A O B 线对于左纵坐标，是n 的变化线， 也是节能率随季节的变化线；同时，A O B

16、 线对于右坐标，是实际供热系数e5 的变化线。可见，最低 的节能率是5 6 ，而最高是T l = 卜1 h ，当h = 3 时，节能率是6 7 。 冬李平衡点霹垂 图( 4 ) f l ，r lm a x ，h ，e8 关系图 以上分析均是按静态( 稳态) 考虑的，但实际上，热水的耗热负荷、给水水温、室内外温度、 中水水温都是动态变化的，特别是一天内热水用量变化极大。但由于中水工程中的调节池和处理过 程的调节能力，以及热水供应贮热水箱的调节能力( 住宅、旅馆等热水贮水器的有效容积不小于4 5 m i n 设计小时耗热量) ，而且热水供应的全年热负荷变化不大，所以上述的热泵热回收系统有较大的负 荷适应能力。 四、结束语 在建筑中水工程中，应用热泵技术，进行热回收，用以加热生活热水，将热泵技术、中水工程 和热水供应系统三者有机地结合在一起，利用热