生活废热水余热利用的实验研究

2014-08-28王健敏陈伟钦林水荣黄广鹏

制冷 2014年3期

王健敏，陈伟钦，林水荣，黄广鹏

(1.仲恺农业工程学院，广东510225； 2.广东省工业设备安装公司，广东510080；3.佛山市格宁雅风暖通空调设备有限公司，广东528137)

0 前言

随着生活水平的提高，我国南北方越来越多的家庭、集体宿舍和宾馆房间带有非公共的独立卫生间。卫生间洗浴后的废热水污染轻、水质稳定、余热量大。但洗浴热水的大部分热量随废热水排走了，尤其在学生宿舍，洗浴热水是建筑主要的用水和能耗，且使用和排放时间较集中，水量大，其热量回收利用的价值较大。但目前对非公共浴室废热水回收利用的研究报道仅限于理论计算[1-2]。

1 废热水余热利用形式的理论分析

仲恺农业工程学院位于广州市白云区的15栋新建学生宿舍采用集中式空气源热泵热水系统，加热热水终了温度设定为53～55℃，到达宿舍卫生间的热水温度约50～52℃。该系统比老校区宿舍采用的电热水器节能，使用更方便、舒适。

2011年，对两栋学生宿舍的100名男生和100名女生进行问卷调查和数据跟踪记录。调研发现，用水高峰时段为17∶00-23∶00，冬季用热水量最多，每天人均用热水量不超过40L，主要用于洗澡和洗头。对于独立计费、缴费的入户式热水，学生节水意识较好。

1.1 废热水源热泵与空气源热泵的比较

按冬季最不利工况研究热泵热水系统。广州地区冬季冷水(自来水，下同)温度和空气温度按10℃计算；根据GB/T 23137—2008《家用和类似用途热泵热水器》[3]，热泵热水出水温度取55℃；冷凝器和蒸发器的传热温差均按10℃计算。废热水源与空气源热泵热水系统的热水侧工况相似，最大不同是蒸发器侧，废热水源热泵有较高温度的热源，根据制冷原理和热力计算，直接采用废热水为热源的热泵热水机可最大限度地回收废热水的余热，冬季的能效比高于空气源热泵。

1.2 集中式与户式废热水源热泵的比较

集中式热水系统设备少而集中，便于管理。为了分析其可行性，先进行热力计算。根据冷热水的温度和热水用量通过能量守恒和质量守恒原理可求出生活废热水量。40L50℃热水兑10L10℃冷水后，获得50L42℃洗浴热水；洗浴后的废热水进入蒸发器放热降温25℃，即，废热水初始温度必须在30℃以上，从废热水中吸取的热量才能满足热泵将10L冷水加热至55℃的需要，并使蒸发器不结冰。

在春季室外空气温度20℃、冷水温度20℃，和冬季室外气温9～11℃、冷水温度13℃的环境下，在学生洗浴用水高峰时段，对仲恺农业工程学院白云校区的两栋学生宿舍(男女生宿舍各1栋)的废热水温度进行了测量，测量数据如表1所示。每栋学生宿舍6层，首层架空，2至6层每间宿舍住5人，每栋住900人。宿舍的污水、废水分流排放，每间宿舍有三处废水排水点，分别是浴室、厕所洗手盆和阳台洗漱台。一楼地面的废水排水总管有两种汇流情况，一种是三处废水汇流，另一种是浴室废水仅与厕所废水汇流，阳台废水经独立的排水总管流入化粪池。

测量当天寒流侵袭，是学生在校期间最寒冷的一天，且被测宿舍楼位于广州市郊区，空气温度比同期市区气温低3℃，这些测量数据基本能代表广州地区最寒冷气候。

测量发现，由于废水检查井和排水干管的管径较粗，即使在学生洗漱最集中的时段，废水在干管中的充满度极小。大部分季节里，多房间、多楼层汇流的废热水在排水管中散热迅速，到达地面时已低于30℃，余热不足以提供热泵热水所需的吸热量。而如果在浴室就地收集废热水，其余热量较大。

表1 学生宿舍生活废热水温度(℃)

2 废热水源热泵热水系统的设计

2.1 系统设计

虽然洗浴后废热水的余热量占生活热水热量的比例较大，但由于生活废热水温度不高，且洁净度降低，因此，不采用热回收换热器，而直接采用废热水为热源的水源热泵，不仅热回收率高，能效比高，而且可节省换热设备。

图1 户式废热水源热泵热水系统示意图

生活洗浴废水经过滤后一般固体杂质不多，但对金属材料仍有一定的腐蚀性。而钛管换热器具有很强的抗腐性，寿命比铜管、钢管换热器长[4-5]，且换热系数与铜管相差不大[6]，是铜管换热器出色的替代品。本文主要采用换热系数高的螺旋钛管蒸发器；为避免蒸发器外表面结冰，提高蒸发器传热系数，废水箱中放置功率74W的搅拌器。废热水源热泵热水器冬季工作温度变化范围大，采用热力膨胀阀作为节流装置。系统[7]示意图如图1所示。

2.2 实验装置与实验参数

实验装置如图2所示。根据学生用热水量，分别计算夏季工况、冬季最不利工况和GB/T 23137[3]名义工况下兑得40～42℃生活热水所需的冷水量和获得的废热水量，并测得对应废水初始温度，如表2所示。

1-压缩机 2-冷凝套管 3-储液器 4-热力膨胀阀 5-视液镜 6-蒸发器 7-废水池 8-热水箱 9-水泵 10-截止阀 11-冷凝压力表 12-蒸发压力表 13～14-玻璃管温度计 15～17-电子温度计

表2 实验工况和部分实验数据

实验时，环境气温约20℃；热水箱中40L冷水经水泵进入热泵的套管式冷凝器中被循环加热至55℃时热泵自动停机；涡旋式压缩机额定功率885W，外平衡式热力膨胀阀制冷量2.0～3.5kW。每隔5分钟测量系统冷凝温度(压力)、蒸发温度(压力)、冷凝器进出口水温、热水箱热水温度、废热水温度、电压、电流、功率、用电量。

目前尚没有钛管用于废热水源热泵热水蒸发器

的设计参数，文献[6]等的钛管换热器传热系数值基本都是以工质流速较高、强制对流的冷凝器为研究对象的理论计算值，与废热水源热泵蒸发器工作情况有较大差异。假定废水箱中废水流速在0.05～0.2m/s，按计算的传热系数560W/(m2℃)求蒸发器传热面积，采用管径19mm的螺旋钛管、蛇形钛管、螺旋不锈钢管三种类型的蒸发器分别浸没入废热水箱废水中进行了对比实验。

3 测试结果与数据分析

分别在三种实验工况下使用螺旋钛管蒸发器且有搅动废水，将40L冷水循环加热至55℃时，所测得的加热时间、废热水终了温度和计算的系统总能效比列于表2。总能效比是系统从加热开始至终了的热水总加热量与总耗电量之比。冬季工况下耗时50min，比理论计算值延长了8分钟；废水箱内水温降至5.6℃，废热水温降27.4℃，与计算结果相近，蒸发器不会结冰。

对冬季工况，还进行了多种蒸发器的比较实验，根据测量数据，计算出蒸发器传热系数和系统总能效比列于表3。如果不搅动废水，则蒸发器外表面很快结冰，废水箱各处水温差大，废热水放热速度慢，热水升温慢，甚至达不到设定温度。

表3 冬季工况下使用不同蒸发器的实验结果

3.1 蒸发器结构、材质等对传热系数的影响

从实验数据可见，废热水有搅动时的传热系数比无搅动时的高，且搅动速度越高，传热系数越高；由于所用搅拌器功率较小，废水箱内水流速度和水温不均匀，而蛇形蒸发器比螺旋形的水平面积较大，其边缘的换热效果变差，造成蛇形蒸发器的传热系数比螺旋蒸发器的小；蒸发器面积足够大时，再增加传热面积不会增大传热系数，在水量、水箱大小和其他工况一定时，反而可能使流动阻力增加而使系统能效比略有下降。不锈钢管蒸发器的传热系数略低于钛管蒸发器。

虽然市面上按重量计算的钛管单价是铜管和不锈钢管的2.3～2.8倍，但由于钛管耐腐蚀，其壁厚约是铜管和不锈钢管的1/4，如，Ø19铜管、不锈钢管和钛管，其壁厚分别是2.5mm、2mm和0.53mm，做成相同传热面积的换热器后，钛管的造价反而低于不锈钢管和铜管。

3.2 热泵热水系统的能效比及分析

系统蒸发温度和冷凝温度都跟随外部流体温度变化而变化。冷凝温度升高速率较快，但始终低于65℃；蒸发温度下降平缓，且外平衡式热力膨胀阀控制的回气过热度基本稳定在10℃。随着蒸发温度与冷凝温度之间温差的增大，压缩机的负荷也越来越大，压缩机输入功率增加；但在热水达到设定温度前，输入功率始终低于额定功率。加热过程输入电压基本稳定，而最高电流比最低电流增大了59.2%。冷水从10℃升高至55℃过程中，热泵热水系统的总能效比从7.74降低至3.88，但仍高于3.35的理论计算值和文献[1]的计算值，更高于厂家提供的空气源热泵在相同工况下2.5的实际能效比。提高废热水搅动速度，系统能效比还可略有提高。

在开始加热阶段，废热水源热泵热水系统有较高的能效比，而热力计算时，是按废热水和热水的初始和终了状态的平均值计算的，所以，两者存在一定差异。实验结果优于理论计算结果，这更说明废热水源热泵热水系统有优越的节能性能。