热泵技术的应用

摘要：本文简要论述如何利用厂区余热通过热泵技术改造浴池洗浴热水系统。

关键词：余热；热泵技术；洗浴热水系统

中图分类号：C35 文献标识码： A

热泵（Heat Pump）是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，也是倍受关注的新能源技术。它不同于人们所熟悉的可以提高位能的机械设备――“泵”；热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。水从高处流向低处，热由高温物全传递到低温物体，这是自然规律。然而，在现实生活中，为了农业灌溉、生活用水等的需要，人们利用水泵将水从低处送到高处。同样，在能源日益紧张的今天，为了回收通常排到大气中的低温热气、排到江河中的低温热水等中的热量，热泵被用来将低温物体中的热能传送高温物体中，然后高温物体来加热水或采暖，使热量得到充分利用。

热泵系统的工作原理与制冷系统的工作原理是一致的。一般由四部分组成：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。其工作过程为：低温低压的液态制冷剂（例如氟利昂），首先在蒸发器（例如空调室内机）里从低温热源（例如常温空气）吸热并气化成低压蒸气。然后制冷剂气体在压缩机内压缩成高温高压的蒸气，该高温高压气体在冷凝器内被低温热源（例如冷却水）冷却凝结成高压液体。再经节流元件（毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等）节流成低温低压液态制冷剂。如此就完成一个制热循环。

热泵的性能一般用制冷系数（COP性能系数）来评价。制冷系数的定义为由低温物体传到高温物体的热量与所需的动力之比。通常热泵的制冷系数为3-4左右，也就是说，热泵能够将自身所需能量的3到4倍的热能从低温物体传送到高温物体。所以热泵实质上是一种热量提升装置，工作时它本身消耗很少一部分电能，却能从环境介质（水、空气、土壤等）中提取4-7倍于电能的装置，提升温度进行利用，这也是热泵节能的原因。作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温区流向低温区。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。

热泵在工作时，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分，因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。

在运行中，蒸发器从周围环境中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了储水箱中的水。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，后再被蒸发，如此循环往复。

一、概述

通常浴池洗浴热水加热都是由燃煤、燃气等锅炉经行换热来完成的。厂区的洗浴热水量很大的。这样既浪费了燃料，又污染了环境。对已运行多年的厂区浴池洗浴水供应系统进行改造。如何将余热利用同洗浴热水加热综合考虑是一个全新课题。既能满足加热要求，又能实现余热的可持续利用，达到变废为宝，降低能耗，减少污染是本文研究的出发点。这样，就为利用余热加热浴池洗浴热水提供了可能。由于厂区浴池洗浴热水供应系统全年运行，因此改造后节能潜力巨大。为此这里主要讨论不用辅助加热设备（如锅炉等）的情况下，利用余热通过热泵技术改造现有厂区浴池洗浴热水供应的几个问题。首先，厂区余热量的检验。判断是否有足够的低位热量用来加热洗浴给水。其次，系统改造方案的确定。探讨热泵机组与热水供应系统之间的相互关系。

二、可用余热资源的检验

2.1XX煤矿职工浴池现状

XX煤矿职工洗浴用水来源于市政自来水厂提供的生活饮用水。XX煤矿洗浴人数5000人左右，洗浴分三班。白天有一个大班（3000人）称为"白班"，晚上有两个小班（1000人）称为"夜班"。浴室共有三层楼，每层有一个独立浴室，每层都有热水池、淋浴器。淋浴器使用的热水来自五个热水箱，每个热水箱24m?三层楼共187个淋浴器。每天浴池总用水量760m?。浴池洗浴废水通过管道排入生活污水处理厂，现没有经任何利用，直接排走。冬季洗浴废水在浴池室外排水检查井测得的水温是39.5℃。经调查XX煤矿职工人数6038人，每天洗浴人数5000人，每天浴池洗浴用水量实测760m?。一天洗浴分三班，洗浴用水最高峰期为12：30-16：30分，共持续4小时，4小时洗浴用水量为380m?。最高峰每小时用水量为380/4=95m?。

2.2可利用余热资源的检验

利用热泵技术改造厂区浴池现有的热水供应系统。首先的任务就是检验厂区中是否有足够的余热作为低位热源来加热洗浴用水。如果热量不够，就考虑其他辅助热源（如锅炉等）加热。XX煤矿职工人数6038人，每天洗浴人数5000人，浴池洗浴热水加热采用两台SHL4-1.25蒸汽锅炉加热。目前，XX煤矿有两处热源可以利用，分别是职工浴池洗浴废水，空压机冷却废热。每天总用水量为760m?，洗浴水温由10℃加热到43℃，加热洗浴用水所需热量Qr=760×1.167×（43-10）×3600=105，004，944KJ。

可回收热量①职工洗浴废水温度较高，不低于30℃，可作为首选热源，为保险起见一天可回收洗浴废水按700m?计算。可利用的余热资源热量为Qr=700×1.167×（33-5）×1.2×3600=98，473，536KJ。②空压机废热资源，厂区有3台风冷（英格索兰M350。70m?/min）空压机。通过在空压机排风筒内增加翼片换热器回收空压机废热。空压机两用一备。考虑到热泵系统的安全性本方案只计算一台空压机废热。空压机废热按60%计算。350×24×3600×60%=18，144，000KJ。

综上所述，XX煤矿可回收利用的余热总量为98，473，536+18，144，000=116，617，536KJ。所以XX煤矿的废热通过热泵做功可满足加热制取洗浴用水的需要。

三、浴池洗浴热水系统改造方案

利用热泵机组提取职工浴池洗浴废水和空压机余热，加热洗浴用水。首先，通过空压机排风筒上的换热器将空压机冷却排风的热量置换出来，对洗浴水进行循环预热。当预热温度达到23℃时，把预热处理完的洗浴水存到过度水池中待用。把洗浴废水经过毛发收集器处理后，收集到保温废水池，洗浴废水通过提升泵输送到板式换热器直接进行换热，洗浴废水经板式换热器换热后，废水温度由33℃降低至5℃，换热后的洗浴废水通过管道流入污水处理厂处理。经空压机预热的23℃洗浴水，作为热泵机组的冷却的进水，板式换热器另一侧循环水由8℃提升至18℃，进入热泵蒸发侧。热泵蒸发侧把18℃循环水降低至8℃提取热量，热泵冷却侧将23℃洗浴水循环加热至43℃。输送到热水蓄水池，经水泵输送到浴池热水箱供职工洗浴使用。

每天洗浴水量为760m?，热泵机组避开峰时段，谷平时开机。热泵机组每天需要开启16小时，每小时制热水量48小时，每小时的热负荷为：48×1.163×（43-10） =1824KW。为了保有余量，选用SRSW-310-2热泵机组、制热量：1230KW三台（两备一用），每小时制热水量为60m?。热泵系统设计加热能力应保证满足职工洗浴最大用水量并保有余量。

结束语

综上所述，利用煤矿余热通过热泵技术加热浴池洗浴用水是一个很好的选择，既能减少能耗又能结约能源，还能保护环境，减少污染。使生产余热变废为宝，具有极高的经济效益和社会效益。