洗头床废热回收热泵设计与经济性分析

宋园园，陈 朋，李 涛，王晓艾，肖苗苗，张振迎

( 华北理工大学 建筑工程学院，唐山 063210 )

1 引言

目前洗头用的热水制取装置主要有电热水器，燃气热水器，空气源热水器等，以上热水器存在成本高，安装位置受限制、热源不稳定、体积较大等问题，而本文的污水源热泵洗头床从根本上避免了该问题的发生，近年来，关于利用热泵回收污水废热的研究较多[1-4]，但研究多集中于小区、洗浴中心、酒店等大型集中式用户，对于适用于美容美发行业的小型洗头床系统以及污水侧换热器的研究较少，如今节能减排已经成为了洗发行业的主流趋势。污水源热泵洗头床可以从淋浴产生的废水中提取能量，做到即取即用，系统效率较高，较其他形式优势较大而且废水的温度较高，大量余热随着废水而排出，因此利用热泵回收淋浴水废热，能提高能源利用率，减少污染物的排放，节约洗发行业的运行成本。

1—蒸发器、2—压缩机、3—冷凝器、4—中间换热器、5—水泵1、6—热水出水口、7—循环热管路、8—速热热水装置、9—热水箱、10—温度感应显示器、11—自来水进水口、12—床体、13—膨胀阀、14—喷洒、15—水池、16—粗过滤器、17—二次过滤、18—污水进水口、19—溢流排水管、20—污水取热装置、21—排水口

2 系统方案分析

洗头床废热回收热泵系统设计方案如图1所示。该系统主要由废水取热装置、蒸发器、压缩机、冷凝器、节流装置、中间换热器、热水箱、速热热水装置、混水阀等部件构成。该系统以污水源热泵加热为主，电加热为辅。污水源热泵利用制冷剂相态的变化来携带能量，在管路中进行循环，利用热泵机组所消耗能量和吸取的全部热能一起排输至被加热端，有效地把即将排放掉的污水中的能量转移并得到再利用，减少热量的浪费，有效提高能效比。废水取热装置20位于喷洒14下方，用户在废水取热装置的上方进行使用；在洗头床使用过程中，废水取热装置20将用户使用过的废水收集起来，当废水取热装置20中有一定温度的水流入时，压缩机2及水泵5开启，热泵机组把废水取热装置20中废水中的热量通过蒸发器1经过中间换热器4转移到热水箱9中，用来提高热水箱中的水温。首先蒸发器1内的制冷剂吸收的热量并通过制冷剂管路传递给中间介质水，形成一个回路，传递热量是通过中间换热器4，制冷剂与中间介质水进行热交换。同时中间换热器4与热水箱9内换热器7相连接，连接水泵5构成一闭合回路，由水泵5提供动力，中间介质酒精把携带的热量通过冷凝器释放到热水箱，从而实现能量的转移。当废水取热装置中的废水当液面达到一定高度时，可以通过溢流排水管装置，排出废水取热装置中的多余淋浴废水。需要把废水箱内的水全部排出时，可通过排水口排出。在废水取热装置中设置折流板，增强换热效率。洗头结束时，淋浴废水取热装置中存有一定高度的淋浴废水。在废水箱和热水箱中均设置温度传感器，当废水箱内水温低于设定温度或热水箱内热水温度高于设定温度时，压缩机关闭，热泵系统停止运行。可开启速热热水装置对热水进行加热，以满足用户需求。

3 系统设计计算及经济性分析

设计热水箱容积为60L，热水箱进口水温15℃，加热设定温度50℃，每人每次所用水量按照12L计算，每人热水用水量10L(实际用水按照50℃热水和15℃凉水掺混)。因此加热一人洗头所用热水所需要的冷凝器放热可算出为2.4kW。图2示出了洗头床废热回收热泵系统的lgp-h图。

图2 循环lg p-h 图

表1 热泵系统热力学分析结果

选取的制冷剂为R410A，选择设计工况为：tc=55℃，t3=52℃，to=10℃，t1′=10℃，t1=15℃。系统热力计算结果如表1所示。

一般中等水平的理发店，每日客流量平均25人，每人每次所用水量12L，则理发店一天所需要50℃热水约为250L。1kg热水由15℃加热到50℃所需要的能量为147kJ，因此一年中加热水所需要的能量为1.34×106kJ。如今理发店多使用的洗头装置多为电加热或燃气加热，因此本产品与这两种加热方式进行了经济效益对比分析，结果如表2所示。对于污水源热泵和电加热的对比：初投资差额为7500元，每日运行成本差额为9.45元，年运行成本差额为3449元。所以对于电加热而言，使用热泵加热在2.2年后便可收回初投资的差额。对于污水源热泵和燃气加热的对比：初投资差额为7000元，每日运行成本差额为6.8元，年运行成本差额为2491元。所以对于燃气加热而言，使用热泵加热在2.8年后便可收回初投资的差额。

表2 不同加热方式经济效益对比分析

4 结论

通过洗头床的原理性能以及运行成本进行分析，具有以下结论：

(1)在运行成本方面，利用热泵将废水箱中的余热回收，把这部分热量通过制冷剂的相态变化转移到热水箱以及水床介质中。加热洗头所用热水，只消耗少量的电能，节约运行成本。

(2)在环保方面，有利于创造环境友好型社会，减少污染物的排放，较传统的电加热和燃气加热节约了能源的同时也更加安全。

(3)在经济性方面，废热回收污水源热泵洗头床系统，可充分利用客户洗头过程中淋浴废水的热量，能效比COP大大提高，2～3年即可收回初投资费用。

参考文献：

[1]吴荣华，张承虎，孙德兴.城市污水冷热源应用技术发展状况研究[J].暖通空调，2005，35(6):31-37.

[2] 向南宏，金苏敏，王璐.热管废热回收蒸发器在浊水余热回收中的应用[J].流体机械，2009，37(12)：76-79.

[3] 连之伟.热质交换原理与设备[M].北京:中国建筑工业出版社，2006.

[4] 雷博，董建凯，姜益强,等，家用淋雨污水源热泵热水器系统实验[J].暖通空调，2014，(44)：14-17.