王凤予 刘泽华 谭子豪 黄玲玲 鲁婧 杨历全
南华大学土木工程学院
摘 要： 针对一个具体实例， 设计了一个利用燃气大锅灶烟气余热与直热式空气源热泵热水器联合供热水系统， 提出了一种利用大锅灶烟气余热为直热式空气源热泵热水器除霜的方法， 研究了大锅灶余热深度回收的方案。 在 设计工况下， 该系统可节能19.5%， 可以提高天然气热能利用率28%。 关键词： 燃气大锅灶 直热式空气源热泵 余热回收 联合运行
Design of Heat Pump Hot Water System based on Recovery
of Flue Gas Waste Heat from Commercial Gas Cooking Ovens
WANG Fengyu,LIU Zehua,TAN Zihao,HUANG Lingling,LU Jing,YANG Liquan
School of Civil Engineering,University of South China
Abstract: For a specific example,a combined heating water system using flue gas waste heat of large gas stove and direct heat air source heat pump water heater was designed,a defrosting method using flue gas waste heat of large gas stove as air source heat pump water heater was proposed,and a deep recovery scheme of waste heat of large gas stove was studied.Under design conditions,the system can save 19.5%energy and increase the utilization rate of natural gas by 28%.
Keywords:large gas stove,direct heat air source heat pump,waste heat recovery,joint operation
收稿日期： 20191228 作者简介： 王凤予 （1995~）， 男， 硕士研究生； 湖南省衡阳市蒸湘区常胜西路28号 （421001） Email:****************** 基金项目： 2019
年湖南省研究生科研创新项目 （CX20190741） 0 引言
直热式空气源热泵热水器可以将市政冷水一次 性加热至使用温度， 具有运行过程高压稳定， 出水迅 速， 制热能力强和能效比高的优点， 在商业场合中使
用较多
[13]
。但是热泵机组同样有结霜的问题， 在冬季 低温潮湿环境中运行时存在室外蒸发器结霜，
导致机 组制热能力不足与运行效率低下 [4]
， 现阶段的空气源 热泵除霜方法例如逆向除霜、 热气旁通除霜等， 一定
程度上可以解决除霜的问题，
但是由于这几种方法是 基于热泵自身能量， 热量来源单一， 在除霜时会带来
制热的不稳定 [5]
。
基于直热式空气源热泵除霜时的热量来源问题， 本文提出了一种在食堂建筑中利用外部热源 （燃气大
锅灶烟气余热） 的除霜方法， 并设计了将两个装置联合 运行供热水系统。燃气大锅灶是公共食堂中广泛使用 的炊具， 是用能大户， 具有集中的排烟道，
排除的烟气 温度可达400~500 益， 其中具有大量的余热 [6]
， 将其回 收可以提高天然气的热能利用率， 也可以改善后厨的 热环境。
本文以南华大学求是园食堂大伙为例，
以满足其 热水需求为目标， 设计了一套燃气大锅灶烟气余热利 用与直热式空气源热泵热水器联合供热水系统， 不仅 可以解决空气源热泵的除霜问题， 还可以提高天然气 的热能利用率。
第39 卷第 12 期 2020 年12 月
建 筑 热 能 通 风 空 调
Building Energy &Environment Vol.39No.12 Dec.2020.71~74
文章编号： 10030344 （2020） 120714
1 余热特点与直热式空气源热泵热水器的 选型
1.1 燃气大锅灶烟气余热特点
调研得知该大伙每天使用 4 台同样型号的燃气
大锅灶烹饪， 每天使用约 9h ， 平均每顿饭使用 3h ， 期 间很少断火。 笔者在2019年7月对大锅灶进行了烟气 余热测试计算， 一般使用时的天然气的输入热负荷为 38.4 kW ，
过量空气系数为 1.06， 室外温度为 30 益时， 烟气温度约为 466 益，烟气的露点温度为 60.2 益， 以
环境温度 30 益为基准计算的烟气余热量为 13.6kW ，
其中潜热占比为 32.5%，如果将烟气中的余热进行回 收， 不同排烟温度下的可回收热量与占输入热量的百 分比见图1。
图1 不同排烟温度下的可回收热量
与占输入热量的百分比
这里需要说明大锅灶在冬季较低气温下， 烟气温 度没有夏季高， 但是冬季的冷水温度较低可以将烟气 冷却至更低的温度， 回收更多的热量， 所以假设一年 四季的烟气余热量是一样的进行计算。 1.2 热负荷计算
1.2.1 热水需求量
该大伙本身并没有配置热水供应系统， 也无法从 管理人员处得到热水的需求信息， 但热水需求与用餐
人数相关。笔者在食堂信息管理中心调研得到了 2018~2019 学年各典型时间段该食堂大伙的交易额，
并按照人均消费水平7.5元/(人*次)计算得到了用餐
人数变化曲线图， 具体见图 2。
图2 2018~2019学年各个典型
时间段用餐人数变化图
热水的需求与用餐人数密切相关， 系统也应该按
最不利工况进行设计， 从季节的因素考虑， 冬季为最不 利情况， 从用餐人数来看学期初为最不利情况， 本文综 合考虑了这两方面的因素， 由于天气越寒冷时热水的
需求越大 [7] ， 因此选用了冬季的用餐人数与天气工况
进行设计， 由图可以发现， 冬季的最大单日用餐人数为
4409(人 * 次)/ 日，
加上食堂的服务人员， 最终确定按 照用餐人数为4500(人*次)/日进行系统设计。
从规范《建筑给水排水设计标准》
GB500152019 得到食堂建筑热水用水定额为 7L /(人 * 次)， 水温 60 益，所以大伙每天的热水的需求 M =(4500伊 7)
/1000=31.5m
3
。 1.2.2 制水与用水时间
31.5m
3
的热水主要用于菜品的清洁， 烹饪中的使 用以及餐后的餐具清洁等， 因为热水的使用时间多数 在大锅灶使用过程中以及使用过程之后， 所以设定系 统的制水时间在大锅灶使用的时间内制备， 假设可以 满足应有的热水需求。 1.2.3 热负荷计算
热负荷应按照最不利工况
（即冬季最冷月平均工 况） 进行计算。衡阳地区全年最冷月平均气温为7 益，
冷水计算温度为5益 [8]
。 热泵的设计制热量按下式计算：
式中： Q 为热泵机组设计供热量， kW ； m 为用水单位 数， 人； q r 为热水用水定额，
L/(人 * 次)； C 为水的比热 容， 取4.187kJ/(kg*益)； r 为水的密度；t r 为热水温度， 取60 益； t 1 为冷水温度，取5 益；
T 为热泵工作时间， 取9h 。
计算得： Q =4500伊 7伊 4.187伊 55/(3600伊 9)=224kW 1.3 直热式空气源热泵热水器选型计算
为了深度的回收烟气中的潜热以及烟气余热瞬
息性特点的原因， 需要在制水过程中不断的使用冷水， 所以采用直热式空气源热泵热水器与余热回收装置 联合运行可以一次性的将冷水制取到使用温度。
为便于与大锅灶的联合运行，拟选用 4台直热式 空气源热泵热水器机组， 即每台热泵配合一台大锅灶 联合运行， 每一套系统承担总热负荷的1/4， 即56kW 。 虽然大锅灶可以提供一部分热量， 保险起见， 空气源热 泵选型按照负荷为56kW 计算， 根据样本的性能曲线
选择在 7 益环境温度时的能效比，本研究取此时的 COP 为2.5，
即每台输入功率为22.4kW ， 共 89.6kW
。 ( ) 3600 r r r l mq C t t Q T
r - =
（1）
2020年
建 筑 热 能 通 风 空 调 ·72·
2 系统方案
系统图见图3， 图中三通阀从左至右分别为 1、 2、 3通路。下面先介绍在需要除霜时和不需要除霜时的
系统流程， 然后对其中的除霜方案原理和余热回收方 案原理进行阐述。
图3 燃气大锅灶烟气余热与直热式 空气源热泵热水器联合供热水系统
2.1 不需要除霜时的运行方案
不需要除霜时， 即在春夏秋季和在冬季较高气温 时， 开启水泵 11， 三通阀 31 接通 1 和 3， 三通阀 32 接通2和 3， 三通阀 33接通1和2， 三通阀34接通1 和2， 空气源热泵开启， 三通阀35接通1和3。 冷凝水 处理系统开启， 其余未提阀门视为关闭。
热泵热水
此时水系统的流程为，市政冷水依次通过水泵 11→冷凝换热器→31→32→冷凝器→33→显热换
热器→34→保温水箱1。冷水先经过冷凝换热器初步 预热， 深度回收烟气中的显热与潜热， 然后进入空气 源热泵热水器冷凝段进一步加热，再进入显热换热 器， 进一步回收高温烟气的显热， 最后进入保温水箱 以备使用。
烟气： 烟气从大锅灶排烟口排出后， 先经过显热 换热器与从冷凝器出来的水进行换热，
被冷却至低温 后进入冷凝换热器，进而与市政冷水进行深度换热， 烟温进一步冷却至露点一下，最后
排入烟囱排向室 外。下面的烟气流动与此相同， 不在赘述。 2.2 需要除霜时的运行方案
在冬季需要除霜的时节，
空气源热泵热水器的室 外蒸发器的运行时段可分为结霜期和除霜期。 在结霜期内， 保温水箱 2 蓄热时，
开启水泵 11， 三通阀 31 接通 1 和 3，
三通阀 32 接通 2 和 3， 开启 阀门21，
三通阀33接通 1和2， 三通阀34接通1和 3，
开启水泵 13， 三通阀 35 接通 1 和 3， 空气源热泵 正常工作。
此时水系统分为两个部分， 将保温水箱中的水加 满至所需水量后，保温水箱 2内的水在水泵 13的带 动下持续通过显热换热器加热至 80 益，以备除霜使 用。与此同时， 市政冷水先后经过水泵11→冷凝换热 器→三通阀31→三通阀32→冷凝器→阀门21→保
温水箱2。
冷水先通过冷凝换热器进行预热， 然后进入 冷凝器加热后进入保温水箱1备用。当保温水箱 2内
的水温加热至80益后，
系统变换成不需要除霜时的运 行方案。
在除霜期内， 三通阀 35接通 1 和 2， 开启 23， 其 余系统与结霜期时相同。此时制冷剂从膨胀阀节流出 的低压低温制冷剂，通过三通阀进入保温水箱2 吸热 并过热后通过阀门23 进入蒸发器冷凝除霜，进而完 成循环。
此时水系统运行与结霜期时相同。 2.3 除霜方案原理
空气源热泵的除霜方案是参照文献[9]提出的方 法并加以改进的。从膨胀阀节流出来的低温低压液体 进入保温水箱2吸热汽化并过热后进入室外蒸发器除 霜后并保持气态进入压缩机完成循环，保温水箱 2不 仅要提供容霜所需的热量， 而且要提供机组正常运行 时制冷剂从蒸发端的吸热量。
热泵机组的 ph 见图4。其中流程41234为空 气源热泵正常运行时的循环流程。在除霜时的流程为 451234，
其中45过程为低温低压的制冷剂液体通 入保温水箱 2 吸热汽化并过热的过程，
51 为过热的 制冷剂通入蒸发器除霜过程。
图4 余热除霜方法循环原理
2.4 余热回收方案原理与换热器负荷分配
本研究旨在深度回收烟气中的显热和潜热， 采用 两级换热， 其中冷凝换热器为了深度回收烟气中的潜 热， 所以需要利用市政冷水温度低的特点将潜热充分
回收， 并且冷凝换热器的热负荷不宜过大， 只需要将潜 热释放掉就可以了， 这样进入冷凝器的水温不高可以
使热泵机组高效运行。而从冷凝器出来的热水依旧可
王凤予等： 基于大锅灶烟气余热回收的热泵热水系统设计 第39 卷第12 期 ·73·
以在高温烟气下加热到使用温度。
由于保温水箱 2的热量由显热换热器提供， 由计 算可知，显热换热器的设计热负荷应该不小于 13.6伊
24640/39168=8.6kW 。因此显热换热器热负荷按照 8.6 kW ，
由图1可知， 烟气放出8.6kW 热量时， 烟气温 度已经降低到了露点温度60.2益附近，
然后冷凝换热 器负荷为保险起见， 按照烟气温度从70益到环境温度 计算， 可以将烟气余热较好的回收，
冷凝换热器设计 热负荷为5.3kW 。
3 两个保温水箱的选型计算
3.1 保温水箱1选型计算
保温水箱1为供热水箱，
容积按下式计算： 式中： V 1 为保温水箱容积，
m 3
； n 为热泵机组个数， 个。 计算得保温水箱的容积为： V 1
=1.1伊 4500伊 7/(1000伊 4)=8.7m
3
。这里计算到了容积为储存一天的热水的容 积， 但是食堂为固定时间段使用的建筑物， 制备每餐 使用的热水量相似， 保温水箱只需能够储存一餐所需 的热水量即可， 这样可以减小保温水箱的容积。所以
储存每餐热水的容积为2.9m 3 ，这里选取容积为 3m
3
的保温水箱。
3.2 保温水箱2选型计算
保温水箱 2是为了提供除霜时的热量而设立的， 与保温水箱1分开设立，除霜时并不影响保温水箱1 的稳定性。
保温水箱 2 的容量设计要考虑除霜时需要多少 热量， 参照文献[10]的计算方法，
在结霜为 60min ， 除 霜 10 min 的工况下，
相对于制热量， 除霜所需的热量 为 188 kJ/kW ， 所以本文的热泵除霜所需热量为 10528kJ 。
保温水箱 2 在除霜时还需要提供蒸发器的吸热
量，
所以假定在蒸发温度为0 益的工况下运行时， 蒸发 器所需热量约为 7 益工况下的 70%，即 (5622.4)伊 0.7=23.52kW ，保温水箱 2还需要提供 14112kJ 的热
量， 保温水箱2 要在除霜的10min 内提供24640kJ 的 能量。
大锅灶的余热有13.6kW 的余热，假设烟气余热 回收装置的热效率为0.8，则可以回收10.88kW 的能
量， 60 min 内可以回收 39168kJ 的热量，很显然是足 够的。
保温水箱2的容量计算，假设保温水箱除霜后水 温从 80 益降为 50 益， 则需要水量 196kg ， 选用 200L 的保温水箱。
4 系统运行参数与节能分析
以设计工况为例， 冷水温度为 5 益， 环境温度为 7 益，水质量流量 v g =mq r 籽 /(4伊 9伊 1000伊 3600)=0.243 kg/s 。假设换热器的余热利用率为0.8， 则冷水通过冷 凝换热器后的温度t 2 =(13.68.6) 伊 0.8
/(0.243伊 4.187)+5= 8.9 益。
进入显热换热器的水温 t 3
=608.6伊 0.8/(0.243伊 4.187)=53.2 益。此时空气源热泵热水器的进出水温为
9.2 益/53.2 益，承担热负荷 Q 2 =4.187伊 0.243伊 (53.28.9) =45.1kW 。
则系统节能率 追 1
=145.1/56=19.5%，可以提高天 然气热能利用率追 2
=13.6伊 0.8/38.4=28%。 5 总结
利用燃气大锅灶烟气余热与直热式空气源热泵 联合供热水系统可以较好地为食堂提供热水， 达到节 能减排的目的。燃气大锅灶烟气余热量可以为直热式 空气源热泵除霜提供所需热量。 参考文献
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尔滨：哈尔滨工业大学,2007.
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