节能管道系统设计中的热泵、废水热回收

过去五年来，业主对生活热水(DHW)产生的看法发生了迅速变化，特别是在多户建筑中。随着对效率的日益关注，减少现场温室气体排放，以及降低公用事业成本的强烈愿望，热泵已经开始在管道领域爆发。

热泵解决方案适用于各种规模，是自引入冷凝锅炉以来管道行业最大的变化。他们带来了细致入微的设计，每个管道工程师和安装人员都需要知道。

从海岸到海岸，在许多州和城市之间，地方司法管辖区正在制定积极的能源效率要求，建筑性能标准和达到规范(可选的建筑能源效率标准，超过了国家的强制性要求)，推动建筑电气化和脱碳(见图1)。

这些效率目标需要先进的技术，而热泵完全符合要求。

最近通过的联邦立法为市场带来了更多的税收优惠，支持热泵技术的广泛采用，不仅用于地热发电，也用于空间供暖和制冷。虽然从技术角度来看并不新鲜，但热泵效率的不断提高现在使其成为几乎所有气候带的可行技术。

与传统电热水器相比，节能效果显著。

什么是热泵?

与以燃烧为基础的热泵不同，热泵不依赖于燃烧化石燃料来产生热量。相反，热泵利用蒸汽压缩循环将热量从一个位置移动到另一个位置。与电阻加热元件不同，热泵的电输入主要用于运行压缩机，压缩机为循环提供功输入。根据系统的效率，很小一部分的电输入被直接转换成热量。

如前所述，热泵主要用于将热量从一个位置移动到另一个位置，并且它们在这方面非常有效。通常，热泵的性能系数(COP)范围从2.5到超过4 COP。相比之下，锅炉的有效效率从0.85到0.97不等，这取决于它是否设计用于冷凝——热泵的效率通常要高出许多倍。

热泵提取能量的来源，以及该来源的介质，开始帮助我们对DHW应用中使用的热泵类型进行分类(见图2)。

•空气源热泵。顾名思义，它们使用周围的外部空气作为热源。热泵使用冷媒通过盘管从周围空气中提取热量。然后压缩机压缩制冷剂，迫使温度和压力上升。然后，热制冷剂通过热交换器或盘管，在那里它被用来加热水。

冷却后的高压制冷剂通过膨胀阀，膨胀阀释放压力，使制冷剂温度下降。然后冷的冷媒拒绝冷却到大气中，现在准备重复这个循环。环境温度越低，热泵从空气中提取热量的难度越大，这就降低了热泵的COP。

随着环境温度的下降，热泵的容量减小。这两个因素都意味着热泵设计、制冷剂选择和设备选择对于开发成功且具有成本效益的DHW解决方案至关重要(见图3)。

•水源热泵。与空气源类似，它们仍然依靠蒸汽压缩循环将热量从源转移到汇。然而，与空气源热泵不同，水源热泵依靠某种形式的配水网络作为热源。根据应用的规模和类型，水源差别很大。

它们可以连接到地环热交换器，冷凝器水循环，甚至建筑水循环冷却系统，作为热回收热泵，为建筑物提供免费冷冻水，同时提供DHW。由于水具有较高的热容量和较低的运输能量，水源热泵具有显着提高效率的潜力。它们的灵活性，特别是在大型开发和混合用途建筑中，使它们成为高效系统的绝佳选择。

热源温度事项

如前所述，对于DHW应用，源温度(也称为质量)越高，热泵的效率越高。确定项目中的高温源将提高效率，并增加水电费的节省。

例如，在寒冷的气候下，位于会议中心的减压空气集中室内的空气源热泵将比放置在室外的效率高得多。在设计热泵DHW系统时，高温源和热回收选项需要成为工程师首先考虑的问题。

在多户建筑中，大部分DHW用于淋浴和洗衣，热泵的最佳热源实际上是离开建筑的卫生废物。即使有节水型的管道装置，美国人平均每天仍要使用60加仑的水;其中大约一半的水被加热用于淋浴、洗涤、洗碗和洗衣。

流入下水道的废水仍然含有使用温水产生的能量。这种能量可以利用废水热泵系统技术来捕获。顾名思义，热泵冷却热废水，显著提高效率，同时减少温室气体排放(见图4)。

然而，废水热回收的挑战在于废水来源并不总是恒定的。为了使系统有效，来自管道装置的废水在离开现场之前被引导到现场水箱中。然后，在将水箱中的废水泵入废水回收热泵系统之前，对其进行固体筛选。

过滤后的废水随后通过热交换器，热交换器与热泵一起加热另一侧的生活用水，供建筑使用。一旦从废水中提取能量，它就会与分离的固体混合，并继续进入下水道系统。由于离开建筑物的废水通常高达75华氏度，这是一个非常高质量的源温度，这些系统可以全年返回4的COP，无论气候如何，都可以显著节省公用事业成本。

减少碳排放

然而，你不是在其他地方燃烧化石燃料来发电吗?这不是同样糟糕吗?

随着公用事业电网迅速增加零碳可再生能源的电力组合，热泵热水器的运行碳足迹继续下降，并将每年继续下降。由于热泵热水器非常高效，在今天的大多数州，热泵热水器在减少碳排放方面已经超过了燃烧锅炉。

在加利福尼亚州或华盛顿州等拥有特别绿色电网的州，即使没有额外的效率措施，今天改用热泵热水器也可以减少DHW系统40%以上的运行碳排放(见图5)。

即使在电网污染更严重的州，热泵热水器仍然可以减少碳排放。在这些国家，关注热回收策略和高效设备尤为重要。将这些系统与现场可再生能源系统(如太阳能光伏系统)相结合，可以显著减少碳排放。

此外，这种组合有助于使业主免受不可预测的公用事业成本和通货膨胀压力的影响，同时提供稳定性和成本节约。

在接下来的一篇文章中，我们将介绍热泵DHW系统的设计过程，从单通道到多通道，从中央到分布式系统。我们还将探讨为什么DHW存储与热泵热水器完美搭配，以降低首次成本并提高效率，并允许建筑物所有者利用负载转移来节省更多资金，同时减少排放。

斯特·桑伯恩是史密斯集团旧金山办事处的负责人、注册建筑师和机械工程学科负责人，在那里他领导脱碳工作和设计具有成本效益的净零碳建筑、校园和地区。

洛厄尔·马纳洛是史密斯集团西部地区管道学科的领导者。他是美国管道工程师协会的成员，拥有20多年设计各种建筑类型管道系统的经验。