劉嘉明 狄育慧 劉 洋

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高校洗浴廢熱水熱能回收系統(tǒng)設(shè)計

劉嘉明 狄育慧 劉 洋

（西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048）

使用污水源熱泵以回收集體浴室洗浴廢熱水中部分低品位熱能是一種較為高效的余熱回收利用方式。以長沙某高校學(xué)生浴室為藍(lán)本進(jìn)行余熱回收改造，在原有燃?xì)忮仩t的基礎(chǔ)上，首先對洗浴廢熱水的水質(zhì)進(jìn)行分析，得出由過濾器處理后的廢熱水通過熱泵間接換熱方式的可行性，以此確定熱泵-鍋爐聯(lián)供方案。并且對燃?xì)忮仩t和污水源熱泵的供熱方式進(jìn)行熱力學(xué)分析，計算得出聯(lián)供系統(tǒng)全年可節(jié)約開支4.84萬元，減少1.952×105kWh的能源消耗，節(jié)能比為27%。最后對聯(lián)供系統(tǒng)中一些關(guān)鍵設(shè)備及因素的熱經(jīng)濟性分析，得出熱泵負(fù)荷比為30%，其靜態(tài)回收期為3.32年。聯(lián)供系統(tǒng)能量利用合理，且該系統(tǒng)在技術(shù)上可靠，經(jīng)濟上可行，節(jié)能意義突出。

污水源熱泵；余熱回收；換熱器；經(jīng)濟性

0 引言

隨著我國經(jīng)濟與社會的快速發(fā)展和進(jìn)步，人們不斷努力提高生活舒適性的同時加劇了能源的消耗速率，能源問題的影響已日益凸顯[1]。迫切需要建立一種可持續(xù)的能源系統(tǒng)，即發(fā)展新能源和節(jié)能降耗齊頭并進(jìn)。從節(jié)能降耗的角度對現(xiàn)有能量利用系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造[2]，以提高能源的梯級利用效率，目前生活熱水能耗在建筑能耗中緊靠空調(diào)能耗之后[3]。以學(xué)生集體浴室為例，洗浴廢熱水的水溫通常維持在30 ℃至35 ℃之間，若向集體浴室供以40 ℃的洗浴用水，則洗浴廢水的水溫可維持在35 ℃，約有80%的熱量未被有效利用[4]，且洗浴廢水流量巨大、溫度波動幅度較小，該部分余熱回收利用價值空間較大。而學(xué)生浴室的通常做法則是將溫度高于環(huán)境溫度的洗浴廢水直接排入污水系統(tǒng)，使得該部分可觀的熱量未被有效回收利用，造成了能源的巨大浪費[5]，且加劇環(huán)境熱污染。若使用熱泵技術(shù)加以余熱回收利用，將其作為穩(wěn)定熱源向低溫自來水放熱[6]，以加熱洗浴用水，為原有鍋爐加熱設(shè)備分擔(dān)部分熱負(fù)荷，減少原有燃?xì)忮仩t能源消耗，也是一種節(jié)能環(huán)保的能量利用方式。相比于使用較為廣泛的空氣源熱泵，污水源熱泵能夠節(jié)約34%的電能消耗[7,8]，便達(dá)到所需的設(shè)計溫度。然而高?，F(xiàn)有集體浴室均有獨立的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，本文針對長沙某高校學(xué)生澡堂現(xiàn)有水路系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收改造，關(guān)鍵考慮污水源熱泵與原有熱水鍋爐的負(fù)荷匹配設(shè)計，負(fù)荷匹配對聯(lián)供系統(tǒng)的可行性及節(jié)能性至關(guān)重要。因此本文從工程實際出發(fā)，計算負(fù)荷匹配的同時，詳細(xì)闡述聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計的全過程，剖析系統(tǒng)可行性和合理性，并分析系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在原有燃?xì)忮仩t加熱系統(tǒng)基礎(chǔ)上加入一套污水源熱泵系統(tǒng)并使用板式換熱器間接提取洗浴廢熱水中的可利用余熱，即構(gòu)成熱泵-鍋爐聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)流程如圖1所示。預(yù)存在廢水池中的廢熱水經(jīng)過過濾器處理后，在板換中降溫后排入市政污水管網(wǎng)。板換中的載熱介質(zhì)再與蒸發(fā)器中的制冷劑換熱，吸熱氣化的制冷劑氣體進(jìn)入壓縮機，被壓縮為高溫高壓的蒸氣，蒸氣再進(jìn)入冷凝器冷凝放熱，熱量被流經(jīng)冷凝器的低溫自來水吸收，水在升溫后進(jìn)入蓄熱水箱1中，再流經(jīng)蓄熱水箱2依靠供水壓差，由送水管送至浴室供洗浴使用。冷凝后的高溫高壓制冷劑的飽和液經(jīng)節(jié)流機構(gòu)降壓后重新流入蒸發(fā)器循環(huán)上述步驟。系統(tǒng)能量流動方向則是熱泵機組所耗電能外加從廢熱水中回收的熱能一起輸送至冷凝器，用以加熱部分洗浴用熱水。

由于污水源熱泵機組并未承擔(dān)全部洗浴熱負(fù)荷，部分熱負(fù)荷由燃?xì)忮仩t承擔(dān)。另一部分的熱水在鍋爐中加熱到設(shè)計溫度要求后送入蓄熱水箱2，與蓄熱水箱1中的熱水混合后經(jīng)送水管路送入浴室供洗浴使用。整個循環(huán)過程不僅減少了一次能源的消耗并且回收廢熱水中的余熱量，有助于減輕城市熱污染。

圖1 熱泵-鍋爐聯(lián)供系統(tǒng)流程圖

2 熱泵循環(huán)熱力計算

由聯(lián)供系統(tǒng)流程圖（圖1）可進(jìn)一步得出聯(lián)供系統(tǒng)的計算流程圖，如圖2[4]所示。

圖2 聯(lián)供系統(tǒng)計算流程圖

計算過程如下：

洗浴水總流量3（m3/h）：

式中：為每人每天洗浴用水量，；為每天洗浴人數(shù)；為每天浴室開放時間，小時。

廢水流量5（m3/h）：

式中：為廢水收集系數(shù)。

熱泵供熱流量1（m3/h）：

通過連續(xù)調(diào)查采樣，該浴室每天洗浴人數(shù)約有1800人，人均用水量約為50 L，浴室開放時間自下午14點至晚22點，共計8小時。故依據(jù)計算流程圖可計算得出熱泵供熱流量為3.88 m3/h，進(jìn)而得到鍋爐供熱流量為7.37 m3/h。再確定蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過熱過冷度及壓縮機吸氣溫度，即確定熱力循環(huán)過程后繪制壓焓圖計算得到熱泵負(fù)荷為90.8 kW，相應(yīng)的鍋爐負(fù)荷為212.71 kW，熱力循環(huán)計算結(jié)果如表1所示。

表1 熱力循環(huán)計算

3 壓縮機的選型計算

壓縮機在熱泵系統(tǒng)中屬于核心部件之一也是動力源部件，其作用在于電能驅(qū)動連桿機構(gòu)以消耗機械能的方式壓縮來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣，將高溫高壓狀態(tài)下的蒸汽排向冷凝器冷凝放熱。經(jīng)冷凝節(jié)流后的制冷劑流向蒸發(fā)器，再汽化后進(jìn)入壓縮機從而實現(xiàn)了壓縮機驅(qū)動制冷系統(tǒng)中制冷劑的循環(huán)流動。考慮熱泵機組的負(fù)荷量，可選用離心式壓縮機用于以R134a為制冷工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)中。實際壓縮過程中由于存在各種損失，壓縮機電動機的輸入功率[9]可以表示為：

式中：η為指示效率；η為摩擦效率；η為傳動效率；η為電動機效率，故可計算得出輸入功率為10.77 kW。由上述效率可以計算得出壓縮機的指示功率P為8.72 kW，軸功率P為9.69 kW；輸出功率P為10.66 kW。

由此計算得出性能參數(shù)：

計算得到壓縮機輸入功率為10.77 kW，考慮到要具有一定的裕量，故可參考丹佛斯SC12GX型，功率為11.82 kW，富裕量約為9%，故符合設(shè)計要求。

4 冷凝器的設(shè)計

冷凝器的功能是將壓縮機排出的高溫高壓制冷劑蒸氣冷凝成飽和液體，將制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量及與壓縮機功率相當(dāng)?shù)臒崃恐娃D(zhuǎn)移至換熱介質(zhì)中。本次設(shè)計采用滾軋低翅片傳熱管，傳熱管內(nèi)徑D=10.4 mm；翅根基圓外徑0=12.4 mm；翅頂圓直徑D=15.1 mm；翅片厚度δ=0.4 mm，翅片節(jié)距S=1.2 mm，由此計算得出每米管長的管外總面積為0.139 m2。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)[11]，初步取按管外面積計算的熱流密度q=7000 W/m2，且由熱力循環(huán)計算中得到冷凝器的冷凝負(fù)荷，計算得出應(yīng)布置傳熱面積為12.97 m2，則應(yīng)布置有效總管長為93.31 m。為保證換熱效果，需將管內(nèi)流速控制在合理范圍內(nèi)。取管內(nèi)水流流速V=0.5 m/s，則每流程管數(shù)=21，為使傳熱管排列有序及左右對稱，共布置84根管。

管內(nèi)平均水流流速V按下式[10]計算：

計算得出水流平均流速為0.49 m/s，計算值與擬取值誤差在允許范圍內(nèi)，故設(shè)計合理。查閱資料得知，當(dāng)流程數(shù)為4時，有效單管長度L=1.38 m，實際布置管外冷凝傳熱面積F可按下式計算：

實際布置冷凝面積為16.11 m2，根據(jù)特征溫度選取R134a的特征物性參數(shù)B=1593.8，則水側(cè)換熱系數(shù)為3024 W/(m2·℃)。R134a側(cè)冷凝表面換熱系數(shù)按下述方法計算，取管排修正系數(shù)為0.92，冷凝器中熱泵工質(zhì)與水之間對數(shù)平均溫差為13.95 ℃，取水側(cè)污垢系數(shù)R=0.000086（m2·℃）/W，銅材料的導(dǎo)熱率=393 W/（m·℃）。則基于管外表面積的熱流密度的計算值為5053 W/(m2·℃)，同時必須考慮水側(cè)流動阻力的問題，流動阻力計算值為3296.4 Pa（取端板厚度B=0.03 m）。

綜上，該臥式殼管式冷凝器的總體設(shè)計情況為：采用低翅片管84根，每根傳熱管有效長度1380 mm，管板厚度取30 mm，考慮到傳熱管與管板之間脹管加工要求，其兩端各伸出3 mm，傳熱管的實際下料長度為1446 mm。

5 蒸發(fā)器的設(shè)計

干式殼管式蒸發(fā)器的制冷劑在管內(nèi)流動，被冷卻液體在管束外部空間流動，筒體內(nèi)橫跨管束裝有若干折流板，以增加換熱擾動，增加液體橫掠管束的流速，可達(dá)到增強換熱的目的。直管式干式蒸發(fā)器由于載冷劑側(cè)的對流換熱系數(shù)較高，換熱能力相對突出，技術(shù)上成熟可靠且被廣泛應(yīng)用，故設(shè)計選用干式蒸發(fā)器。

蒸發(fā)器的設(shè)計與冷凝器的設(shè)計流程大致相 同[10]，這里只作簡要概述。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)[11]，預(yù)取管外側(cè)熱流密度q=q=6400 W/m2，計算得出管外傳熱面積F為13.2 m2。取傳熱管管外徑0=12 mm，管內(nèi)徑D=10 mm，管壁厚=1 mm，內(nèi)外管表面之間的中間傳熱面直徑D=11 mm，取管子中心距=16 mm，管子按正三角形排列。

則蒸發(fā)器的有效傳熱面積為19.7 m2，水在殼程縱向與橫向的平均流速為0.325 m/s，依據(jù)雷諾數(shù)確定普朗特數(shù)和導(dǎo)熱率，由此便可算出水在管外流動的換熱系數(shù)為3218 W/(m2·℃)。熱泵工質(zhì)側(cè)的實際傳熱系數(shù)為911 W/(m2·℃)，故計算得出基于傳熱管外表面實際的傳熱面積為19.28 m2，有一定的富裕量滿足設(shè)計要求。

蒸發(fā)器同樣需要考慮壓降問題，水側(cè)的流動壓降由3部分組成，分別是流經(jīng)每塊折流板缺口的流動壓降、每流過兩折流板之間的通道的一次壓降、水在管間平行流動時的壓降。匯總得出水在臥式殼管式蒸發(fā)器殼程中的流動總壓降為899.5 Pa。

6 節(jié)流裝置及輔助設(shè)備

本系統(tǒng)中制冷劑的充注量實際由3部分組成，分別是蒸發(fā)器、冷凝器和管道中的制冷劑流量構(gòu)成。若充注量不足，蒸發(fā)器換熱面積不能得到充分利用，蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度增加，壓縮機排氣溫度升高，影響壓縮機的使用壽命。若充注量過多，致使蒸發(fā)壓力升高，傳熱溫差減小冷凝壓力升高，壓縮機耗工增加，嚴(yán)重時則會產(chǎn)生壓縮機的液擊現(xiàn)象。故適量R134a的充注則可保證機組正常穩(wěn)定的運行。分析認(rèn)為可選用外平衡式熱力膨脹閥即可滿足節(jié)流要求，選配時閥的容量應(yīng)與蒸發(fā)器制冷量相匹配，故可參考上海沁華制冷設(shè)備有限公司TE5-TE55-41型熱力膨脹閥。

再依據(jù)系統(tǒng)特點選擇嘉實多ICEMATIC SW68合成冷凍機油、STAS967型干燥過濾器和EVR25型電磁閥，以共同維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運行。污水泵要依據(jù)計算所得的流量外加所需克服的管路壓降和水頭高度共同決定水泵的選型。

7 經(jīng)濟性分析

基于上述分析，本文對熱泵-鍋爐聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟性分析，計算基準(zhǔn)是靜態(tài)投資回收期。一般回收期小于5年是可取的，若大于5年則需要多方面分析其利弊。該工程現(xiàn)有燃?xì)忮仩t一臺，蓄熱水罐一個和一個可以直接利用的廢水收集池，需要增加的設(shè)備主要是污水源熱泵機組，板式換熱器，蓄熱保溫水箱和污水過濾器，聯(lián)供系統(tǒng)總體情況如表2所示。

表2 聯(lián)供系統(tǒng)整體分析

采用長沙地區(qū)現(xiàn)行天然氣價格3元/m3，現(xiàn)行電價0.805元/kWh，計算得到熱泵年運行電費1.87萬元，污水源熱泵機組初投資為16.05萬元。鍋爐若承擔(dān)全部熱負(fù)荷，燃?xì)忮仩t系統(tǒng)全年實際耗能7.27×105kWh，鍋爐燃?xì)獬杀緸?2.32萬元。由于工程改造熱泵承擔(dān)部分熱負(fù)荷，鍋爐實際能耗為5.088×105kWh，改造后全年可節(jié)約資金4.84萬元，減少1.952×105kWh的能耗量，熱泵機組靜態(tài)投資回收期為3.32年。

8 結(jié)束語

（1）對長沙市某高校學(xué)生公共浴室洗浴熱水供應(yīng)情況及洗浴廢熱水進(jìn)行分析，并進(jìn)行污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計，組成熱泵-鍋爐聯(lián)供熱水系統(tǒng)，結(jié)合與單一鍋爐無余熱回收系統(tǒng)對比，得出該工程采用污水源熱泵技術(shù)是合理的。

（2）污水源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能降耗的作用，能夠充分回收高于環(huán)境溫度的洗浴廢熱水中的余熱量，減少鍋爐一次能源使用量的同時有效緩解城市環(huán)境熱污染。流量穩(wěn)定的洗浴廢熱水為熱泵提供穩(wěn)定的低溫?zé)嵩?，提高供熱系統(tǒng)的可靠性，也節(jié)約了運行費用的支出。當(dāng)前高校眾多適度推廣污水源熱泵在學(xué)生浴室節(jié)能改造中的應(yīng)用，可有效緩解地區(qū)能源緊缺的現(xiàn)狀。

（3）污水源熱泵與鍋爐的負(fù)荷匹配合理，熱泵系統(tǒng)各主要部件在設(shè)計時均有一定的富裕量，保證各項功能均能穩(wěn)定運行，滿足設(shè)計規(guī)范符合要求的同時并未增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

（4）采用污水源熱泵系統(tǒng)，機組設(shè)備的投資將會有較大幅度的增加。但聯(lián)供系統(tǒng)運行支出費用下降幅度可觀，在合理設(shè)計下污水源熱泵機組的靜態(tài)回收期為3.32年，可減少1.952×105kWh的能耗量，節(jié)能比為27%，節(jié)能意義突出。隨著設(shè)計方法的不斷推進(jìn)，技術(shù)的不斷更新，污水源熱泵系統(tǒng)將得到更大的發(fā)展與推廣，本次設(shè)計也為后續(xù)改造與研究提供重要的參考價值。

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Design of Waste Recovery System of Public Bath Sewage Based on Sewage Heat Pump in the University

Liu Jiaming Di Yuhui Liu Yang

( Xi'an Polytechnic University, College of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi'an, 710048 )

The use of sewage source heat pump to recover the collective bathroom bath waste hot water part of the low-grade heat is a more efficient waste heat recycling. Based on the original gas-fired boiler, the water quality of the waste water of the bath was analyzed, and the waste heat water treated by the filter was passed through the indirect heat exchange of the heat pump. Feasibility, in order to determine the heat pump - boiler joint supply program. And the heating analysis of the heating mode of the gas boiler and the sewage source heat pump, calculated that the joint supply system can save the expenses of 4.84 million yuan and reduce the energy consumption of 1.952×105kWh. Finally, the heat economy analysis of some key equipment and factors in the system is analyzed, and the heat pump load ratio is 30%. The static recovery period is 3.32 years. The power supply system is reasonable, and the system is technically reliable, economically feasible and energy efficient.

sewage source heat pump; recovery of waste heat; energy-saving; economy

1671-6612（2018）04-406-05

TU831

A

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化項目資助（項目編號：15JF017）

劉嘉明（1993.10-），男，在讀研究生，E-mail：1318165612@qq.com

狄育慧（1964.02-），女，博士，教授，E-mail：470836165@qq.com

2017-10-27