王建栓張碧婷鄧娜王啟玉李杰朋曾鵬李悅瑋郭宇

1天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院 2天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 3中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司

0 引言

我國(guó)城市污水水溫在5～35℃[1-3]，冬暖夏涼，全年波動(dòng)不大，是優(yōu)良的低溫?zé)嵩?。?guó)家對(duì)高等教育日益重視，各大高校面臨擴(kuò)招，多為多校區(qū)運(yùn)作。由于市中心用地緊張，部分校區(qū)只能建于城郊。學(xué)校教學(xué)期間人口密集，冬夏有很大的冷熱需求，但寒暑假人數(shù)銳減，冷熱需求迅速減小，若采用市政熱網(wǎng)供熱，管網(wǎng)擴(kuò)建耗財(cái)耗力，且假期易造成大馬拉小車的局面，此時(shí)，污水熱能利用是很好的選擇，污水產(chǎn)量隨著校內(nèi)人口的增減而增減，若能對(duì)污水熱能進(jìn)行有效利用，勢(shì)必降低經(jīng)濟(jì)投入。

本文選取了天津市某高校一教學(xué)樓供暖季污水溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與用水?dāng)?shù)據(jù)，分析了教學(xué)樓建筑生活污水排放特性與影響因素，通過(guò)氣溫與污水特性的關(guān)聯(lián)規(guī)則確定了該季度的最不利情況。

1 污水流量排放特性

教學(xué)樓建筑是一種典型的校園公共建筑，教學(xué)活動(dòng)集中在白天，消耗的水資源多為常溫水，主要用于人員洗手、沖廁，產(chǎn)生的污水水質(zhì)復(fù)雜，與污水熱能直接相關(guān)的參數(shù)包括其流量、溫度，污水排量受人流量影響較大，教學(xué)活動(dòng)越頻繁，排量越大；污水溫度影響因素較多，如自來(lái)水水溫、氣溫等。本文涉及的教學(xué)樓建筑面積19882.9 m2，包括公共教室與專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)放時(shí)間比較靈活，大致為6:00～23:30。

1.1 污水流量估算方法

經(jīng)實(shí)地調(diào)研，該建筑生活污水在一口污水檢查井內(nèi)進(jìn)行集中排放，其排污管道內(nèi)多為非滿管流，甚至呈斷續(xù)流，其中不乏雜質(zhì)，對(duì)于該種性質(zhì)的流體，市面上尚無(wú)適宜的流量計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。本文從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處獲得該高校某宿舍樓群附近一口排污井2017年2月14日～2月22日污水日排量的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)量方法為體積-時(shí)間法，結(jié)合其中一宿舍樓用水量數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖1所示：

圖1 某宿舍樓日用水量與排污井污水實(shí)際日排量對(duì)照曲線

由于該建筑群均為宿舍樓，因此污水日排量與用水量聯(lián)系緊密，變化趨勢(shì)基本一致，由于所研究教學(xué)樓缺乏污水流量測(cè)量數(shù)據(jù)，因此本文根據(jù)該建筑逐時(shí)用水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)污水排量進(jìn)行估算，計(jì)算公式如下所示：

式中：Lw為生活污水逐時(shí)流量，m3/h；L為建筑逐時(shí)用水量，m3/h；α 為排水量折算系數(shù)，為 0.80～0.90[4]，此處取0.9。

1.2 污水日排放特性

該教學(xué)樓供暖季污水小時(shí)排放量介于0～9 m3之間，本文統(tǒng)計(jì)了每日各時(shí)段污水流量位于各流量區(qū)間的頻率，并繪于圖2中，可以看出春季供暖期排污量明顯高于冬季供暖期，這是由于該建筑投入使用時(shí)間不長(zhǎng)，學(xué)生數(shù)量與教學(xué)安排調(diào)整較大，春季學(xué)期的教學(xué)活動(dòng)明顯多于冬季學(xué)期，因此污水產(chǎn)量增多，而兩學(xué)期排污高峰均出現(xiàn)于9:00時(shí)、13:00時(shí)、20:00～21:00時(shí)，排污低谷出現(xiàn)于0:00～6:00時(shí)、11:00～12:00時(shí)、18:00～19:00時(shí)、23:00時(shí)，此結(jié)果與學(xué)生的學(xué)習(xí)作息規(guī)律保持一致。

圖2 供暖季污水排放量日分布

1.3 污水周排放特性

圖3展示了該建筑供暖季各周內(nèi)污水排放情況，其中春季學(xué)期從2月20日正式進(jìn)入教學(xué)周。顯然，污水日排量除在學(xué)期初和學(xué)期末有較大變化外，其余時(shí)段趨于平穩(wěn)，僅在周末期間出現(xiàn)低谷，整體上以周為單位呈現(xiàn)周期性變化，該結(jié)果是由建筑功能決定的。

圖3 供暖季污水日排放量曲線

2 污水溫度排放特性

考慮到排污管道內(nèi)可能為斷續(xù)流，當(dāng)污水流量很小時(shí)，其溫度受氣溫影響過(guò)大，因此將溫度測(cè)點(diǎn)布置于污水排水井的存水中，測(cè)溫設(shè)備每5 min測(cè)取一個(gè)數(shù)據(jù)。

2.1 污水溫度日變化

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：該教學(xué)樓供暖季污水溫度在冬季學(xué)期介于9.5～20.4℃之間，春季學(xué)期在7.7～20.5℃之間。圖4描述了該季度每日各時(shí)段污水溫度位于各溫度區(qū)間的頻率高低，顯然，1:00～7:00時(shí)、22:00～23:00時(shí)污水水溫較高，9:00～21:00時(shí)污水水溫較低。結(jié)合污水流量情況可以發(fā)現(xiàn)：排污量較大的時(shí)段，污水溫度相對(duì)較低。

圖4 供暖季污水溫度日分布

2.2 污水溫度季變化

圖5展示了該建筑供暖季內(nèi)污水日均溫度的變化情況，冬季學(xué)期污水溫度整體呈下降趨勢(shì)，最大溫差為7.32℃，春節(jié)學(xué)期污水溫度整體呈上升趨勢(shì)，最大溫差為6.15℃。

圖5 供暖季污水日均溫度曲線

3 污水溫度影響因素及預(yù)測(cè)

污水熱能大小取決于其溫度高低與流量多少[5]，其中污水流量變化規(guī)律性較強(qiáng)，量產(chǎn)穩(wěn)定，人員活動(dòng)期間，即有污水熱能可取，而溫度影響因素較多，無(wú)明顯規(guī)律，若能有效預(yù)測(cè)污水水溫，可對(duì)教學(xué)樓建筑生活污水熱能利用產(chǎn)生指導(dǎo)作用。

圖6 供暖季污水日均溫度、日均氣溫、日用水量對(duì)照曲線

事實(shí)上，測(cè)溫水體是該校園污水管網(wǎng)內(nèi)部存水中很小的一部分，該水體實(shí)質(zhì)上受到氣溫、建筑用水量和系統(tǒng)存水水溫三方面因素的影響，圖6展示了供暖季污水日均水溫、日用水量與日均氣溫三者的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)：污水水溫整體趨勢(shì)與氣象溫度整體趨勢(shì)保持一致，經(jīng)計(jì)算，冬季學(xué)期污水水溫與氣溫、建筑用水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.46、0.26，春季學(xué)期污水水溫與氣溫、建筑用水量的相關(guān)系數(shù)為0.66、0.73，顯然，隨著春季學(xué)期建筑用水量的增大，其對(duì)污水水溫的影響增大。系統(tǒng)存水水溫受土壤溫度與各建筑排水情況的影響，其變化規(guī)律難以掌握，上文提到，排污量大的時(shí)段，污水水溫較低，因此僅能推測(cè)系統(tǒng)存水水溫高于常溫水。

本文采用Apriori算法[6-7]對(duì)污水溫度在污水流量和氣象溫度影響下的逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了挖掘，其中，各物理量區(qū)間劃分情況如下表1所示：

表1 各物理量區(qū)間劃分表

挖掘得到的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則為：

本文認(rèn)為該規(guī)則實(shí)質(zhì)上預(yù)測(cè)了污水在供暖季最不利情況下的溫度，對(duì)污水熱能利用具有指導(dǎo)意義，理由如下：

污水小時(shí)流量在一定程度上可以代表污水熱能的大小，[0,1.8)m3/h為最低流量區(qū)間，此時(shí)污水熱能相對(duì)較小，其出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)為1303 h，占整個(gè)供暖季的47.8%；與之類似，室外時(shí)均氣溫在一定程度上可以代表建筑熱負(fù)荷的高低，[-9,-3)℃為最低溫度區(qū)間，也是建筑負(fù)荷最高的區(qū)間，其出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)為279 h，僅占整個(gè)供暖季的10.2%；而上述兩個(gè)區(qū)間同時(shí)出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)為216 h，但其中116 h分布在建筑不開(kāi)放的時(shí)段（0～5 h），因此若以[0,1.8)m3/h、[-9,3)℃為最不利情況，實(shí)質(zhì)上是對(duì)建筑負(fù)荷的過(guò)高估計(jì)，而反觀室外氣溫位于 [-3,3)℃的小時(shí)數(shù)為1146 h，占到了整個(gè)供暖季的42.1%，因此，選擇[0,1.8)m3/h、[-3,3)℃作為供暖季污水熱能利用最不利情況（不保證小時(shí)數(shù)為100 h），此時(shí)污水溫度預(yù)測(cè)值為[13,16)℃。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)天津市某高校一教學(xué)樓供暖季的用水?dāng)?shù)據(jù)、生活污水溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得結(jié)論如下：

1）教學(xué)樓建筑污水排放量主要受教學(xué)安排與人流量影響，排放高峰多出現(xiàn)于每日9:00時(shí)、13:00時(shí)、20:00～21:00時(shí)，排放低谷出現(xiàn)于0:00～6:00時(shí)、11:00～12:00時(shí)、18:00～19:00時(shí)、23:00時(shí)，日排放總量以周為單位呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

2）教學(xué)樓建筑污水溫度受室外氣溫、污水流量、排水管網(wǎng)存水溫度三方面因素的影響，在冬季學(xué)期介于9.5～20.4℃之間，春季學(xué)期介于7.7～20.5℃之間。

3）通過(guò)Apriori方法可以得到：當(dāng)污水流量為[0,1.8)m3/h，室外氣象溫度為[-3,3)℃時(shí)，污水溫度為[13,16)℃。該結(jié)果代表了供暖季最不利情況，對(duì)污水熱能利用具有指導(dǎo)意義。