朱一安 高 鵬 王 寧 馬新宇 國麗榮

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150036)

1 概述

目前，資源的節(jié)約與高效利用是熱點問題，我們針對某大學的浴池熱水供應系統(tǒng)進行改造優(yōu)化。校園屬于人員密度較大的公共場所，校園內(nèi)學生老師較多、并且學生大多離家較遠，衣食住行均在校園內(nèi)，所以需要為數(shù)量龐大的學生群體提供洗浴的場所。另外，能源與環(huán)境之間的矛盾也愈發(fā)嚴峻，燃煤鍋爐加熱熱水的方式能耗大、效率低、環(huán)境污染嚴重?？紤]到能源的可持續(xù)利用，減少能源的消耗，選擇對洗浴廢水的熱能進行回收利用，借助污水源熱泵提取洗浴廢水中的低品位熱能，加熱自來水，達到洗浴用水要求。系統(tǒng)運行后，設備參數(shù)符合預期值，后期又與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)作了經(jīng)濟成本方面的對比。

2 系統(tǒng)原理

2.1 原理

洗浴污水排水溫度為 32 ℃～35 ℃，意味著水中仍有一定的熱量，我們希望可以通過消耗少量電能，利用污水源熱泵將污水中的熱量提取出來以二次利用，提高能源利用率。如圖1系統(tǒng)原理所示，浴池污水中含有毛發(fā)和洗發(fā)露等固體、液體雜質(zhì)，相對于生活污水來說，水質(zhì)較干凈單一，所以應單獨設置浴池污水管路直接連接至獨立污水池，污水池中的洗浴污水經(jīng)過一級物化處理和二級生化處理，既降低污水腐蝕性，又能防止雜質(zhì)堵塞系統(tǒng)管路，確保系統(tǒng)的使用壽命，有利于污水熱量的提取。在進入污水換熱器之前，利用過濾器將污水中的雜質(zhì)排放到污水干渠中，過濾處理后的污水流入地下污水換熱池中，利用低溫載冷劑吸收熱量，蒸發(fā)器將熱量傳遞給熱泵中的制冷劑，最后通過冷凝器將熱量重新傳遞給即將使用的熱水從而實現(xiàn)了熱能的循環(huán)利用。

2.2 蒸發(fā)器換熱形式的選擇

按照換熱方式通常分為淋水式、浸泡式、管殼式和板式4類。淋水式為開式系統(tǒng)，直接將污水噴灑在換熱管上。由于考慮到疾病疫情等影響，淋水式換熱器雖然換熱系數(shù)高，但存在病原微生物及病毒擴散的風險，不適用人員密集的校園浴池場所。浸泡式是將換熱管束浸泡在污水中，該種方式無須考慮換熱器堵塞和病菌擴散風險，但是污水換熱器采用耐腐蝕的鎳銅合金材質(zhì)，換熱系數(shù)相對較小，并且需要較大體積的浸泡池和強制擾動水流措施，空間和維護管理要求高。考慮到污水中可能含有油性污物，流經(jīng)換熱器時會產(chǎn)生掛膜現(xiàn)象，從而增加換熱熱阻，影響換熱效率，因此采用管殼式換熱器，換熱時污水走殼程，并且設置自動反清洗裝置，定時進行反沖洗，保證換熱效率，提高熱能利用率。

2.3 蒸發(fā)器側(cè)一次換熱與二次換熱的選擇

一次換熱形式簡單、占地小、投資少。機組初始效率高不需要設置中介水泵，沒有額外電耗。但由于污水直接進入機組，需要采用昂貴的耐腐蝕材料，蒸發(fā)器換熱系數(shù)下降較快并且污水雜質(zhì)濾出量多，處理麻煩，機組運行工作條件差。二次換熱采用中介水換熱，機組腐蝕可能性降低，機組效率穩(wěn)定不需要過濾雜質(zhì)。結(jié)構(gòu)比較復雜、投資多。增加為二次換熱后，能效比下降，并且中介水泵有電耗。結(jié)合該大學實際情況需求，浴池污水水質(zhì)較好，腐蝕性較小且經(jīng)過過濾器的過濾后雜質(zhì)少。所以選用一次換熱的形式，結(jié)構(gòu)簡單，能效比高，沒有額外的電耗。

3 應用案例與對比分析

3.1 應用案例

采用污水源熱泵余熱回收技術(shù)來加熱洗浴熱水，是通過污水源熱泵機組提取當天洗浴廢水中的熱量，對自來水進行加熱。其工藝如下：澡堂洗浴后排出的廢水流入一個有效容積為50 m3的污水收集池內(nèi)。收集池內(nèi)的廢水通過水泵增壓泵入砂濾缸過濾，污水儲存到100 m3的污水池內(nèi)。再由STY-XY180 熱泵機組提取熱量，然后排走即可。自來水經(jīng)過熱泵機組加熱，最后與少量熱水摻混即可滿足洗浴要求，溫度可達42 ℃～46 ℃。

經(jīng)調(diào)研，該高校浴池每天營業(yè)10 h，其中3 h高峰期，其余時間人數(shù)相對減少，浴池共有60個噴頭，最多允許35個噴頭同時開啟，每人每次洗浴用水量約為100 L～200 L，按照平均每人150 L，每小時每個噴頭洗浴2人計算，最大小時用熱水量為10.5 t,浴池平均每天的洗浴用水量為68.4 t，符合實際調(diào)研記錄和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，設計熱量最大按每天需求69 t，46 ℃的熱水計算，自來水溫度4 ℃～5 ℃。

Q=cmΔt=4.2×69 000 kg×(46-4)=12 171 600 kJ。

計算得制熱量為140.88 kW，洗浴廢水排水溫度為 32 ℃～35 ℃，含有大量的熱能，并且廢水流量穩(wěn)定，水質(zhì)、水溫都無較大變化，受氣候影響較小，是污水源熱泵的理想熱源。故采用洗浴廢水熱能回收系統(tǒng)，提取污水中的低品位熱能，經(jīng)污水源熱泵轉(zhuǎn)換，對廢熱實現(xiàn)再次利用。根據(jù)上述計算結(jié)果選擇機組，如表1所示。

表1 污水源熱泵機組數(shù)據(jù)

3.2 與其他供熱水方式經(jīng)濟效益對比

為凸顯污水源熱泵熱水機組的優(yōu)越性，根據(jù)目前市場上各燃料價格，對供給單位水量的各種加熱方式的費用進行對比，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，以各種方式加熱水所耗費的資金對比來看，污水源熱泵熱水機組在耗費低這一方面具有巨大的優(yōu)勢，但僅憑這一點仍不足以完全顯示污水源熱泵的優(yōu)勢。于是我們再次以燃氣鍋爐和污水源熱泵進行各項細致的對比，結(jié)果如表2所示，我們可以看出雖然污水源熱泵的熱水機組初始投資高，但是熱效率較高，安全性好，使用壽命更長，不需要頻繁的更換設備，單是無污染這一優(yōu)點，便是一個值得推廣使用的理由。

表2 相同熱水量兩種加熱方式經(jīng)濟效益對比

3.3 應用案例綜合分析

由上述某大學洗浴廢水與污水源熱泵的結(jié)合案例，可以得出以下兩個結(jié)論：

1)采用直接式污水源熱泵系統(tǒng)，管殼式換熱器，是針對于該高校浴池位置、地下管路結(jié)構(gòu)，以及進行管路和地下污水換熱池的布置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟成本消耗低，加熱效率高，并且極大改善了資源利用結(jié)構(gòu)，管理維修方便，工作量小，設計合理。

2)在進行設計計算時以每天最多70 t用水量，溫度46 ℃的熱水計算，根據(jù)實際情況選用STY-XY180熱泵機組。自來水從4 ℃～5 ℃經(jīng)熱泵機組加熱，水溫可達42 ℃～46 ℃，完全滿足實際需求。

4 發(fā)展前景

4.1 機組防污技術(shù)的提高

污水源熱泵機組應用于該高校浴池的節(jié)能性與可行性已得到充分的論證，對于工廠企業(yè)排放的工業(yè)廢水，其中含有的廢水余熱更是不容小覷，但是污水水質(zhì)較差，摻混的雜質(zhì)也復雜多樣，所以這對于過濾消毒也提出了更高的要求，相應經(jīng)濟成本自然會隨之上升，并且熱泵在投入使用后所產(chǎn)生后續(xù)問題的可能性也會大大增加。所以將污水源熱泵應用于更廣泛的領(lǐng)域，重心應該放在水質(zhì)處理，一方面提升過濾消毒核心技術(shù)以降低成本，另一方面避免污水雜質(zhì)堵塞管路。

4.2 污水源熱泵在城市的發(fā)展應用

國家能源領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題是大力發(fā)展和規(guī)?；瘧眯履茉匆约翱稍偕茉?。開發(fā)利用現(xiàn)有的自然資源向城市供熱，以滿足經(jīng)濟建設發(fā)展的需要。以前“煙囪林立”，現(xiàn)在一個個小型鍋爐房被拆除，由集中供熱取代，鍋爐的安全性、可靠性和熱效率都相應提高，更節(jié)能更環(huán)保。目前多是以公司和個人的形式使用污水源熱泵機組，利在一人一戶，節(jié)能效果不明顯，而城市污水，水量大且易集中，具有得天獨厚的條件，利用機組回收城市污水中的熱能還可以降低城市廢熱的排放。對于具體利用，可以建設污水、廢水收集和輸送管網(wǎng)，建立污水源熱泵站和換熱站，與生活熱水供水管道、供熱管道連接，因地制宜，不但取得良好的經(jīng)濟效益，也有相當顯著的社會效益。