姚晨， 秦銘汐， 米長虹

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，哈爾濱 150090）

0 引言

低品位能源種類繁多，其中包含地?zé)崮堋⒖諝鉄崮?、海水熱能、污?廢水熱能等[1]，如加以回收利用，則能有效降低化石燃料燃燒，減少碳排放量。污水源熱泵作為低品位能源的一種，具有蘊(yùn)能高、便收集等特點(diǎn)，得到廣泛運(yùn)用。挪威、瑞士、日本等國率先發(fā)起對(duì)污水源熱泵的研究，當(dāng)下日本已完成將未作處理的污水或中水以及二級(jí)出水作為污水源熱泵的熱源使用。我國的研究相對(duì)起步較晚，首例污水源熱泵試驗(yàn)工程在2000年落地于北京高碑店污水處理廠[2]。浴室作為生活配套設(shè)施，是高校建筑必須設(shè)置的場所。高校公共浴室具有較大熱水使用規(guī)模，其排出的廢水溫度一般達(dá)到30℃以上，占據(jù)公共浴室熱能排放量的70%以上[3]。國家也出臺(tái)了相應(yīng)的扶持政策，鼓勵(lì)高校開展節(jié)約型校園建設(shè)活動(dòng)，地方政府也加大了專項(xiàng)資金的投入[4]。

針對(duì)當(dāng)前氣候變化，我國自2020年9月提出，碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值及2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，不同行業(yè)針對(duì)此目標(biāo)紛紛提出了各自的實(shí)施路徑[5]，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵是節(jié)能減排，建筑行業(yè)也應(yīng)加速推動(dòng)建筑節(jié)能，大力發(fā)展可再生能源以助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

文中以寒地地區(qū)遼寧南部某大學(xué)新建校區(qū)建筑施工設(shè)計(jì)為例，采用熱回收型熱泵熱水機(jī)組系統(tǒng)，依照用水量以及相關(guān)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)行整體熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行選型，從節(jié)能減排、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益角度作出分析與探討，給相關(guān)設(shè)計(jì)工作者們提供參考依據(jù)。

1 工程概況

工程為遼寧省營口市某大學(xué)的公共浴室，總建筑面積5520.69m2，建筑基底面積1840.23m2，地上三層，建筑高度為14.4m，其中一層、二層為公共浴室，共設(shè)置340只淋浴頭，三層為超市。生活用水水源為市政自來水管網(wǎng)，水壓為0.4MPa，地上均采用市政直供。市政污水接駁井位于單體西側(cè)，管徑為DN400mm，管道埋深為2.5m，滿足工程污廢水排放要求。項(xiàng)目所在地凍土深度為1.01m。

2 建設(shè)設(shè)計(jì)方案

2.1 洗浴熱水熱源選擇

根據(jù)公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程公共浴室設(shè)置集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)，不應(yīng)采用直接電加熱作為熱源，可選擇的熱源形式包括集中燃?xì)忮仩t或燃油鍋爐、空氣源熱泵、太陽能、污水源熱泵系統(tǒng)。

集中燃?xì)忮仩t或燃油鍋爐熱水系統(tǒng)雖穩(wěn)定節(jié)能，但設(shè)置在單體內(nèi)存在一定安全隱患，需擇地新建鍋爐房，會(huì)增大占地面積，且需要考慮泄爆措施，不宜在單體內(nèi)部及人員密集處設(shè)置；太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行成本低，但熱水系統(tǒng)不穩(wěn)定，舒適性較差，嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外溫度極低，管道故障率較高，后期維護(hù)較為困難；空氣源熱泵熱水系統(tǒng)非冬季運(yùn)行可節(jié)能環(huán)保，但冬季運(yùn)行時(shí)約30%熱量用于除霜，COP一般低于1.5，效率低，不經(jīng)濟(jì)，冬季輔助電大量集中使用，且根據(jù)GB 50015-2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》最冷月平均氣溫小于0℃的地區(qū)，不宜采用空氣源熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)。

根據(jù)項(xiàng)目地理位置、氣候條件及使用管理方式，經(jīng)過方案對(duì)比后，同時(shí)考慮本校近幾年其他老校區(qū)已建公共浴室均為污水源熱泵系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保，最終采用污水源熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)。通常洗浴后廢水溫度為33～37℃，污水源熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)的工作原理是利用現(xiàn)代熱能回收技術(shù)，對(duì)于洗浴后廢水進(jìn)行熱能的二次收集利用，再通過電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)做功，將廢水中的低品位熱能傳遞給蒸發(fā)器中制冷劑工質(zhì)，工質(zhì)通過吸收的能量而被汽化并壓縮為85～135℃的高溫高壓氣體，該氣體再通過冷凝器進(jìn)行冷凝釋放熱量，如此往復(fù)。傳熱工質(zhì)在此循環(huán)中通過相變而進(jìn)行能量傳遞，可將生活用洗浴冷水加熱至45～65℃，廢水熱量被利用后溫度降至4℃以下后排放，從而實(shí)現(xiàn)熱能回收。

2.2 熱水系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

公共浴室建筑設(shè)計(jì)方案中無地下室，設(shè)備用房在單體西側(cè)貼臨外墻區(qū)域，最初將污水池設(shè)置在建筑物西側(cè)，距離建筑3m的室外地下，方案可使廢熱回收熱水機(jī)組就近提取廢水中的熱量，但洗浴熱廢水排至污水池最短路徑距離近30m，熱損失較高，不利于熱量有效收集，且室外污水池覆土深度近1m，增加埋深同時(shí)提高了造價(jià)。

經(jīng)過研究及與建筑專業(yè)協(xié)調(diào)后，將污水池設(shè)置在單體內(nèi)一層淋浴區(qū)與設(shè)備用房之間更衣室的地下，使得淋浴廢水可直接以最短路徑進(jìn)入污水收集池，廢熱回收熱水機(jī)組的管路也大幅縮減，最大程度的減少了熱損失，如圖1所示。

圖1 一層平面布置

公共浴室為全日制集中熱水供應(yīng)，設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。污水源熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)以市政自來水管網(wǎng)供應(yīng)洗浴用水，以廢熱回收技術(shù)為核心，主要由污水池、污水廢熱回收熱水機(jī)組、污水熱能提取裝置、載冷劑膨脹水箱、機(jī)房熱回收風(fēng)盤、不銹鋼儲(chǔ)熱水箱、熱媒循環(huán)水泵、熱水供水泵組等組成。余熱回收系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

表1 公共浴室設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)

圖2 公共浴室余熱回收系統(tǒng)原理

洗浴廢水在初始運(yùn)行階段，由于污水池中的廢水流量較低時(shí)，可回收的熱量較低，通過機(jī)房熱回收風(fēng)盤及廢熱回收熱水機(jī)組的輔助電加熱系統(tǒng)對(duì)自來水進(jìn)行加熱以提供初始熱水；待廢水流量的不斷增大，可回收的熱量逐步增多，僅少量的電能輸入即可提供設(shè)計(jì)溫度為60℃洗浴熱水，儲(chǔ)存于儲(chǔ)熱水箱內(nèi)，通過熱水供水泵組供應(yīng)至淋浴噴頭。營業(yè)時(shí)間段結(jié)束后，污水源熱泵機(jī)組繼續(xù)工作，將廢水中熱量充分回收，廢水溫度大多下降至4℃后機(jī)組停止工作，廢水排放至市政污水管網(wǎng)。

熱水采用機(jī)械全循環(huán)供水，當(dāng)循環(huán)泵中的回水溫度低于50℃時(shí)，開啟循環(huán)泵加熱。熱水采用污水源熱泵集中制備，貯存于儲(chǔ)熱水箱內(nèi)，儲(chǔ)熱水箱設(shè)在公共浴室一層的設(shè)備用房內(nèi)。生活儲(chǔ)熱水箱由校區(qū)物業(yè)定期高溫消毒，保證水質(zhì)的衛(wèi)生安全。設(shè)計(jì)熱水出水溫度60℃，水質(zhì)滿足CJ/T 521-2018《生活熱水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》。

2.3 工程項(xiàng)目機(jī)組設(shè)計(jì)

污水源熱泵廢熱回收系統(tǒng)主要由熱水機(jī)組和污水集熱器組成，污水集熱器是系統(tǒng)的核心部分，安裝在污水池內(nèi)，提取污廢水中的熱量。工程污水池僅收集浴室廢水，不收集糞便污水，雖然廢水成分較原生污水成分單一，但水中仍含有大量油脂、雜質(zhì)及堿酸鹽化合物等成分，該成分是造成集熱器堵塞、結(jié)垢與腐蝕，最終導(dǎo)致流體阻力加大，傳熱效率降低，甚至傳熱器失效的主要因素，因此集熱器的選擇較為重要，污水集熱器根據(jù)不同材質(zhì)可分為金屬集熱器和非金屬集熱器，金屬集熱器傳熱系數(shù)高，但極易腐蝕與堵塞，且不易清洗[6]。工程最終選擇不易腐蝕與結(jié)垢且不易掛油膜的非金屬材質(zhì)集熱器，浸入式結(jié)構(gòu)。

熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量為1988MJ/h，所需貯熱水箱的總有效容積為104m3，設(shè)計(jì)采用兩座L×B×H=7m×4m×3m不銹鋼貯熱水箱，外層敷設(shè)50mm聚氨酯保溫外殼以減少熱損失，有效水深2.2m。工程熱泵機(jī)組型號(hào)參數(shù)及主要設(shè)備分別見表2、表3。

表2 熱泵機(jī)組主要參數(shù)

表3 公共浴室主要設(shè)備參數(shù)

3 節(jié)能、環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 節(jié)能效益分析

工程公共浴室洗浴熱水需求量按100m3/d計(jì)算，參考GB 50015-2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范設(shè)定冷水溫度4℃，熱水溫度60℃，則每噸熱水加熱所需要的熱量為：

式中，Qw為機(jī)組加熱熱水所需的熱量，kW·h；V為熱水水量，m3；ρ為水的密度，kg/m3；C 為水的比熱，kcal/（kg·℃）；t1為冷水溫度，℃；t2為熱水機(jī)組出水溫度，℃。

污水源熱泵機(jī)組提取污水中82.8%的熱量，機(jī)組通過電運(yùn)行過程中產(chǎn)生17.2%的熱量，進(jìn)而將全部熱量轉(zhuǎn)化為熱水，實(shí)現(xiàn)能量平衡。因此每加熱100t水所需要消耗的電能為11.2kW·h。

針對(duì)集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)較為常見的熱源形式，以1t水溫度提升56℃為基準(zhǔn)進(jìn)行能耗對(duì)比，如表4所示。

表4 不同熱源形式能耗對(duì)比

根據(jù)折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)換算，不同集中供熱熱源形式在提供相同熱量所需的能源消耗相比較，電鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t及空氣源熱泵系統(tǒng)需要燃燒的標(biāo)準(zhǔn)煤分別為污水源熱泵的6.2、1.9、2.2及1.5倍，每噸水提升56℃所節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤分別為23.2、4.1、5.3、2.1kg。

3.2 環(huán)境效益分析

從環(huán)境效益角度講，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒能夠產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、碳排放量分別為2.5、0.075、0.0375、0.68kg，同時(shí)燃燒還會(huì)伴隨粉塵、PM2.5等有害顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生[7]，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。工程設(shè)計(jì)每年生產(chǎn)熱水量約為29500m3，經(jīng)計(jì)算污水源熱泵系統(tǒng)每年運(yùn)行產(chǎn)生的污染物減少量見表5，污水源熱泵系統(tǒng)較其他熱源形式產(chǎn)生的污染物排放量大幅縮減，可見該系統(tǒng)能夠響應(yīng)國家對(duì)于低碳發(fā)展的要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

表5 污水源熱泵系統(tǒng)每年污染物排放減少量對(duì)比 kg

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

工程不同熱源形式每年運(yùn)行費(fèi)用如表6所示。污水源熱泵年運(yùn)行費(fèi)用分別為電鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、空氣源熱泵系統(tǒng)的16%、24%、38%、69%，可見污水源熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

表6 年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

每噸熱水加熱運(yùn)行成本計(jì)算公式為：

式中，S為熱水加熱運(yùn)行成本，元；Qw為每噸熱水加熱需要的熱量，kcal；q為能源熱值，kcal/（kW·h）、kcal/kg、kcal/m3；Y為能源價(jià)格，元；η為熱效率或效能比。

污水源熱泵能夠有效將洗浴廢水中的熱能循環(huán)利用，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。雖然前期投入成本相對(duì)較高，但應(yīng)用后期能夠大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用和人工成本，且具有良好的穩(wěn)定性和較長的使用壽命[8]，因而得到廣泛的應(yīng)用。熱回收型污水源熱泵熱水機(jī)組系統(tǒng)，利用現(xiàn)代熱能回收技術(shù)，對(duì)洗浴后的污水進(jìn)行熱能提取，并按照“逆卡諾循環(huán)原理”，通過電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)做功產(chǎn)生新的洗浴用水，進(jìn)而能夠有效地對(duì)洗浴廢水回收利用，獲得良好的經(jīng)濟(jì)與節(jié)能效益。

4 結(jié)語

通過以上分析，得出如下結(jié)論：

（1）寒冷地區(qū)公共浴室集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)宜采用污水源熱泵系統(tǒng)作為熱源方式，在工程方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)協(xié)調(diào)其他專業(yè)，盡量將系統(tǒng)機(jī)組進(jìn)行集中化，以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的熱損失。

（2）洗浴廢水中含有大量油脂、雜質(zhì)及堿酸鹽化合物等成分，應(yīng)選用不易腐蝕與結(jié)垢且不易掛油膜的非金屬材質(zhì)集熱器，浸入式結(jié)構(gòu)。

（3）污水源熱泵需要燃燒的標(biāo)準(zhǔn)煤分別為電鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、空氣源熱泵的16%、52%、50%、68%，能有效降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、碳排放量，節(jié)能環(huán)保。

（4）污水源熱泵年運(yùn)行費(fèi)用分別為電鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、空氣源熱泵系統(tǒng)的16%、24%、38%、69%，具有更長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

（5）將高校公共浴室排放廢水中能源加以利用，既可減少煤炭等化石燃料的消耗，實(shí)現(xiàn)低碳排放及能源循環(huán)利用，又大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用及人工成本，為社會(huì)節(jié)能減排創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。