高校洗浴廢水余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計研究

史晨曦 狄育慧 蔣 婧

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

0 引言

洗浴廢水是生活污水的主要來源之一[1-3]。洗浴廢水按照來源的不同可分為：公共浴池洗浴廢水、學(xué)校洗浴廢水和居民洗浴廢水三大類，其中公共浴池洗浴廢水和學(xué)校洗浴廢水因為水量充足且流量穩(wěn)定容易被回收利用，而且其排水溫度較高[4]。且目前我國對于洗浴廢水處理的辦法就是直接排放到管網(wǎng)中，因此對于污水中的大量的低品位熱能未進行利用，造成了能源的極大浪費。目前，隨著污水源熱泵在我國的興起，讓這一部分的余熱回收利用成為可能。在國外，Baekl[5]等研究以桑拿廢水為低溫?zé)嵩吹膲嚎s式熱泵，利用峰谷電差蓄熱，為桑拿中心供熱水。并利用TRNSYS 搭建了仿真平臺對整個系統(tǒng)進行模擬。對于國內(nèi)，大連理工大學(xué)鄭曉琴[6]建立了以洗浴廢水為低溫?zé)嵩吹奈鬯礋岜媚Ｐ?，并模擬了該系統(tǒng)的運行情況，得出系統(tǒng)運行COP 可達5.2。清華大學(xué)安青松[7]研究了污水源熱泵在集中浴室廢水余熱利用，分析對比洗浴廢水與城市二級水，表明利用熱泵回收浴室廢水余熱的可行性；污水源熱泵通過消耗少量的電能從污水汲取低品位熱能使其轉(zhuǎn)化成高品位熱能[8]滿足人們的日常所需。

文中主要針對學(xué)校洗浴廢水，結(jié)合某高校學(xué)生浴池具體使用情況進行調(diào)查測試，收集數(shù)據(jù)資料，針對其特點進行分析。為其設(shè)計一套與原系統(tǒng)耦合的污水源熱泵回收系統(tǒng)。

1 項目基本情況

該高校占地面積108 萬平方米，建筑面積53萬平方米，分為A 和B 兩校區(qū)。本次調(diào)查測試主要針對于B，B 校區(qū)目前擁有全日制在校生13000余名。該校區(qū)學(xué)生浴池冬季熱水來源由學(xué)校南鍋爐房供給，將加熱后蒸汽送至鍋爐房二樓與自來水進行換熱，使水溫升高至60℃，然后通過供水管道將熱水輸送至洗浴中心，由學(xué)生通過調(diào)節(jié)末端閥門進行冷熱水調(diào)節(jié)，其他季節(jié)均采用空氣源熱泵加熱的方式來制取熱水。學(xué)生浴池目前未設(shè)置洗浴污水余熱回收系統(tǒng)，洗浴廢水直接通過學(xué)校污水管網(wǎng)排出。鍋爐房設(shè)備為2 臺江蘇雙良鍋爐有限公司生產(chǎn)WNS10-1.0-QT 全自動燃油（氣）蒸汽鍋爐組成，如圖1 所示，該鍋爐的技術(shù)參數(shù)如表1 所示，現(xiàn)有浴室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)有浴室系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of the bathroom system

表1 WNS10-1.0-QT 全自動燃油（氣）蒸汽鍋爐技術(shù)參數(shù)Table 1 The WNS10-1.0-QT is fully automatic Technical parameters of fuel fuel(gas)steam boiler

圖1 西安某高校學(xué)生浴室熱水供應(yīng)鍋爐Fig.1 Hot water supply boiler for a college student bathroom in Xi'an

學(xué)生浴池分為上下兩層且構(gòu)造相同，二樓為女生浴池，一樓為男生浴池。共有浴頭數(shù)量308 個，其中包括218 個單人洗浴和90 個開放洗浴。冬夏季開放時間均為10:00—22:00，日供水時間為12個小時，年平均運行時間280 天。

2 數(shù)據(jù)調(diào)查及分析

為了給本論文提供真實可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，數(shù)據(jù)來源采用現(xiàn)場實測的方式進行。筆者通過調(diào)查統(tǒng)計該高校2021年11月份30 天的用水量，統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示，對于溫度的測試包括自來水溫度、天氣溫度以及浴池污水溫度。測試采用隨機采樣的方式選取11、12月份十天內(nèi)三項數(shù)據(jù)的逐時溫度進行統(tǒng)計分析并制作成點線圖，結(jié)果如圖3、圖4 所示。以此來確定整個冬季浴池的相關(guān)溫度工況。

圖3 溫度逐時變化圖Fig.3 Time-by-time temperature change diagram

圖4 2021年11月份用水量點線圖Fig.4 Line diagram of water consumption points in November 2021

表2 洗浴中心11月份用水量統(tǒng)計表Table 2 Water Consumption Statistics of Bath Center in Novembe

續(xù)表2 洗浴中心11月份用水量統(tǒng)計表

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，自來水溫度以及浴池溫度隨天氣溫度的變化波動不大，分析其原因是由于自來水通過地下管道輸送，與空氣之間的傳熱??；而洗浴污水由于浴池內(nèi)流動直接通過污水管道排出，且浴池墻壁也避免了浴池污水直接暴露于環(huán)境溫度下，因此減少了與環(huán)境溫度之間的大面積換熱，所以水溫波動不大。日用水量存在周期性變化，周一到周五用水量相對穩(wěn)定，周六周天會出現(xiàn)用水小高潮。這是由于學(xué)校學(xué)習(xí)生活的規(guī)律性，相似性造成的。

在本次測試數(shù)據(jù)中，測得該校自來水平均溫度為18℃，洗浴污水平均溫度為36℃。日平均用水量為191t/d。最小用水量分別出現(xiàn)在18 號和20 號這兩天，用水量為165t/d，最大用水量出現(xiàn)在14號，用水量為231t/d。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50015-2003）中5.1.1 條中規(guī)定在對洗浴熱水使用溫度設(shè)計時一般應(yīng)在40~45℃。由公式（1）可計算出洗浴廢水中含有的熱量與加熱自來水所需熱量的比值。

式中，t1為洗浴廢水溫度，℃；t2為洗浴水溫度，℃；t 為自來水溫度，℃。

取洗浴水溫度為42℃代入公式可得結(jié)果F=75%，因此可知洗浴中用到的熱量僅占25%，75%的熱量都隨洗浴廢水浪費掉。

總結(jié)以上數(shù)據(jù)分析可知，該校目前洗浴用水量大、水量穩(wěn)定，洗浴廢水溫度較高，因此對與該校洗浴廢水余熱回收存在巨大潛力。

3 系統(tǒng)設(shè)計

基于洗浴廢水中含有大量不同的污染物[9]，容易造成熱泵余熱回收系統(tǒng)的腐蝕、結(jié)垢、堵塞等問題，因此系統(tǒng)選擇與原蒸汽鍋爐進行耦合的間接式污水源熱泵系統(tǒng)。該種方式中的污水源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)部分負荷，其余負荷由原有鍋爐或空氣源熱泵承擔(dān)，污水源熱泵系統(tǒng)的負荷可以根據(jù)污水的排放量及污水的取熱溫差確定，其他加熱方式的負荷根據(jù)總的熱負荷減掉污水源熱泵系統(tǒng)的負荷來確定，這種方式較之前單一的加熱方式運行費用低且更加節(jié)能環(huán)保，改造后浴池系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 改造后浴室系統(tǒng)圖Fig.6 Bath system diagram after renovation

3.1 熱泵機組設(shè)備選型計算

由系統(tǒng)設(shè)計需求可知，該熱泵系統(tǒng)需要將18℃的自來水加熱至60℃送至熱水箱，且自來水流量為4.2kg/s，代入公式（2）[10]可計算出所需熱泵機組的制熱量為740.9kW。

式中：m 為自來水流量，kg/s；c 為自來水的比熱容，取4.2KJ/(kg·℃）；tout為熱泵機組出水溫度，℃；tin為熱泵機組進水溫度，℃。

根據(jù)計算結(jié)果選擇機組為開利公司生產(chǎn)的型號為61XW-B1-210B 水地源熱泵，該熱泵的技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 61XW-B1-210B 水地源熱泵技術(shù)參數(shù)Table 3 61 Technical Parameters of X W-B1-210B water and ground source heat pump

3.2 系統(tǒng)節(jié)能性分析

該熱泵機組每天制取的熱量折算成標準煤為：

式中，M1為污水源熱泵機組制熱折算成的標準煤量，kg；Q 為熱泵機組每天的制熱量，kJ；qe為標準煤的熱值，取2.9×104KJ/kg[11]；1η 為電力輸入效率，取30%[12]；COP 為熱泵機組的能效比，取4.99。則M1=740.9×24×3600/(2.9×104×30%×4.99）=1475kg。

若采用傳統(tǒng)的燃煤鍋爐制取同等質(zhì)量的熱水需要消耗的標準煤為：

式中，M2為燃煤鍋爐制熱折算成的標準煤量，kg；2η 為燃煤鍋爐效率（包含儲煤損失、輸送損失等），取60%[13]。

則M2=740.9×24×3600/(2.9×104×60%）=3679kg

由計算結(jié)果可知采用污水源熱泵機組每天折算的標準煤量相比于傳統(tǒng)燃煤鍋爐每天折算的標準煤量節(jié)約了ΔM = M2- M1= 3679 - 1475 =2204kg，且污水源熱泵機組每天折算標準煤量僅占傳統(tǒng)燃煤鍋爐標準煤量的40%，節(jié)能效果顯著。

3.3 系統(tǒng)環(huán)保性分析

由上一節(jié)計可知污水源熱泵機組每天節(jié)約折算標準煤量為2204kg，該校浴池平均年運行天數(shù)為280 天，則全年節(jié)約標準煤量為617120kg。我國污染物排放標準定額如表3[14]所示。

表3 我國污染物排放標準定額Table 3 The pollutant emission standard quota in China

則污水源熱泵機組全年減少的污染物排放量根據(jù)公式（5）計算：

式中： Δmw,i為第i 種污染物的排放減少量，kg；i 為依次代表SOX、CO2、NOX、粉塵；ΔRw,i為單位質(zhì)量標煤燃燒產(chǎn)生的第i 種污染物質(zhì)量，kg·kg-1。

所以全年 SOX排放減少量為Δmw,i= M ×ΔRw,i= 617120×0.03=18513.6kg，其余污染物排放減少量計算結(jié)果見表4 所示。

表4 污染物全年排放減少量Table 4 Annual reduction in pollutant emissions

4 結(jié)語

該高校當前洗浴廢水直接排到學(xué)校排水系統(tǒng)中，這樣對洗浴廢水中余熱造成了嚴重的浪費，經(jīng)計算洗浴中用到的熱量僅占25%，75%的熱量都隨洗浴廢水浪費掉。另外，將洗浴廢水直接排放也會造成環(huán)境熱污染問題。筆者根據(jù)該高校污水的排放量及污水的取熱溫差以及洗浴廢水的水質(zhì)特點為該校設(shè)計出一套與原有鍋爐系統(tǒng)相耦合的間接式污水源熱泵系統(tǒng)。對該系統(tǒng)按折算標準煤量計算該系統(tǒng)僅占傳統(tǒng)燃煤鍋爐標準煤量的40%，節(jié)能效果顯著。通過環(huán)保分析可知每年SOX排放減少量18513.6kg、CO2排放減少量1697080kg、NOX排放減少量2468.48kg、粉塵減少量12342.4kg，環(huán)保效益顯著。