寒冷地區(qū)高校浴室污水源熱泵應用探討

姚晨， 秦銘汐， 米長虹

（哈爾濱工業(yè)大學建筑設計研究院有限公司，哈爾濱 150090）

0 引言

低品位能源種類繁多，其中包含地熱能、空氣熱能、海水熱能、污水/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，具有蘊能高、便收集等特點，得到廣泛運用。挪威、瑞士、日本等國率先發(fā)起對污水源熱泵的研究，當下日本已完成將未作處理的污水或中水以及二級出水作為污水源熱泵的熱源使用。我國的研究相對起步較晚，首例污水源熱泵試驗工程在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施，是高校建筑必須設置的場所。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]。國家也出臺了相應的扶持政策，鼓勵高校開展節(jié)約型校園建設活動，地方政府也加大了專項資金的投入[4]。

針對當前氣候變化，我國自2020年9月提出，碳排放力爭2030年前達到峰值及2060年前實現(xiàn)碳中和，不同行業(yè)針對此目標紛紛提出了各自的實施路徑[5]，實現(xiàn)碳達峰、碳中和的關鍵是節(jié)能減排，建筑行業(yè)也應加速推動建筑節(jié)能，大力發(fā)展可再生能源以助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。

文中以寒地地區(qū)遼寧南部某大學新建校區(qū)建筑施工設計為例，采用熱回收型熱泵熱水機組系統(tǒng)，依照用水量以及相關建筑設計規(guī)范，進行整體熱水系統(tǒng)設計，并對相關設備進行選型，從節(jié)能減排、環(huán)保和經(jīng)濟效益角度作出分析與探討，給相關設計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。項目所在地凍土深度為1.01m。

2 建設設計方案

2.1 洗浴熱水熱源選擇

根據(jù)公共建筑節(jié)能設計標準，工程公共浴室設置集中熱水供應系統(tǒng)，不應采用直接電加熱作為熱源，可選擇的熱源形式包括集中燃氣鍋爐或燃油鍋爐、空氣源熱泵、太陽能、污水源熱泵系統(tǒng)。

集中燃氣鍋爐或燃油鍋爐熱水系統(tǒng)雖穩(wěn)定節(jié)能，但設置在單體內(nèi)存在一定安全隱患，需擇地新建鍋爐房，會增大占地面積，且需要考慮泄爆措施，不宜在單體內(nèi)部及人員密集處設置；太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，運行成本低，但熱水系統(tǒng)不穩(wěn)定，舒適性較差，嚴寒地區(qū)冬季室外溫度極低，管道故障率較高，后期維護較為困難；空氣源熱泵熱水系統(tǒng)非冬季運行可節(jié)能環(huán)保，但冬季運行時約30%熱量用于除霜，COP一般低于1.5，效率低，不經(jīng)濟，冬季輔助電大量集中使用，且根據(jù)GB 50015-2019《建筑給水排水設計標準》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系統(tǒng)。

根據(jù)項目地理位置、氣候條件及使用管理方式，經(jīng)過方案對比后，同時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)，運行穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保，最終采用污水源熱泵熱水供應系統(tǒng)。通常洗浴后廢水溫度為33～37℃，污水源熱泵熱水供應系統(tǒng)的工作原理是利用現(xiàn)代熱能回收技術(shù)，對于洗浴后廢水進行熱能的二次收集利用，再通過電能驅(qū)動壓縮機做功，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行冷凝釋放熱量，如此往復。傳熱工質(zhì)在此循環(huán)中通過相變而進行能量傳遞，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，從而實現(xiàn)熱能回收。

2.2 熱水系統(tǒng)方案設計

公共浴室建筑設計方案中無地下室，設備用房在單體西側(cè)貼臨外墻區(qū)域，最初將污水池設置在建筑物西側(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，增加埋深同時提高了造價。

經(jīng)過研究及與建筑專業(yè)協(xié)調(diào)后，將污水池設置在單體內(nèi)一層淋浴區(qū)與設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入污水收集池，廢熱回收熱水機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，設計運行參數(shù)如表1所示。污水源熱泵熱水供應系統(tǒng)以市政自來水管網(wǎng)供應洗浴用水，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組、污水熱能提取裝置、載冷劑膨脹水箱、機房熱回收風盤、不銹鋼儲熱水箱、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 公共浴室設計運行參數(shù)

圖2 公共浴室余熱回收系統(tǒng)原理

洗浴廢水在初始運行階段，由于污水池中的廢水流量較低時，可回收的熱量較低，通過機房熱回收風盤及廢熱回收熱水機組的輔助電加熱系統(tǒng)對自來水進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計溫度為60℃洗浴熱水，儲存于儲熱水箱內(nèi)，通過熱水供水泵組供應至淋浴噴頭。營業(yè)時間段結(jié)束后，污水源熱泵機組繼續(xù)工作，將廢水中熱量充分回收，廢水溫度大多下降至4℃后機組停止工作，廢水排放至市政污水管網(wǎng)。

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

2.3 工程項目機組設計

污水源熱泵廢熱回收系統(tǒng)主要由熱水機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)。

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

表2 熱泵機組主要參數(shù)

表3 公共浴室主要設備參數(shù)

3 節(jié)能、環(huán)保與經(jīng)濟效益分析

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計算，參考GB 50015-2019《建筑給水排水設計標準》規(guī)范設定冷水溫度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為熱水機組出水溫度，℃。

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

針對集中熱水供應系統(tǒng)較為常見的熱源形式，以1t水溫度提升56℃為基準進行能耗對比，如表4所示。

表4 不同熱源形式能耗對比

根據(jù)折標準煤系數(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、燃氣鍋爐及空氣源熱泵系統(tǒng)需要燃燒的標準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)約的標準煤分別為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，每噸標準煤燃燒能夠產(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，同時燃燒還會伴隨粉塵、PM2.5等有害顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生[7]，嚴重污染大氣環(huán)境。工程設計每年生產(chǎn)熱水量約為29500m3，經(jīng)計算污水源熱泵系統(tǒng)每年運行產(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)能夠響應國家對于低碳發(fā)展的要求，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

表5 污水源熱泵系統(tǒng)每年污染物排放減少量對比 kg

3.3 經(jīng)濟效益分析

工程不同熱源形式每年運行費用如表6所示。污水源熱泵年運行費用分別為電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、空氣源熱泵系統(tǒng)的16%、24%、38%、69%，可見污水源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)更長遠的經(jīng)濟效益。

表6 年運行費用對比

每噸熱水加熱運行成本計算公式為：

式中，S為熱水加熱運行成本，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較高，但應用后期能夠大幅度降低運行費用和人工成本，且具有良好的穩(wěn)定性和較長的使用壽命[8]，因而得到廣泛的應用。熱回收型污水源熱泵熱水機組系統(tǒng)，利用現(xiàn)代熱能回收技術(shù)，對洗浴后的污水進行熱能提取，并按照“逆卡諾循環(huán)原理”，通過電能驅(qū)動壓縮機做功產(chǎn)生新的洗浴用水，進而能夠有效地對洗浴廢水回收利用，獲得良好的經(jīng)濟與節(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，在工程方案設計時，應協(xié)調(diào)其他專業(yè)，盡量將系統(tǒng)機組進行集中化，以減少系統(tǒng)設計帶來的熱損失。

（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準煤分別為電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、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）污水源熱泵年運行費用分別為電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、空氣源熱泵系統(tǒng)的16%、24%、38%、69%，具有更長遠的經(jīng)濟效益。

（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，實現(xiàn)低碳排放及能源循環(huán)利用，又大幅度降低運行費用及人工成本，為社會節(jié)能減排創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。