熱泵機(jī)回收再利用校園淋浴水熱能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

王梓良,祁佳麗（江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,江蘇　鎮(zhèn)江　212013）

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熱泵機(jī)回收再利用校園淋浴水熱能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

王梓良,祁佳麗
（江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013）

摘 要:該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的熱能系統(tǒng)主要是利用水源熱泵技術(shù)，通過現(xiàn)有的排水管道，進(jìn)行高校淋浴未經(jīng)處理的廢水熱量收集，回收后進(jìn)行有效利用的綠色環(huán)保設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:淋浴; 熱能系統(tǒng); 經(jīng)濟(jì)性;余熱回收

0　引言

我國人口數(shù)量眾多，人均資源不足。節(jié)能不但是我國當(dāng)前一項(xiàng)迫切的任務(wù)，還是我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長期戰(zhàn)略方針。但是，在我國高校中有大量的淋浴水余熱未加以利用就排入下水道中，每年浪費(fèi)的能源是個(gè)驚人的數(shù)字。本方案利用水源熱泵加熱系統(tǒng)從而高校回收淋浴水的余熱，大大提高了能源利用率，顯示出明顯的節(jié)能效果，為我國的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。同時(shí)，淋浴水余熱的回收利用也是建立校園循環(huán)用水模式，推進(jìn)綠色校園建設(shè)的重要舉措。

1　研制背景及意義

21世紀(jì)的能源問題成為世界廣泛關(guān)注的問題。未使用的低溫能源,一個(gè)校園廢熱淋浴水一年四個(gè)季節(jié)溫度變化小,流量穩(wěn)定,冬天溫暖,夏天涼爽的溫度特性、熱的存在很大,現(xiàn)有的污水管道收集便利。所以它被認(rèn)為是清潔能源,可以回收和利用。熱回收利用校園里的廢水是有效利用熱回收的廢水處理或未經(jīng)處理的污水。

我們總結(jié)了國內(nèi)高校的淋浴水回收利用的現(xiàn)狀、可行性和經(jīng)濟(jì)性。分析表明淋浴水的回收再利用具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，并且對(duì)環(huán)境保護(hù)有很好的效果。基于此，我們研究利用水源熱泵技術(shù)，有效提高能源利用率，建設(shè)綠色校園。

2　設(shè)計(jì)方案

通過現(xiàn)有的污水管道，將高校淋浴廢水收集以后導(dǎo)入廢水池，通過污水泵進(jìn)入熱泵系統(tǒng)，污水作為低溫?zé)嵩磁c熱泵工質(zhì)進(jìn)行熱換，熱換后廢水通過渡槽出院,恢復(fù)和熱泵系統(tǒng)的熱能用于熱浴水,通過加熱熱水進(jìn)入恒溫水箱、穩(wěn)態(tài)流入水混合器,與水混合,浴溫度達(dá)到提供洗澡。

廢水余熱會(huì)因圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失，季節(jié)性變化等因素造成不穩(wěn)定，因此系統(tǒng)在熱水箱中設(shè)置了輔助電加熱裝置，以保證熱水出口溫度的恒定。以此，來構(gòu)建一個(gè)完整具有高效益的熱能回收利用系統(tǒng)。

3　理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1浴池,蓄水池的設(shè)計(jì)及節(jié)能預(yù)算

浴室有二層，為框架結(jié)構(gòu),整個(gè)建筑面積為2000 m2,一層為男生浴室 ,二層為女生浴室。考慮到公共浴室的衛(wèi)生,浴室內(nèi)不設(shè)澡池和澡缸,全部采用淋浴形式。現(xiàn)在的大學(xué)日趨綜合化,男女比例將逐步趨近1∶1 ,所以分別設(shè)141個(gè)淋浴頭在男女浴室。 為滿足學(xué)生的要求 ,每天下午浴室開放6小時(shí)。考慮到該時(shí)段部分學(xué)生在上課 ,設(shè)計(jì)時(shí)假定浴室開放始末共計(jì)2小時(shí)，并且淋浴器使用率為70 % ,其它時(shí)間段淋浴器失誤使用率為100 %。此外淋浴水溫在37℃到40℃之間,所以取37 ℃,熱水量計(jì)算 :

式中：V - 37攝氏度的浴室用熱水每天消費(fèi),m3;

N——淋浴頭的數(shù)目；

B——淋浴頭同時(shí)使用的百分率；

Q——1只淋浴器給水額定流量，取0.15L/s；

T——淋浴頭使用時(shí)間，h。

則V =3.6×282×(1.0×0.15×4+0.7×0.15×2)=822 m3。

考慮到學(xué)生對(duì)水溫的要求不同加上淋浴器較多，若單個(gè)管道配水，那么蓄水池的容積將雙倍，故采用雙管配水。浴用37℃熱水可以通過5℃冷水與65℃熱水混合而成。所以一天需要的5℃和65℃冷熱水量為：

式中：V1，Vr，Vm——冷水，熱水和混合水水量，m3；

T1，Tr，Tm——冷水，熱水和混合水水溫，℃。

算得每天5℃冷水需要384 m3，65℃熱水需要438 m3。

每天加熱熱水耗熱量計(jì)算：

式中：Q——耗熱量，kJ；

C——水的比熱容，C=4.19kJ/(kg?℃)；

Mr——被加熱水的質(zhì)量，kg；

△T——5℃冷水與65℃熱水的溫差，℃。

則Q=4.19×1.0×10^3×438×（65-5）=110×10^6kJ。

按30%節(jié)能算已節(jié)約Q’=110×10^6×100/(100-30)=157×10^5kJ。

3.2輔助熱源計(jì)算

文獻(xiàn)(5)提供鍋爐和污水源熱泵供熱系統(tǒng)負(fù)荷匹配公式,這個(gè)公式應(yīng)用于空氣源熱泵和污水源熱泵供熱系統(tǒng)負(fù)荷匹配,修正后也成立,即:總流浴水的Q3(立方米/小時(shí)):

第三季度Q1 + =(1)

公式:Q1為污水源熱泵供暖水流,m3/ h;

Q2空氣源熱泵供熱水流動(dòng),m3/ h。

廢水流第四季度(m3/ h):

第四季度= k * Q3(2)

公式:廢水收集系數(shù)K。

污水水源熱泵加熱流動(dòng)Q1(立方米/小時(shí)):

式中：T是污水換熱器;溫度下降的T2是熱水溫度,溫度是廢水的溫度;

T1是自來水溫度;

COP對(duì)于污水熱泵能源效率比,取固定值6.5。

空氣源熱泵與污水源熱泵的負(fù)荷匹配：

式中：P1為污水源熱泵負(fù)荷；

P2為空氣源熱泵負(fù)荷；COP為水的比熱。

假設(shè)四個(gè)季節(jié)是12的溫度下降,以及水源熱泵COP很小。提供的總熱量的熱泵本質(zhì)上是不變的,在冬季熱負(fù)荷是幾乎完全由空氣源熱泵。和負(fù)載電壓中可以看到總熱負(fù)荷的污水源熱泵在冬季45%,占27%,污水使用廢熱源熱泵是非常有效的。

4　工作原理及性能分析

第一，為了防止換熱器的現(xiàn)象,并能不斷穩(wěn)步恢復(fù)廢水的余熱,熱交換器應(yīng)該能夠自動(dòng)清理各種污垢和傳熱的污水管雜質(zhì)，考慮到熱損失，必須保證移除設(shè)備關(guān)閉。因此,在傳熱管設(shè)置屏幕自動(dòng)過濾和傳熱管中設(shè)置自動(dòng)清洗裝置。第二,整個(gè)系統(tǒng)所有的機(jī)械設(shè)備中,與污水接觸,特別是,換熱器傳熱管,應(yīng)該用于材料及傳熱熱管傳熱性能良好的材料。

5　創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

（1）節(jié)約資源，減少開支。采用水源熱泵加熱技術(shù)，可以最大程度的回收利用淋浴水的熱能，從而減少了對(duì)不可再生資源的依賴，降低了經(jīng)營成本。

（2）改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展。由于將淋浴水熱能進(jìn)行了回收利用，不再是將廢水直接流入下水管道中，浴室周邊的環(huán)境得到了很大程度上的改善。

（3）使用水源熱泵回收系統(tǒng),熱源設(shè)備可以設(shè)置根據(jù)區(qū)域發(fā)展計(jì)劃,以減少初始投資的負(fù)擔(dān)，日后系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用也將大大降低。

此項(xiàng)目致力于研究一種新型能源使用模式，規(guī)劃設(shè)計(jì)與科技的方法,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，制作新時(shí)代的能源使用體系，踐行5R 的綠色理念（reduce.renewable.recycle.reuse）。

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指導(dǎo)老師：楊帆

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.051