熱泵機回收再利用校園淋浴水熱能系統設計方案

王梓良,祁佳麗（江蘇大學土木工程與力學學院,江蘇　鎮江　212013）

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熱泵機回收再利用校園淋浴水熱能系統設計方案

王梓良,祁佳麗
（江蘇大學土木工程與力學學院,江蘇鎮江212013）

摘 要:該項目設計的熱能系統主要是利用水源熱泵技術，通過現有的排水管道，進行高校淋浴未經處理的廢水熱量收集，回收后進行有效利用的綠色環保設計系統。

關鍵詞:淋浴; 熱能系統; 經濟性;余熱回收

0　引言

我國人口數量眾多，人均資源不足。節能不但是我國當前一項迫切的任務，還是我國經濟與社會發展的一項長期戰略方針。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，每年浪費的能源是個驚人的數字。本方案利用水源熱泵加熱系統從而高校回收淋浴水的余熱，大大提高了能源利用率，顯示出明顯的節能效果，為我國的可持續發展做出貢獻。同時，淋浴水余熱的回收利用也是建立校園循環用水模式，推進綠色校園建設的重要舉措。

1　研制背景及意義

21世紀的能源問題成為世界廣泛關注的問題。未使用的低溫能源,一個校園廢熱淋浴水一年四個季節溫度變化小,流量穩定,冬天溫暖,夏天涼爽的溫度特性、熱的存在很大,現有的污水管道收集便利。所以它被認為是清潔能源,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處理的污水。

我們總結了國內高校的淋浴水回收利用的現狀、可行性和經濟性。分析表明淋浴水的回收再利用具有很好的經濟效益，并且對環境保護有很好的效果。基于此，我們研究利用水源熱泵技術，有效提高能源利用率，建設綠色校園。

2　設計方案

通過現有的污水管道，將高校淋浴廢水收集以后導入廢水池，通過污水泵進入熱泵系統，污水作為低溫熱源與熱泵工質進行熱換，熱換后廢水通過渡槽出院,恢復和熱泵系統的熱能用于熱浴水,通過加熱熱水進入恒溫水箱、穩態流入水混合器,與水混合,浴溫度達到提供洗澡。

廢水余熱會因圍護結構熱損失，季節性變化等因素造成不穩定，因此系統在熱水箱中設置了輔助電加熱裝置，以保證熱水出口溫度的恒定。以此，來構建一個完整具有高效益的熱能回收利用系統。

3　理論設計計算

3.1浴池,蓄水池的設計及節能預算

浴室有二層，為框架結構,整個建筑面積為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生,浴室內不設澡池和澡缸,全部采用淋浴形式。現在的大學日趨綜合化,男女比例將逐步趨近1∶1 ,所以分別設141個淋浴頭在男女浴室。 為滿足學生的要求 ,每天下午浴室開放6小時。考慮到該時段部分學生在上課 ,設計時假定浴室開放始末共計2小時，并且淋浴器使用率為70 % ,其它時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 ℃,熱水量計算 :

式中：V - 37攝氏度的浴室用熱水每天消費,m3;

N——淋浴頭的數目；

B——淋浴頭同時使用的百分率；

Q——1只淋浴器給水額定流量，取0.15L/s；

T——淋浴頭使用時間，h。

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

考慮到學生對水溫的要求不同加上淋浴器較多，若單個管道配水，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%節能算已節約Q’=110×10^6×100/(100-30)=157×10^5kJ。

3.2輔助熱源計算

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

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,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K。

污水水源熱泵加熱流動Q1(立方米/小時):

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荷匹配：

式中：P1為污水源熱泵負荷；

P2為空氣源熱泵負荷；COP為水的比熱。

假設四個季節是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上是不變的,在冬季熱負荷是幾乎完全由空氣源熱泵。和負載電壓中可以看到總熱負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象,并能不斷穩步恢復廢水的余熱,熱交換器應該能夠自動清理各種污垢和傳熱的污水管雜質，考慮到熱損失，必須保證移除設備關閉。因此,在傳熱管設置屏幕自動過濾和傳熱管中設置自動清洗裝置。第二,整個系統所有的機械設備中,與污水接觸,特別是,換熱器傳熱管,應該用于材料及傳熱熱管傳熱性能良好的材料。

5　創新點及應用

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

（2）改善生態環境，實現了可持續發展。由于將淋浴水熱能進行了回收利用，不再是將廢水直接流入下水管道中，浴室周邊的環境得到了很大程度上的改善。

（3）使用水源熱泵回收系統,熱源設備可以設置根據區域發展計劃,以減少初始投資的負擔，日后系統的運行費用也將大大降低。

此項目致力于研究一種新型能源使用模式，規劃設計與科技的方法,經濟和社會效益，制作新時代的能源使用體系，踐行5R 的綠色理念（reduce.renewable.recycle.reuse）。

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指導老師：楊帆

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