工礦企業(yè)洗浴廢水熱能回收系統(tǒng)的應(yīng)用

楊 思

（開灤唐山礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000）

隨著社會對環(huán)保要求的逐漸提高，清潔能源逐步取代燃煤鍋爐勢在必行。傳統(tǒng)型工礦企業(yè)職工洗浴用水熱源一般為燃煤鍋爐，在環(huán)保政策導(dǎo)向下，進(jìn)行清潔能源的置換，是每個傳統(tǒng)型工礦企業(yè)亟待解決的問題。在現(xiàn)有科技水平下，可代替燃煤鍋爐的清潔能源有燃?xì)忮仩t、太陽能、電能、空氣源熱泵、水源熱泵等。某礦業(yè)公司經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和調(diào)研分析，每天的洗浴用水量為180 t，小時最大量為30 t，設(shè)計熱量每天按180 t 42℃熱水計算，則總熱量為6 720 kW/日，小時平均熱量為280 kW/h。經(jīng)過調(diào)研論證分析，職工浴室洗浴廢水排水溫度為32℃～35℃，洗浴廢水中含有大量的熱能，并且其質(zhì)量穩(wěn)定，水質(zhì)、水溫、水量都變化不大，受氣候影響較小，是代替現(xiàn)有供熱方式的理想熱源[1]。采用洗浴廢水熱能回收系統(tǒng)，提取污水中的低品位熱能，經(jīng)污水源熱泵轉(zhuǎn)換，是供應(yīng)洗浴熱水非常理想的選擇。

1 系統(tǒng)概況

采用污水源熱泵余熱回收技術(shù)制備洗浴熱水，是通過水源熱泵機(jī)組提取當(dāng)天洗浴廢水中的熱量，對自來水進(jìn)行加熱。據(jù)現(xiàn)場調(diào)研資料，該職工浴室洗浴廢水排水溫度為32℃～35℃，日排水總量約在180 t，該方案采用熱泵工藝系統(tǒng)提取廢水中蘊(yùn)含的低溫?zé)崮埽瑢⒆詠硭訜嶂?2℃～46℃，供洗浴用水。系統(tǒng)設(shè)計每日用水量為180 t，其中淋浴每日用水量為160 t，浴池每日用水量為20 t。其工藝如下：澡堂洗浴后排出的廢水流入一個有效容積為20 m3的廢水收集池內(nèi)。收集池內(nèi)的廢水通過水泵增壓泵入砂濾缸過濾，后經(jīng)換熱器與自來水進(jìn)行一次換熱，換熱后的污水儲存到100 m3的污水池內(nèi)。一次換熱后的污水再經(jīng)SDR-1280S/W熱泵機(jī)組提取熱量，然后排放至場區(qū)下水管網(wǎng)。自來水首先經(jīng)過換熱器一次換熱，溫升后經(jīng)熱泵機(jī)組加熱至42℃～46℃，加熱后的水分別儲存于3個25 m3的保溫水箱中。洗浴時，儲存于3個25 m3水箱內(nèi)的熱水經(jīng)增壓泵泵入澡堂屋頂2個20 m3的保溫水箱內(nèi)，從而完成一個熱泵工作循環(huán)。

2 工藝原理

污水源熱泵機(jī)組是廢水余熱回收技術(shù)的核心，機(jī)組帶有一套可逆式的制冷循環(huán)系統(tǒng)，包括使用側(cè)的換熱設(shè)備、壓縮機(jī)、熱源側(cè)換熱設(shè)備。制冷時，壓縮機(jī)把低壓制冷劑蒸汽壓縮后，成為高壓制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器（換熱器），在冷凝器中通過與水進(jìn)行熱交換，使制冷劑冷凝為高壓液體，再經(jīng)熱力膨脹閥的節(jié)流膨脹后進(jìn)入蒸發(fā)器，從而對負(fù)荷側(cè)載熱介質(zhì)進(jìn)行冷卻，如圖1所示。制熱時，通過換向閥的切換，使制冷工況的冷凝器在這時變?yōu)檎舭l(fā)器，而制冷工況時的蒸發(fā)器這時變?yōu)槔淠?。通過蒸發(fā)器吸收水的熱量，在熱泵循環(huán)過程中，從冷凝器向負(fù)荷側(cè)熱量載體放熱[2]。

圖1 工作原理（制冷）

3 增容改造

系統(tǒng)投入后，運(yùn)行情況良好，日產(chǎn)水量為180 t，滿足礦區(qū)職工澡堂洗浴需求，噸水耗電僅4～5度。后期由于人為原因，職工浴室用水需求增大，遠(yuǎn)超原設(shè)計用水量180 t/d，日均需用水量達(dá)到270 t/d，需要對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容設(shè)計。同時，現(xiàn)有系統(tǒng)自動化程度低，無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需對其進(jìn)行提標(biāo)設(shè)計，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

3.1 新增熱負(fù)荷計算

該次設(shè)計新增用水全部為淋浴用熱水，總量為100 t。冷水溫度按10℃，淋浴熱水溫度按42℃計算，則：

熱負(fù)荷公式：Q= C×M×△T

C—水的比熱，4.2 kJ/（㎏·℃）。

M—每班用水總量，㎏。

△T—水溫差，℃。

新增淋浴用水每日熱負(fù)荷為：

Q= C×M×△T=4.2×100×1000×（42-10）=13.44GJ

3.2 新增洗浴廢水中蘊(yùn)含的熱量

洗浴廢水排放溫度按33℃計算，以取熱后廢水溫度降至5℃作為計算依據(jù)。新增洗浴廢水量按99 t/d計（計1%損耗）。

根據(jù)計算，職工洗浴廢水每日可提供的熱量為：

Q= C×M× △ T =4.2×99×1000×（33-5） =11.64GJ

3.3 熱泵機(jī)房設(shè)備選型

3.3.1 換熱器選型

換熱器設(shè)計循環(huán)流量與污水排水最大小時流量相同，原設(shè)計循環(huán)流量為50 m3/h，換熱器溫升為20℃。選用2臺換熱器串連連接，單臺制熱量為750 kW，累計換熱時間取5.6 h。原設(shè)計一次污水換熱循環(huán)泵及換熱器，滿足擴(kuò)容提標(biāo)后的換熱需求，該次設(shè)計維持原設(shè)計不變。

3.3.2 洗浴水加熱機(jī)組選型

根據(jù)上節(jié)計算，每天新增洗浴熱水需要的熱量為13.44 GJ，洗浴水加熱機(jī)組擬選用WL-2-1280S/W型水源熱泵機(jī)組，COP值為4.8，輸入功率為26.3 kW，輸出功率為126.6 kW，則機(jī)組每日工作時長為：洗浴廢水熱源機(jī)組工作時長：（13.44×106-750×2×3600）÷3600÷126.6kW÷2=8.8h。原系統(tǒng)有熱泵機(jī)組4臺，該次擴(kuò)容提標(biāo)工程需新增熱泵機(jī)組2臺。由于機(jī)房空間有限，因此對設(shè)備進(jìn)行集成，即新增加熱機(jī)組選用一組WL-2-1280S/W型水源熱泵機(jī)組。

3.4 自動控制系統(tǒng)

為了提高熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，新增2臺熱泵機(jī)組電控箱的控制系統(tǒng)采用西門子PLC自動控制，并對現(xiàn)有的4臺熱泵機(jī)組電控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，由現(xiàn)有的單片機(jī)控制系統(tǒng)升級為PLC控制系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行管理水平，降低運(yùn)行成本，該工程仍采用集散控制系統(tǒng)，利用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)集中對熱泵機(jī)房分散系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制。

4 污水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢

4.1 高效節(jié)能

項目投入運(yùn)行后，實際運(yùn)行能效比（COP值）為4.6。與空氣源熱泵系統(tǒng)比較，解決了我國北方地區(qū)冬季戶外溫度較低，設(shè)備易結(jié)霜和除霜頻率高的技術(shù)問題。由于洗浴廢水水溫恒定，保證了熱泵工作性能的穩(wěn)定，能效比比傳統(tǒng)的空氣源熱泵在北方地區(qū)的冬季高出50%左右。污水源熱泵與用電鍋爐相比，節(jié)約2/3以上的電能；污水源熱泵與燃煤鍋爐相比，節(jié)約1/2以上的能源；且污水源熱泵的使用成本是燃?xì)忮仩t的1/3。

4.2 環(huán)保效益

該項目通過污熱泵技術(shù)，提取洗浴廢水中蘊(yùn)藏的低溫?zé)崮?，為職工洗浴提供熱源，屬于可再生能源利用技術(shù)，真正實現(xiàn)了廢熱回收利用，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)及國家節(jié)能減排政策。與原燃煤鍋爐房系統(tǒng)相比，沒有燃燒過程，不需要設(shè)置煙塵處理系統(tǒng)，不產(chǎn)生任何廢渣、廢水等污染物，環(huán)境效益顯著。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

4.3.1 原澡堂燃煤鍋爐運(yùn)行資料

年耗燃煤1 900 t，燃煤單價以320元/t計算。年燃料費(fèi)用：320×1900=60.8萬元，軟水費(fèi)用：10萬元，燃煤鍋爐每年維修材料費(fèi)用：40.3萬元，人員管理費(fèi)用：25人×2500×12=75萬元，鍋爐和日常照明電費(fèi)：39.8萬元，鍋爐折舊費(fèi)：6萬元，合計每年總運(yùn)行費(fèi)用：60.8＋10＋40.3+75＋39.8+6+3=234.9萬元。

4.3.2 使用污水源熱泵系統(tǒng)的成本

運(yùn)行費(fèi)用=每噸熱水耗電量×電價×每日耗水量×天數(shù) =5×0.52×180×365×1.02=17.08萬元，人員管理費(fèi)用：2人×4萬=8萬元，機(jī)組維修管理費(fèi)用每年：9.5萬元，機(jī)組年折舊：268.4÷18=14.91萬元，合計年運(yùn)行費(fèi)用：17.08+8+9.5+14.91=49.49萬元。

4.3.3 使用不同能源提供熱源成本的比較

原燃煤鍋爐年運(yùn)行費(fèi)用（含折舊）：221萬元，污水源熱泵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用（含折舊）：49.49萬元，熱能回收與燃煤鍋爐比較：年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約：234.9-49.49=185.41萬元。

4.4 一機(jī)多用

污水源熱泵系統(tǒng)不僅可以為職工洗浴提供熱源，夏天也可以作為空調(diào)制冷，一套系統(tǒng)可以代替原來的燃煤鍋爐加部分辦公區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)。污水源熱泵系統(tǒng)在夏季提取污水中的熱量加熱洗浴用水的同時，也可以降低自來水的溫度，供室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的冷水，達(dá)到空調(diào)制冷的效果。

5 結(jié)語

綜上所述，按照國家對于城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃，污水源熱泵的大力應(yīng)用被業(yè)界普遍看好。目前，該技術(shù)較為成熟，國內(nèi)外工程實例很多。20世紀(jì)80年代初，瑞典、挪威等北歐國家就已經(jīng)開始應(yīng)用污水源熱泵技術(shù)，現(xiàn)在我國污水源熱泵也已得到了一定程度的發(fā)展[3]。燃煤鍋爐取締在即，傳統(tǒng)型工礦企業(yè)也面臨轉(zhuǎn)型發(fā)展，在節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上，滿足職工洗浴要求，采用污水源熱泵系統(tǒng)，在節(jié)能減排、降本提效方面效果顯著。