洗浴廢水與污水源熱泵結合利用的節能分析★

朱一安 高 鵬 王 寧 馬新宇 國麗榮

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150036)

1 概述

目前，資源的節約與高效利用是熱點問題，我們針對某大學的浴池熱水供應系統進行改造優化。校園屬于人員密度較大的公共場所，校園內學生老師較多、并且學生大多離家較遠，衣食住行均在校園內，所以需要為數量龐大的學生群體提供洗浴的場所。另外，能源與環境之間的矛盾也愈發嚴峻，燃煤鍋爐加熱熱水的方式能耗大、效率低、環境污染嚴重。考慮到能源的可持續利用，減少能源的消耗，選擇對洗浴廢水的熱能進行回收利用，借助污水源熱泵提取洗浴廢水中的低品位熱能，加熱自來水，達到洗浴用水要求。系統運行后，設備參數符合預期值，后期又與傳統熱水系統作了經濟成本方面的對比。

2 系統原理

2.1 原理

洗浴污水排水溫度為 32 ℃～35 ℃，意味著水中仍有一定的熱量，我們希望可以通過消耗少量電能，利用污水源熱泵將污水中的熱量提取出來以二次利用，提高能源利用率。如圖1系統原理所示，浴池污水中含有毛發和洗發露等固體、液體雜質，相對于生活污水來說，水質較干凈單一，所以應單獨設置浴池污水管路直接連接至獨立污水池，污水池中的洗浴污水經過一級物化處理和二級生化處理，既降低污水腐蝕性，又能防止雜質堵塞系統管路，確保系統的使用壽命，有利于污水熱量的提取。在進入污水換熱器之前，利用過濾器將污水中的雜質排放到污水干渠中，過濾處理后的污水流入地下污水換熱池中，利用低溫載冷劑吸收熱量，蒸發器將熱量傳遞給熱泵中的制冷劑，最后通過冷凝器將熱量重新傳遞給即將使用的熱水從而實現了熱能的循環利用。

2.2 蒸發器換熱形式的選擇

按照換熱方式通常分為淋水式、浸泡式、管殼式和板式4類。淋水式為開式系統，直接將污水噴灑在換熱管上。由于考慮到疾病疫情等影響，淋水式換熱器雖然換熱系數高，但存在病原微生物及病毒擴散的風險，不適用人員密集的校園浴池場所。浸泡式是將換熱管束浸泡在污水中，該種方式無須考慮換熱器堵塞和病菌擴散風險，但是污水換熱器采用耐腐蝕的鎳銅合金材質，換熱系數相對較小，并且需要較大體積的浸泡池和強制擾動水流措施，空間和維護管理要求高。考慮到污水中可能含有油性污物，流經換熱器時會產生掛膜現象，從而增加換熱熱阻，影響換熱效率，因此采用管殼式換熱器，換熱時污水走殼程，并且設置自動反清洗裝置，定時進行反沖洗，保證換熱效率，提高熱能利用率。

2.3 蒸發器側一次換熱與二次換熱的選擇

一次換熱形式簡單、占地小、投資少。機組初始效率高不需要設置中介水泵，沒有額外電耗。但由于污水直接進入機組，需要采用昂貴的耐腐蝕材料，蒸發器換熱系數下降較快并且污水雜質濾出量多，處理麻煩，機組運行工作條件差。二次換熱采用中介水換熱，機組腐蝕可能性降低，機組效率穩定不需要過濾雜質。結構比較復雜、投資多。增加為二次換熱后，能效比下降，并且中介水泵有電耗。結合該大學實際情況需求，浴池污水水質較好，腐蝕性較小且經過過濾器的過濾后雜質少。所以選用一次換熱的形式，結構簡單，能效比高，沒有額外的電耗。

3 應用案例與對比分析

3.1 應用案例

采用污水源熱泵余熱回收技術來加熱洗浴熱水，是通過污水源熱泵機組提取當天洗浴廢水中的熱量，對自來水進行加熱。其工藝如下：澡堂洗浴后排出的廢水流入一個有效容積為50 m3的污水收集池內。收集池內的廢水通過水泵增壓泵入砂濾缸過濾，污水儲存到100 m3的污水池內。再由STY-XY180 熱泵機組提取熱量，然后排走即可。自來水經過熱泵機組加熱，最后與少量熱水摻混即可滿足洗浴要求，溫度可達42 ℃～46 ℃。

經調研，該高校浴池每天營業10 h，其中3 h高峰期，其余時間人數相對減少，浴池共有60個噴頭，最多允許35個噴頭同時開啟，每人每次洗浴用水量約為100 L～200 L，按照平均每人150 L，每小時每個噴頭洗浴2人計算，最大小時用熱水量為10.5 t,浴池平均每天的洗浴用水量為68.4 t，符合實際調研記錄和數據統計，設計熱量最大按每天需求69 t，46 ℃的熱水計算，自來水溫度4 ℃～5 ℃。

Q=cmΔt=4.2×69 000 kg×(46-4)=12 171 600 kJ。

計算得制熱量為140.88 kW，洗浴廢水排水溫度為 32 ℃～35 ℃，含有大量的熱能，并且廢水流量穩定，水質、水溫都無較大變化，受氣候影響較小，是污水源熱泵的理想熱源。故采用洗浴廢水熱能回收系統，提取污水中的低品位熱能，經污水源熱泵轉換，對廢熱實現再次利用。根據上述計算結果選擇機組，如表1所示。

表1 污水源熱泵機組數據

3.2 與其他供熱水方式經濟效益對比

為凸顯污水源熱泵熱水機組的優越性，根據目前市場上各燃料價格，對供給單位水量的各種加熱方式的費用進行對比，結果如圖2所示。

由圖2可知，以各種方式加熱水所耗費的資金對比來看，污水源熱泵熱水機組在耗費低這一方面具有巨大的優勢，但僅憑這一點仍不足以完全顯示污水源熱泵的優勢。于是我們再次以燃氣鍋爐和污水源熱泵進行各項細致的對比，結果如表2所示，我們可以看出雖然污水源熱泵的熱水機組初始投資高，但是熱效率較高，安全性好，使用壽命更長，不需要頻繁的更換設備，單是無污染這一優點，便是一個值得推廣使用的理由。

表2 相同熱水量兩種加熱方式經濟效益對比

3.3 應用案例綜合分析

由上述某大學洗浴廢水與污水源熱泵的結合案例，可以得出以下兩個結論：

1)采用直接式污水源熱泵系統，管殼式換熱器，是針對于該高校浴池位置、地下管路結構，以及進行管路和地下污水換熱池的布置。系統結構簡單，經濟成本消耗低，加熱效率高，并且極大改善了資源利用結構，管理維修方便，工作量小，設計合理。

2)在進行設計計算時以每天最多70 t用水量，溫度46 ℃的熱水計算，根據實際情況選用STY-XY180熱泵機組。自來水從4 ℃～5 ℃經熱泵機組加熱，水溫可達42 ℃～46 ℃，完全滿足實際需求。

4 發展前景

4.1 機組防污技術的提高

污水源熱泵機組應用于該高校浴池的節能性與可行性已得到充分的論證，對于工廠企業排放的工業廢水，其中含有的廢水余熱更是不容小覷，但是污水水質較差，摻混的雜質也復雜多樣，所以這對于過濾消毒也提出了更高的要求，相應經濟成本自然會隨之上升，并且熱泵在投入使用后所產生后續問題的可能性也會大大增加。所以將污水源熱泵應用于更廣泛的領域，重心應該放在水質處理，一方面提升過濾消毒核心技術以降低成本，另一方面避免污水雜質堵塞管路。

4.2 污水源熱泵在城市的發展應用

國家能源領域的優先發展主題是大力發展和規模化應用新能源以及可再生能源。開發利用現有的自然資源向城市供熱，以滿足經濟建設發展的需要。以前“煙囪林立”，現在一個個小型鍋爐房被拆除，由集中供熱取代，鍋爐的安全性、可靠性和熱效率都相應提高，更節能更環保。目前多是以公司和個人的形式使用污水源熱泵機組，利在一人一戶，節能效果不明顯，而城市污水，水量大且易集中，具有得天獨厚的條件，利用機組回收城市污水中的熱能還可以降低城市廢熱的排放。對于具體利用，可以建設污水、廢水收集和輸送管網，建立污水源熱泵站和換熱站，與生活熱水供水管道、供熱管道連接，因地制宜，不但取得良好的經濟效益，也有相當顯著的社會效益。