高校洗浴廢水余熱回收系統的設計研究

史晨曦 狄育慧 蔣 婧

（西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710048）

0 引言

洗浴廢水是生活污水的主要來源之一[1-3]。洗浴廢水按照來源的不同可分為：公共浴池洗浴廢水、學校洗浴廢水和居民洗浴廢水三大類，其中公共浴池洗浴廢水和學校洗浴廢水因為水量充足且流量穩定容易被回收利用，而且其排水溫度較高[4]。且目前我國對于洗浴廢水處理的辦法就是直接排放到管網中，因此對于污水中的大量的低品位熱能未進行利用，造成了能源的極大浪費。目前，隨著污水源熱泵在我國的興起，讓這一部分的余熱回收利用成為可能。在國外，Baekl[5]等研究以桑拿廢水為低溫熱源的壓縮式熱泵，利用峰谷電差蓄熱，為桑拿中心供熱水。并利用TRNSYS 搭建了仿真平臺對整個系統進行模擬。對于國內，大連理工大學鄭曉琴[6]建立了以洗浴廢水為低溫熱源的污水源熱泵模型，并模擬了該系統的運行情況，得出系統運行COP 可達5.2。清華大學安青松[7]研究了污水源熱泵在集中浴室廢水余熱利用，分析對比洗浴廢水與城市二級水，表明利用熱泵回收浴室廢水余熱的可行性；污水源熱泵通過消耗少量的電能從污水汲取低品位熱能使其轉化成高品位熱能[8]滿足人們的日常所需。

文中主要針對學校洗浴廢水，結合某高校學生浴池具體使用情況進行調查測試，收集數據資料，針對其特點進行分析。為其設計一套與原系統耦合的污水源熱泵回收系統。

1 項目基本情況

該高校占地面積108 萬平方米，建筑面積53萬平方米，分為A 和B 兩校區。本次調查測試主要針對于B，B 校區目前擁有全日制在校生13000余名。該校區學生浴池冬季熱水來源由學校南鍋爐房供給，將加熱后蒸汽送至鍋爐房二樓與自來水進行換熱，使水溫升高至60℃，然后通過供水管道將熱水輸送至洗浴中心，由學生通過調節末端閥門進行冷熱水調節，其他季節均采用空氣源熱泵加熱的方式來制取熱水。學生浴池目前未設置洗浴污水余熱回收系統，洗浴廢水直接通過學校污水管網排出。鍋爐房設備為2 臺江蘇雙良鍋爐有限公司生產WNS10-1.0-QT 全自動燃油（氣）蒸汽鍋爐組成，如圖1 所示，該鍋爐的技術參數如表1 所示，現有浴室系統結構圖如圖2 所示。

圖2 現有浴室系統流程圖Fig.2 Flow chart of the bathroom system

表1 WNS10-1.0-QT 全自動燃油（氣）蒸汽鍋爐技術參數Table 1 The WNS10-1.0-QT is fully automatic Technical parameters of fuel fuel(gas)steam boiler

圖1 西安某高校學生浴室熱水供應鍋爐Fig.1 Hot water supply boiler for a college student bathroom in Xi'an

學生浴池分為上下兩層且構造相同，二樓為女生浴池，一樓為男生浴池。共有浴頭數量308 個，其中包括218 個單人洗浴和90 個開放洗浴。冬夏季開放時間均為10:00—22:00，日供水時間為12個小時，年平均運行時間280 天。

2 數據調查及分析

為了給本論文提供真實可靠的數據依據，數據來源采用現場實測的方式進行。筆者通過調查統計該高校2021年11月份30 天的用水量，統計結果如表2 所示，對于溫度的測試包括自來水溫度、天氣溫度以及浴池污水溫度。測試采用隨機采樣的方式選取11、12月份十天內三項數據的逐時溫度進行統計分析并制作成點線圖，結果如圖3、圖4 所示。以此來確定整個冬季浴池的相關溫度工況。

圖3 溫度逐時變化圖Fig.3 Time-by-time temperature change diagram

圖4 2021年11月份用水量點線圖Fig.4 Line diagram of water consumption points in November 2021

表2 洗浴中心11月份用水量統計表Table 2 Water Consumption Statistics of Bath Center in Novembe

續表2 洗浴中心11月份用水量統計表

由統計數據可以看出，自來水溫度以及浴池溫度隨天氣溫度的變化波動不大，分析其原因是由于自來水通過地下管道輸送，與空氣之間的傳熱小；而洗浴污水由于浴池內流動直接通過污水管道排出，且浴池墻壁也避免了浴池污水直接暴露于環境溫度下，因此減少了與環境溫度之間的大面積換熱，所以水溫波動不大。日用水量存在周期性變化，周一到周五用水量相對穩定，周六周天會出現用水小高潮。這是由于學校學習生活的規律性，相似性造成的。

在本次測試數據中，測得該校自來水平均溫度為18℃，洗浴污水平均溫度為36℃。日平均用水量為191t/d。最小用水量分別出現在18 號和20 號這兩天，用水量為165t/d，最大用水量出現在14號，用水量為231t/d。根據《建筑給水排水設計規范》（GB 50015-2003）中5.1.1 條中規定在對洗浴熱水使用溫度設計時一般應在40~45℃。由公式（1）可計算出洗浴廢水中含有的熱量與加熱自來水所需熱量的比值。

式中，t1為洗浴廢水溫度，℃；t2為洗浴水溫度，℃；t 為自來水溫度，℃。

取洗浴水溫度為42℃代入公式可得結果F=75%，因此可知洗浴中用到的熱量僅占25%，75%的熱量都隨洗浴廢水浪費掉。

總結以上數據分析可知，該校目前洗浴用水量大、水量穩定，洗浴廢水溫度較高，因此對與該校洗浴廢水余熱回收存在巨大潛力。

3 系統設計

基于洗浴廢水中含有大量不同的污染物[9]，容易造成熱泵余熱回收系統的腐蝕、結垢、堵塞等問題，因此系統選擇與原蒸汽鍋爐進行耦合的間接式污水源熱泵系統。該種方式中的污水源熱泵系統承擔部分負荷，其余負荷由原有鍋爐或空氣源熱泵承擔，污水源熱泵系統的負荷可以根據污水的排放量及污水的取熱溫差確定，其他加熱方式的負荷根據總的熱負荷減掉污水源熱泵系統的負荷來確定，這種方式較之前單一的加熱方式運行費用低且更加節能環保，改造后浴池系統如圖6 所示。

圖6 改造后浴室系統圖Fig.6 Bath system diagram after renovation

3.1 熱泵機組設備選型計算

由系統設計需求可知，該熱泵系統需要將18℃的自來水加熱至60℃送至熱水箱，且自來水流量為4.2kg/s，代入公式（2）[10]可計算出所需熱泵機組的制熱量為740.9kW。

式中：m 為自來水流量，kg/s；c 為自來水的比熱容，取4.2KJ/(kg·℃）；tout為熱泵機組出水溫度，℃；tin為熱泵機組進水溫度，℃。

根據計算結果選擇機組為開利公司生產的型號為61XW-B1-210B 水地源熱泵，該熱泵的技術參數如表3 所示。

表3 61XW-B1-210B 水地源熱泵技術參數Table 3 61 Technical Parameters of X W-B1-210B water and ground source heat pump

3.2 系統節能性分析

該熱泵機組每天制取的熱量折算成標準煤為：

式中，M1為污水源熱泵機組制熱折算成的標準煤量，kg；Q 為熱泵機組每天的制熱量，kJ；qe為標準煤的熱值，取2.9×104KJ/kg[11]；1η 為電力輸入效率，取30%[12]；COP 為熱泵機組的能效比，取4.99。則M1=740.9×24×3600/(2.9×104×30%×4.99）=1475kg。

若采用傳統的燃煤鍋爐制取同等質量的熱水需要消耗的標準煤為：

式中，M2為燃煤鍋爐制熱折算成的標準煤量，kg；2η 為燃煤鍋爐效率（包含儲煤損失、輸送損失等），取60%[13]。

則M2=740.9×24×3600/(2.9×104×60%）=3679kg

由計算結果可知采用污水源熱泵機組每天折算的標準煤量相比于傳統燃煤鍋爐每天折算的標準煤量節約了ΔM = M2- M1= 3679 - 1475 =2204kg，且污水源熱泵機組每天折算標準煤量僅占傳統燃煤鍋爐標準煤量的40%，節能效果顯著。

3.3 系統環保性分析

由上一節計可知污水源熱泵機組每天節約折算標準煤量為2204kg，該校浴池平均年運行天數為280 天，則全年節約標準煤量為617120kg。我國污染物排放標準定額如表3[14]所示。

表3 我國污染物排放標準定額Table 3 The pollutant emission standard quota in China

則污水源熱泵機組全年減少的污染物排放量根據公式（5）計算：

式中： Δmw,i為第i 種污染物的排放減少量，kg；i 為依次代表SOX、CO2、NOX、粉塵；ΔRw,i為單位質量標煤燃燒產生的第i 種污染物質量，kg·kg-1。

所以全年 SOX排放減少量為Δmw,i= M ×ΔRw,i= 617120×0.03=18513.6kg，其余污染物排放減少量計算結果見表4 所示。

表4 污染物全年排放減少量Table 4 Annual reduction in pollutant emissions

4 結語

該高校當前洗浴廢水直接排到學校排水系統中，這樣對洗浴廢水中余熱造成了嚴重的浪費，經計算洗浴中用到的熱量僅占25%，75%的熱量都隨洗浴廢水浪費掉。另外，將洗浴廢水直接排放也會造成環境熱污染問題。筆者根據該高校污水的排放量及污水的取熱溫差以及洗浴廢水的水質特點為該校設計出一套與原有鍋爐系統相耦合的間接式污水源熱泵系統。對該系統按折算標準煤量計算該系統僅占傳統燃煤鍋爐標準煤量的40%，節能效果顯著。通過環保分析可知每年SOX排放減少量18513.6kg、CO2排放減少量1697080kg、NOX排放減少量2468.48kg、粉塵減少量12342.4kg，環保效益顯著。