杨 思

（开滦唐山矿业分公司，河北 唐山 063000）

随着社会对环保要求的逐渐提高，清洁能源逐步取代燃煤锅炉势在必行。传统型工矿企业职工洗浴用水热源一般为燃煤锅炉，在环保政策导向下，进行清洁能源的置换，是每个传统型工矿企业亟待解决的问题。在现有科技水平下，可代替燃煤锅炉的清洁能源有燃气锅炉、太阳能、电能、空气源热泵、水源热泵等。某矿业公司经过数据统计和调研分析，每天的洗浴用水量为180 t，小时最大量为30 t，设计热量每天按180 t 42℃热水计算，则总热量为6 720 kW/日，小时平均热量为280 kW/h。经过调研论证分析，职工浴室洗浴废水排水温度为32℃～35℃，洗浴废水中含有大量的热能，并且其质量稳定，水质、水温、水量都变化不大，受气候影响较小，是代替现有供热方式的理想热源[1]。采用洗浴废水热能回收系统，提取污水中的低品位热能，经污水源热泵转换，是供应洗浴热水非常理想的选择。

1 系统概况

采用污水源热泵余热回收技术制备洗浴热水，是通过水源热泵机组提取当天洗浴废水中的热量，对自来水进行加热。据现场调研资料，该职工浴室洗浴废水排水温度为32℃～35℃，日排水总量约在180 t，该方案采用热泵工艺系统提取废水中蕴含的低温热能，将自来水加热至42℃～46℃，供洗浴用水。系统设计每日用水量为180 t，其中淋浴每日用水量为160 t，浴池每日用水量为20 t。其工艺如下：澡堂洗浴后排出的废水流入一个有效容积为20 m3的废水收集池内。收集池内的废水通过水泵增压泵入砂滤缸过滤，后经换热器与自来水进行一次换热，换热后的污水储存到100 m3的污水池内。一次换热后的污水再经SDR-1280S/W热泵机组提取热量，然后排放至场区下水管网。自来水首先经过换热器一次换热，温升后经热泵机组加热至42℃～46℃，加热后的水分别储存于3个25 m3的保温水箱中。洗浴时，储存于3个25 m3水箱内的热水经增压泵泵入澡堂屋顶2个20 m3的保温水箱内，从而完成一个热泵工作循环。

2 工艺原理

污水源热泵机组是废水余热回收技术的核心，机组带有一套可逆式的制冷循环系统，包括使用侧的换热设备、压缩机、热源侧换热设备。制冷时，压缩机把低压制冷剂蒸汽压缩后，成为高压制冷剂气体进入冷凝器（换热器），在冷凝器中通过与水进行热交换，使制冷剂冷凝为高压液体，再经热力膨胀阀的节流膨胀后进入蒸发器，从而对负荷侧载热介质进行冷却，如图1所示。制热时，通过换向阀的切换，使制冷工况的冷凝器在这时变为蒸发器，而制冷工况时的蒸发器这时变为冷凝器。通过蒸发器吸收水的热量，在热泵循环过程中，从冷凝器向负荷侧热量载体放热[2]。

图1 工作原理（制冷）

3 增容改造

系统投入后，运行情况良好，日产水量为180 t，满足矿区职工澡堂洗浴需求，吨水耗电仅4～5度。后期由于人为原因，职工浴室用水需求增大，远超原设计用水量180 t/d，日均需用水量达到270 t/d，需要对现有系统进行扩容设计。同时，现有系统自动化程度低，无法实现远程控制，需对其进行提标设计，实现远程监控的目的。

3.1 新增热负荷计算

该次设计新增用水全部为淋浴用热水，总量为100 t。冷水温度按10℃，淋浴热水温度按42℃计算，则：

热负荷公式：Q= C×M×△T

C—水的比热，4.2 kJ/（㎏·℃）。

M—每班用水总量，㎏。

△T—水温差，℃。

新增淋浴用水每日热负荷为：

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

3.2 新增洗浴废水中蕴含的热量

洗浴废水排放温度按33℃计算，以取热后废水温度降至5℃作为计算依据。新增洗浴废水量按99 t/d计（计1%损耗）。

根据计算，职工洗浴废水每日可提供的热量为：

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

3.3 热泵机房设备选型

3.3.1 换热器选型

换热器设计循环流量与污水排水最大小时流量相同，原设计循环流量为50 m3/h，换热器温升为20℃。选用2台换热器串连连接，单台制热量为750 kW，累计换热时间取5.6 h。原设计一次污水换热循环泵及换热器，满足扩容提标后的换热需求，该次设计维持原设计不变。

3.3.2 洗浴水加热机组选型

根据上节计算，每天新增洗浴热水需要的热量为13.44 GJ，洗浴水加热机组拟选用WL-2-1280S/W型水源热泵机组，COP值为4.8，输入功率为26.3 kW，输出功率为126.6 kW，则机组每日工作时长为：洗浴废水热源机组工作时长：（13.44×106-750×2×3600）÷3600÷126.6kW÷2=8.8h。原系统有热泵机组4台，该次扩容提标工程需新增热泵机组2台。由于机房空间有限，因此对设备进行集成，即新增加热机组选用一组WL-2-1280S/W型水源热泵机组。

3.4 自动控制系统

为了提高热泵机组控制系统的稳定性及可靠性，新增2台热泵机组电控箱的控制系统采用西门子PLC自动控制，并对现有的4台热泵机组电控系统进行升级改造，由现有的单片机控制系统升级为PLC控制系统。为了提高系统运行管理水平，降低运行成本，该工程仍采用集散控制系统，利用上位机监控系统集中对热泵机房分散系统进行监视、控制。

4 污水源热泵系统的优势

4.1 高效节能

项目投入运行后，实际运行能效比（COP值）为4.6。与空气源热泵系统比较，解决了我国北方地区冬季户外温度较低，设备易结霜和除霜频率高的技术问题。由于洗浴废水水温恒定，保证了热泵工作性能的稳定，能效比比传统的空气源热泵在北方地区的冬季高出50%左右。污水源热泵与用电锅炉相比，节约2/3以上的电能；污水源热泵与燃煤锅炉相比，节约1/2以上的能源；且污水源热泵的使用成本是燃气锅炉的1/3。

4.2 环保效益

该项目通过污热泵技术，提取洗浴废水中蕴藏的低温热能，为职工洗浴提供热源，属于可再生能源利用技术，真正实现了废热回收利用，符合循环经济及国家节能减排政策。与原燃煤锅炉房系统相比，没有燃烧过程，不需要设置烟尘处理系统，不产生任何废渣、废水等污染物，环境效益显著。

4.3 经济效益

4.3.1 原澡堂燃煤锅炉运行资料

年耗燃煤1 900 t，燃煤单价以320元/t计算。年燃料费用：320×1900=60.8万元，软水费用：10万元，燃煤锅炉每年维修材料费用：40.3万元，人员管理费用：25人×2500×12=75万元，锅炉和日常照明电费：39.8万元，锅炉折旧费：6万元，合计每年总运行费用：60.8＋10＋40.3+75＋39.8+6+3=234.9万元。

4.3.2 使用污水源热泵系统的成本

运行费用=每吨热水耗电量×电价×每日耗水量×天数 =5×0.52×180×365×1.02=17.08万元，人员管理费用：2人×4万=8万元，机组维修管理费用每年：9.5万元，机组年折旧：268.4÷18=14.91万元，合计年运行费用：17.08+8+9.5+14.91=49.49万元。

4.3.3 使用不同能源提供热源成本的比较

原燃煤锅炉年运行费用（含折旧）：221万元，污水源热泵系统年运行费用（含折旧）：49.49万元，热能回收与燃煤锅炉比较：年运行费用可节约：234.9-49.49=185.41万元。

4.4 一机多用

污水源热泵系统不仅可以为职工洗浴提供热源，夏天也可以作为空调制冷，一套系统可以代替原来的燃煤锅炉加部分办公区域的空调系统。污水源热泵系统在夏季提取污水中的热量加热洗浴用水的同时，也可以降低自来水的温度，供室内风机盘管的冷水，达到空调制冷的效果。

5 结语

综上所述，按照国家对于城镇污水处理及再生利用设施建设规划，污水源热泵的大力应用被业界普遍看好。目前，该技术较为成熟，国内外工程实例很多。20世纪80年代初，瑞典、挪威等北欧国家就已经开始应用污水源热泵技术，现在我国污水源热泵也已得到了一定程度的发展[3]。燃煤锅炉取缔在即，传统型工矿企业也面临转型发展，在节能环保的基础上，满足职工洗浴要求，采用污水源热泵系统，在节能减排、降本提效方面效果显著。