朱一安 高 鹏 王 宁 马新宇 国丽荣

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150036)

1 概述

目前，资源的节约与高效利用是热点问题，我们针对某大学的浴池热水供应系统进行改造优化。校园属于人员密度较大的公共场所，校园内学生老师较多、并且学生大多离家较远，衣食住行均在校园内，所以需要为数量庞大的学生群体提供洗浴的场所。另外，能源与环境之间的矛盾也愈发严峻，燃煤锅炉加热热水的方式能耗大、效率低、环境污染严重。考虑到能源的可持续利用，减少能源的消耗，选择对洗浴废水的热能进行回收利用，借助污水源热泵提取洗浴废水中的低品位热能，加热自来水，达到洗浴用水要求。系统运行后，设备参数符合预期值，后期又与传统热水系统作了经济成本方面的对比。

2 系统原理

2.1 原理

洗浴污水排水温度为 32 ℃～35 ℃，意味着水中仍有一定的热量，我们希望可以通过消耗少量电能，利用污水源热泵将污水中的热量提取出来以二次利用，提高能源利用率。如图1系统原理所示，浴池污水中含有毛发和洗发露等固体、液体杂质，相对于生活污水来说，水质较干净单一，所以应单独设置浴池污水管路直接连接至独立污水池，污水池中的洗浴污水经过一级物化处理和二级生化处理，既降低污水腐蚀性，又能防止杂质堵塞系统管路，确保系统的使用寿命，有利于污水热量的提取。在进入污水换热器之前，利用过滤器将污水中的杂质排放到污水干渠中，过滤处理后的污水流入地下污水换热池中，利用低温载冷剂吸收热量，蒸发器将热量传递给热泵中的制冷剂，最后通过冷凝器将热量重新传递给即将使用的热水从而实现了热能的循环利用。

2.2 蒸发器换热形式的选择

按照换热方式通常分为淋水式、浸泡式、管壳式和板式4类。淋水式为开式系统，直接将污水喷洒在换热管上。由于考虑到疾病疫情等影响，淋水式换热器虽然换热系数高，但存在病原微生物及病毒扩散的风险，不适用人员密集的校园浴池场所。浸泡式是将换热管束浸泡在污水中，该种方式无须考虑换热器堵塞和病菌扩散风险，但是污水换热器采用耐腐蚀的镍铜合金材质，换热系数相对较小，并且需要较大体积的浸泡池和强制扰动水流措施，空间和维护管理要求高。考虑到污水中可能含有油性污物，流经换热器时会产生挂膜现象，从而增加换热热阻，影响换热效率，因此采用管壳式换热器，换热时污水走壳程，并且设置自动反清洗装置，定时进行反冲洗，保证换热效率，提高热能利用率。

2.3 蒸发器侧一次换热与二次换热的选择

一次换热形式简单、占地小、投资少。机组初始效率高不需要设置中介水泵，没有额外电耗。但由于污水直接进入机组，需要采用昂贵的耐腐蚀材料，蒸发器换热系数下降较快并且污水杂质滤出量多，处理麻烦，机组运行工作条件差。二次换热采用中介水换热，机组腐蚀可能性降低，机组效率稳定不需要过滤杂质。结构比较复杂、投资多。增加为二次换热后，能效比下降，并且中介水泵有电耗。结合该大学实际情况需求，浴池污水水质较好，腐蚀性较小且经过过滤器的过滤后杂质少。所以选用一次换热的形式，结构简单，能效比高，没有额外的电耗。

3 应用案例与对比分析

3.1 应用案例

采用污水源热泵余热回收技术来加热洗浴热水，是通过污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。其工艺如下：澡堂洗浴后排出的废水流入一个有效容积为50 m3的污水收集池内。收集池内的废水通过水泵增压泵入砂滤缸过滤，污水储存到100 m3的污水池内。再由STY-XY180 热泵机组提取热量，然后排走即可。自来水经过热泵机组加热，最后与少量热水掺混即可满足洗浴要求，温度可达42 ℃～46 ℃。

经调研，该高校浴池每天营业10 h，其中3 h高峰期，其余时间人数相对减少，浴池共有60个喷头，最多允许35个喷头同时开启，每人每次洗浴用水量约为100 L～200 L，按照平均每人150 L，每小时每个喷头洗浴2人计算，最大小时用热水量为10.5 t,浴池平均每天的洗浴用水量为68.4 t，符合实际调研记录和数据统计，设计热量最大按每天需求69 t，46 ℃的热水计算，自来水温度4 ℃～5 ℃。

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

计算得制热量为140.88 kW，洗浴废水排水温度为 32 ℃～35 ℃，含有大量的热能，并且废水流量稳定，水质、水温都无较大变化，受气候影响较小，是污水源热泵的理想热源。故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，对废热实现再次利用。根据上述计算结果选择机组，如表1所示。

表1 污水源热泵机组数据

3.2 与其他供热水方式经济效益对比

为凸显污水源热泵热水机组的优越性，根据目前市场上各燃料价格，对供给单位水量的各种加热方式的费用进行对比，结果如图2所示。

由图2可知，以各种方式加热水所耗费的资金对比来看，污水源热泵热水机组在耗费低这一方面具有巨大的优势，但仅凭这一点仍不足以完全显示污水源热泵的优势。于是我们再次以燃气锅炉和污水源热泵进行各项细致的对比，结果如表2所示，我们可以看出虽然污水源热泵的热水机组初始投资高，但是热效率较高，安全性好，使用寿命更长，不需要频繁的更换设备，单是无污染这一优点，便是一个值得推广使用的理由。

表2 相同热水量两种加热方式经济效益对比

3.3 应用案例综合分析

由上述某大学洗浴废水与污水源热泵的结合案例，可以得出以下两个结论：

1)采用直接式污水源热泵系统，管壳式换热器，是针对于该高校浴池位置、地下管路结构，以及进行管路和地下污水换热池的布置。系统结构简单，经济成本消耗低，加热效率高，并且极大改善了资源利用结构，管理维修方便，工作量小，设计合理。

2)在进行设计计算时以每天最多70 t用水量，温度46 ℃的热水计算，根据实际情况选用STY-XY180热泵机组。自来水从4 ℃～5 ℃经热泵机组加热，水温可达42 ℃～46 ℃，完全满足实际需求。

4 发展前景

4.1 机组防污技术的提高

污水源热泵机组应用于该高校浴池的节能性与可行性已得到充分的论证，对于工厂企业排放的工业废水，其中含有的废水余热更是不容小觑，但是污水水质较差，掺混的杂质也复杂多样，所以这对于过滤消毒也提出了更高的要求，相应经济成本自然会随之上升，并且热泵在投入使用后所产生后续问题的可能性也会大大增加。所以将污水源热泵应用于更广泛的领域，重心应该放在水质处理，一方面提升过滤消毒核心技术以降低成本，另一方面避免污水杂质堵塞管路。

4.2 污水源热泵在城市的发展应用

国家能源领域的优先发展主题是大力发展和规模化应用新能源以及可再生能源。开发利用现有的自然资源向城市供热，以满足经济建设发展的需要。以前“烟囱林立”，现在一个个小型锅炉房被拆除，由集中供热取代，锅炉的安全性、可靠性和热效率都相应提高，更节能更环保。目前多是以公司和个人的形式使用污水源热泵机组，利在一人一户，节能效果不明显，而城市污水，水量大且易集中，具有得天独厚的条件，利用机组回收城市污水中的热能还可以降低城市废热的排放。对于具体利用，可以建设污水、废水收集和输送管网，建立污水源热泵站和换热站，与生活热水供水管道、供热管道连接，因地制宜，不但取得良好的经济效益，也有相当显著的社会效益。