史晨曦 狄育慧 蒋 婧

（西安工程大学城市规划与市政工程学院 西安 710048）

0 引言

洗浴废水是生活污水的主要来源之一[1-3]。洗浴废水按照来源的不同可分为：公共浴池洗浴废水、学校洗浴废水和居民洗浴废水三大类，其中公共浴池洗浴废水和学校洗浴废水因为水量充足且流量稳定容易被回收利用，而且其排水温度较高[4]。且目前我国对于洗浴废水处理的办法就是直接排放到管网中，因此对于污水中的大量的低品位热能未进行利用，造成了能源的极大浪费。目前，随着污水源热泵在我国的兴起，让这一部分的余热回收利用成为可能。在国外，Baekl[5]等研究以桑拿废水为低温热源的压缩式热泵，利用峰谷电差蓄热，为桑拿中心供热水。并利用TRNSYS 搭建了仿真平台对整个系统进行模拟。对于国内，大连理工大学郑晓琴[6]建立了以洗浴废水为低温热源的污水源热泵模型，并模拟了该系统的运行情况，得出系统运行COP 可达5.2。清华大学安青松[7]研究了污水源热泵在集中浴室废水余热利用，分析对比洗浴废水与城市二级水，表明利用热泵回收浴室废水余热的可行性；污水源热泵通过消耗少量的电能从污水汲取低品位热能使其转化成高品位热能[8]满足人们的日常所需。

文中主要针对学校洗浴废水，结合某高校学生浴池具体使用情况进行调查测试，收集数据资料，针对其特点进行分析。为其设计一套与原系统耦合的污水源热泵回收系统。

1 项目基本情况

该高校占地面积108 万平方米，建筑面积53万平方米，分为A 和B 两校区。本次调查测试主要针对于B，B 校区目前拥有全日制在校生13000余名。该校区学生浴池冬季热水来源由学校南锅炉房供给，将加热后蒸汽送至锅炉房二楼与自来水进行换热，使水温升高至60℃，然后通过供水管道将热水输送至洗浴中心，由学生通过调节末端阀门进行冷热水调节，其他季节均采用空气源热泵加热的方式来制取热水。学生浴池目前未设置洗浴污水余热回收系统，洗浴废水直接通过学校污水管网排出。锅炉房设备为2 台江苏双良锅炉有限公司生产WNS10-1.0-QT 全自动燃油（气）蒸汽锅炉组成，如图1 所示，该锅炉的技术参数如表1 所示，现有浴室系统结构图如图2 所示。

图2 现有浴室系统流程图Fig.2 Flow chart of the bathroom system

表1 WNS10-1.0-QT 全自动燃油（气）蒸汽锅炉技术参数Table 1 The WNS10-1.0-QT is fully automatic Technical parameters of fuel fuel(gas)steam boiler

图1 西安某高校学生浴室热水供应锅炉Fig.1 Hot water supply boiler for a college student bathroom in Xi'an

学生浴池分为上下两层且构造相同，二楼为女生浴池，一楼为男生浴池。共有浴头数量308 个，其中包括218 个单人洗浴和90 个开放洗浴。冬夏季开放时间均为10:00—22:00，日供水时间为12个小时，年平均运行时间280 天。

2 数据调查及分析

为了给本论文提供真实可靠的数据依据，数据来源采用现场实测的方式进行。笔者通过调查统计该高校2021年11月份30 天的用水量，统计结果如表2 所示，对于温度的测试包括自来水温度、天气温度以及浴池污水温度。测试采用随机采样的方式选取11、12月份十天内三项数据的逐时温度进行统计分析并制作成点线图，结果如图3、图4 所示。以此来确定整个冬季浴池的相关温度工况。

图3 温度逐时变化图Fig.3 Time-by-time temperature change diagram

图4 2021年11月份用水量点线图Fig.4 Line diagram of water consumption points in November 2021

表2 洗浴中心11月份用水量统计表Table 2 Water Consumption Statistics of Bath Center in Novembe

续表2 洗浴中心11月份用水量统计表

由统计数据可以看出，自来水温度以及浴池温度随天气温度的变化波动不大，分析其原因是由于自来水通过地下管道输送，与空气之间的传热小；而洗浴污水由于浴池内流动直接通过污水管道排出，且浴池墙壁也避免了浴池污水直接暴露于环境温度下，因此减少了与环境温度之间的大面积换热，所以水温波动不大。日用水量存在周期性变化，周一到周五用水量相对稳定，周六周天会出现用水小高潮。这是由于学校学习生活的规律性，相似性造成的。

在本次测试数据中，测得该校自来水平均温度为18℃，洗浴污水平均温度为36℃。日平均用水量为191t/d。最小用水量分别出现在18 号和20 号这两天，用水量为165t/d，最大用水量出现在14号，用水量为231t/d。根据《建筑给水排水设计规范》（GB 50015-2003）中5.1.1 条中规定在对洗浴热水使用温度设计时一般应在40~45℃。由公式（1）可计算出洗浴废水中含有的热量与加热自来水所需热量的比值。

式中，t1为洗浴废水温度，℃；t2为洗浴水温度，℃；t 为自来水温度，℃。

取洗浴水温度为42℃代入公式可得结果F=75%，因此可知洗浴中用到的热量仅占25%，75%的热量都随洗浴废水浪费掉。

总结以上数据分析可知，该校目前洗浴用水量大、水量稳定，洗浴废水温度较高，因此对与该校洗浴废水余热回收存在巨大潜力。

3 系统设计

基于洗浴废水中含有大量不同的污染物[9]，容易造成热泵余热回收系统的腐蚀、结垢、堵塞等问题，因此系统选择与原蒸汽锅炉进行耦合的间接式污水源热泵系统。该种方式中的污水源热泵系统承担部分负荷，其余负荷由原有锅炉或空气源热泵承担，污水源热泵系统的负荷可以根据污水的排放量及污水的取热温差确定，其他加热方式的负荷根据总的热负荷减掉污水源热泵系统的负荷来确定，这种方式较之前单一的加热方式运行费用低且更加节能环保，改造后浴池系统如图6 所示。

图6 改造后浴室系统图Fig.6 Bath system diagram after renovation

3.1 热泵机组设备选型计算

由系统设计需求可知，该热泵系统需要将18℃的自来水加热至60℃送至热水箱，且自来水流量为4.2kg/s，代入公式（2）[10]可计算出所需热泵机组的制热量为740.9kW。

式中：m 为自来水流量，kg/s；c 为自来水的比热容，取4.2KJ/(kg·℃）；tout为热泵机组出水温度，℃；tin为热泵机组进水温度，℃。

根据计算结果选择机组为开利公司生产的型号为61XW-B1-210B 水地源热泵，该热泵的技术参数如表3 所示。

表3 61XW-B1-210B 水地源热泵技术参数Table 3 61 Technical Parameters of X W-B1-210B water and ground source heat pump

3.2 系统节能性分析

该热泵机组每天制取的热量折算成标准煤为：

式中，M1为污水源热泵机组制热折算成的标准煤量，kg；Q 为热泵机组每天的制热量，kJ；qe为标准煤的热值，取2.9×104KJ/kg[11]；1η 为电力输入效率，取30%[12]；COP 为热泵机组的能效比，取4.99。则M1=740.9×24×3600/(2.9×104×30%×4.99）=1475kg。

若采用传统的燃煤锅炉制取同等质量的热水需要消耗的标准煤为：

式中，M2为燃煤锅炉制热折算成的标准煤量，kg；2η 为燃煤锅炉效率（包含储煤损失、输送损失等），取60%[13]。

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

由计算结果可知采用污水源热泵机组每天折算的标准煤量相比于传统燃煤锅炉每天折算的标准煤量节约了ΔM = M2- M1= 3679 - 1475 =2204kg，且污水源热泵机组每天折算标准煤量仅占传统燃煤锅炉标准煤量的40%，节能效果显著。

3.3 系统环保性分析

由上一节计可知污水源热泵机组每天节约折算标准煤量为2204kg，该校浴池平均年运行天数为280 天，则全年节约标准煤量为617120kg。我国污染物排放标准定额如表3[14]所示。

表3 我国污染物排放标准定额Table 3 The pollutant emission standard quota in China

则污水源热泵机组全年减少的污染物排放量根据公式（5）计算：

式中： Δmw,i为第i 种污染物的排放减少量，kg；i 为依次代表SOX、CO2、NOX、粉尘；ΔRw,i为单位质量标煤燃烧产生的第i 种污染物质量，kg·kg-1。

所以全年 SOX排放减少量为Δmw,i= M ×ΔRw,i= 617120×0.03=18513.6kg，其余污染物排放减少量计算结果见表4 所示。

表4 污染物全年排放减少量Table 4 Annual reduction in pollutant emissions

4 结语

该高校当前洗浴废水直接排到学校排水系统中，这样对洗浴废水中余热造成了严重的浪费，经计算洗浴中用到的热量仅占25%，75%的热量都随洗浴废水浪费掉。另外，将洗浴废水直接排放也会造成环境热污染问题。笔者根据该高校污水的排放量及污水的取热温差以及洗浴废水的水质特点为该校设计出一套与原有锅炉系统相耦合的间接式污水源热泵系统。对该系统按折算标准煤量计算该系统仅占传统燃煤锅炉标准煤量的40%，节能效果显著。通过环保分析可知每年SOX排放减少量18513.6kg、CO2排放减少量1697080kg、NOX排放减少量2468.48kg、粉尘减少量12342.4kg，环保效益显著。