安青松,史 琳,湯 潤

(清華大學(xué)熱能工程系,北京 100084)

0 引 言

能源枯竭問題以及環(huán)境惡化問題的日益凸顯,建立可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和自然環(huán)境穩(wěn)定系統(tǒng)就成為了當(dāng)前主要的話題。可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求建立可持續(xù)能源系統(tǒng),也就是開發(fā)新能源和節(jié)能降耗;從熱力學(xué)分析可知,開發(fā)新能源是突破發(fā)展,而節(jié)能降耗是應(yīng)用可持續(xù),因此針對(duì)現(xiàn)有能量利用系統(tǒng)進(jìn)行改造,可以充分實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗優(yōu)化以及品位梯級(jí)利用。隨著人們生活品質(zhì)的不斷提高,生活熱水所耗能量在建筑耗能的比重不斷增加[1];而常規(guī)洗浴系統(tǒng)中是直接將使用后溫度較高的洗浴廢水排入污水系統(tǒng),使得污水中所含高于環(huán)境溫度的熱量被浪費(fèi),對(duì)于大型集中式洗浴系統(tǒng)中這種損失更加嚴(yán)重;據(jù)對(duì)某一學(xué)校的集中洗浴系統(tǒng)測試,淋浴出水溫度為40℃,洗浴廢水溫度為36℃,因此洗浴熱量利用只占加熱自來水所需熱量的 16.7%,其余的83.3%的熱量則被排放掉[2],其中包含高于環(huán)境的溫度的可用能。對(duì)于分散的單個(gè)洗浴系統(tǒng),由于廢水熱量以及廢水收集等問題,其余熱利用從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用上都不太合理,但是對(duì)于大型集中浴室,洗浴廢水溫度穩(wěn)定,流量相當(dāng),熱回收的潛力較大?，F(xiàn)今對(duì)于余熱回收利用中切實(shí)可行是采用熱泵技術(shù),熱泵技術(shù)是通過消耗少量的電能或化石能源,來回收低溫余熱的一種節(jié)能利用方式;而對(duì)于熱泵系統(tǒng)來說洗浴廢水是從總量和溫度上都是相對(duì)充足有效的熱源[3]。因此,利用污水源熱泵系統(tǒng)來回收洗浴廢水的熱量,來減少部分熱水制備耗能,是一種節(jié)能環(huán)保的能量利用方式。文獻(xiàn)[4]通過模擬對(duì)比污水源熱泵和空氣源熱泵的區(qū)域制冷供熱系統(tǒng),得出污水源熱泵系統(tǒng)能夠節(jié)省34%的能量,減少CO2的排放68%;文獻(xiàn)[5]通過對(duì)城市二級(jí)出水熱泵利用的分析和研究,解決了污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的一些關(guān)鍵問題,并將其成功地應(yīng)用到奧運(yùn)工程項(xiàng)目中。

在對(duì)利用污水源熱泵系統(tǒng)來回收洗浴廢水余熱的研究中,根據(jù)現(xiàn)今可調(diào)研的相關(guān)參考文獻(xiàn)中,目前主要集中在對(duì)其污水源熱泵系統(tǒng)內(nèi)部性能的分析,例如鄭曉琴通過對(duì)廢水熱回收換熱器的性能說驗(yàn)以及熱泵系統(tǒng)的TRANSYS模擬,得出了其熱泵的COP較高,其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性比傳統(tǒng)燃煤鍋爐系統(tǒng)和電鍋爐系統(tǒng)要好[6];文獻(xiàn)[7]在研究以洗浴廢水為熱源的污水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析中,從能量利用角度探討了洗浴廢水作為熱泵熱源在全年運(yùn)行的可行性,并獲得了相關(guān)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)[7]。然而,對(duì)于現(xiàn)行大型集中洗浴供熱系統(tǒng)中,一般都有自己的熱水制備系統(tǒng),因此如何將污水源熱泵系統(tǒng)與原有熱水系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷匹配設(shè)計(jì),對(duì)整個(gè)綜合系統(tǒng)進(jìn)行可行性以及節(jié)能優(yōu)化分析,這應(yīng)該是洗浴廢水熱泵利用的關(guān)鍵所在。因此本文從應(yīng)用中的關(guān)鍵問題出發(fā),對(duì)污水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)熱水系統(tǒng)綜合利用的可行性、合理性進(jìn)行了研究,對(duì)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性以及應(yīng)用規(guī)模等問題進(jìn)行了分析。

1 集中式洗浴熱水鍋爐與熱泵聯(lián)供系統(tǒng)

根據(jù)熱力學(xué)第一定律分析可知,如果完全利用熱泵回收廢水余熱來提供熱水所需熱量,這樣的設(shè)計(jì)與直接電加熱是等價(jià)的,因此根本不合理;只有將污水源熱泵與熱水鍋爐結(jié)合在一起,讓熱泵回收由熱水鍋爐提供的,高于環(huán)境溫度的這部分可用能,即給熱泵提供了一個(gè)可利用熱源。因此,完整的熱水鍋爐與熱泵聯(lián)供系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 熱水鍋爐與余熱回收熱泵聯(lián)供系統(tǒng)流程Fig.1 Hot water boiler and sewage heat pump combined system flow

圖1描述了整個(gè)制熱系統(tǒng)流程:供洗浴熱水由兩部分組成,一部分是由熱水鍋爐提供,另一部分由熱泵提供;洗浴完后的廢水經(jīng)過過濾器進(jìn)入到廢水池,再與污水板式換熱器進(jìn)行換熱,為熱泵提供低溫?zé)嵩?而放熱后的廢水被降低到環(huán)境溫度排放到水回收系統(tǒng)中用于澆花利用,回收的熱量再加熱自來水來提供生活熱水。整個(gè)循環(huán)過程不僅減少了一次能源的消耗,同時(shí)也降低了洗浴廢水的溫度,減少對(duì)環(huán)境熱污染。

同時(shí)從整個(gè)能量利用系統(tǒng)中可知,其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題在于:(1)洗浴廢水的水質(zhì)影響換熱效果,從而決定熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性;(2)熱泵與熱水鍋爐合理的負(fù)荷匹配影響整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能效果;(3)廢水溫降和熱泵COP等關(guān)鍵因素決定著整個(gè)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。因此,本文主要從這三個(gè)方面展開討論。

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性、節(jié)能性以及熱經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 洗浴廢水的水質(zhì)分析

為了分析洗浴廢水的水質(zhì)特性,本文對(duì)某集中浴室的洗浴廢水進(jìn)行檢測。該浴室開放時(shí)間為下午5點(diǎn)至晚上10點(diǎn),每天的洗澡人數(shù)約2 000人,洗浴水流量約30 t/h,其溫度變化見圖2。根據(jù)課題組前期對(duì)城市二級(jí)出水中熱泵工況下生物垢生長特性分析[8],獲得了一組影響換熱致垢的主要參數(shù),而生活廢水也屬于城市污水來源一部分,因此把相關(guān)理論應(yīng)用到生活廢水的分析中,測量主要指標(biāo)為:溫度,總?cè)芙夤腆w量、鈣硬度、堿度、懸浮物、COD,見表1。

表1 洗浴廢水與城市二級(jí)水參數(shù)比較Tab.1 Parameter comparison between bath sewage water and city secondary effluent

從圖2中可以看出:洗浴廢水溫度隨著使用量的增加略有增加,但溫度變化不大,說明洗浴廢水的溫度受室外環(huán)境溫度影響較小,洗浴廢水的溫度較高,并且溫度能保持恒定,有利于熱泵制取生活熱水的循環(huán)性能,是熱泵理想的熱源。從表1可以知道,洗浴廢水的硬度、堿度和溶解性固體均低于城市二級(jí)水,pH值低于飽和pH,可見,無機(jī)污垢方面,洗浴廢水與二級(jí)水比,不容易產(chǎn)生碳酸鈣沉淀;微生物污垢方面,洗浴廢水 COD接近二級(jí)水3倍,微生物隨著溫度的升高,生長速度會(huì)加快,在25℃達(dá)到最高,之后會(huì)逐漸下降,35℃時(shí)甚至低于15℃時(shí)的微生物生長。故可認(rèn)為,雖然洗浴廢水COD為代表的有機(jī)物含量較高,但較高的水溫不利于微生物污垢的生長。另外,洗浴廢水懸浮物是二級(jí)水3倍多,表明其中泥土、粉沙、微細(xì)有機(jī)物、無機(jī)物、浮游動(dòng)物和其它微生物等懸浮物和膠體物很多。熱泵熱利用時(shí)需要加過濾裝置,減少管道堵塞。

圖2 運(yùn)行時(shí)段洗浴廢水的溫度變化Fig.2 Temperature change of bath sewage water during operating time

2.2 聯(lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)分析

根據(jù)熱力學(xué)第一定律可以分析得知,熱泵不能全部取代鍋爐提供熱負(fù)荷,只能是減少鍋爐部分負(fù)荷,而其中熱泵負(fù)荷與鍋爐負(fù)荷的比例是聯(lián)供系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由質(zhì)量守恒可知,洗浴水總流量是由鍋爐和熱泵兩部分提供,基于一定的廢水收集系數(shù)就可以確定廢水流量,再從能量守恒,根據(jù)設(shè)定廢水溫降和COP就可以確定污水源熱泵的供熱流量,從而確定了熱泵負(fù)荷,鍋爐負(fù)荷也可以用同樣的方法確定,具體計(jì)算流程見圖3。計(jì)算過程如下:

圖3 熱力學(xué)計(jì)算流程圖Fig.3 Thermal computer flow graph

洗浴水總流量G3(m3/h):

式中:n為洗浴人數(shù);v為每人每天用水量,L;h為每天供水時(shí)間,h。

廢水流量G3(m3/h):

式中:k為廢水收集系數(shù)。

熱泵供水流量G1(m3/h):

式中:ΔT為廢水在板式換熱器中的溫降;T2為供水溫度,℃;T1為循環(huán)水溫度,℃。

鍋爐與熱泵的負(fù)荷配比:

式中:P1為熱泵負(fù)荷;P2為鍋爐負(fù)荷;Cp為水的比熱;η為鍋爐效率。

從上面的幾個(gè)推導(dǎo)式可知,鍋爐與熱泵的負(fù)荷比只與廢水收集系數(shù)、COP、自來水提升溫度以及廢水溫降有關(guān),這是因?yàn)閺U水在板式換熱器中的溫降反映出熱泵可回收的熱量,直接影響熱泵COP、熱泵負(fù)荷及鍋爐負(fù)荷,而 COP是反映熱泵性能的主要指標(biāo),因此廢水溫降和 COP是影響負(fù)荷比的關(guān)鍵因素。其變化關(guān)系見圖4。

圖4 鍋爐與熱泵負(fù)荷比變化Fig.4 Load change of boiler and heat pump

隨著廢水溫降的增加,熱泵負(fù)荷增加,鍋爐負(fù)荷減少,兩者均是線性的,熱泵與鍋爐負(fù)荷的比在增大。但是實(shí)際上熱泵消耗的電功 (高品位能源)也在增加,電功率和熱負(fù)荷的增加速度可以從圖5中看到。雖然,熱泵負(fù)荷和電功率均隨著廢水溫降的增加而上升,但是熱泵電功率的上升速度明顯比熱泵負(fù)荷高,這是COP下降導(dǎo)致的。由于電是高品位能源,增加電功率使節(jié)能效果變差,這種方式的經(jīng)濟(jì)性需要考慮。應(yīng)該存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)性最佳的廢水溫降點(diǎn)。

圖5 廢水溫降對(duì)熱泵負(fù)荷和電功率的影響Fig.5 Waster temperature effect on heat pump load and electric power

根據(jù)北京某高校洗浴廢水的實(shí)測數(shù)據(jù),結(jié)合污水源熱泵的理論計(jì)算,并定義下面的綜合節(jié)能性指標(biāo) (其中:κ為節(jié)能性,%;φ為負(fù)荷比,%):可計(jì)算得到洗浴人數(shù)2 200、廢水溫降8℃時(shí),熱泵和鍋爐四季的負(fù)荷,見表2:

表2 鍋爐、熱泵四季負(fù)荷Tab.2 Seasonal load of boiler and heat pump

可以看出熱泵負(fù)荷變化不大,這是因?yàn)榧俣ㄋ募緩U水溫降不變均為8℃,而且四季 COP變化很小。熱泵供給的總熱量基本不變,冬季增加的熱負(fù)荷幾乎全由鍋爐提供。另外,從兩者負(fù)荷比可以看到,冬季熱泵占到熱負(fù)荷的25%,而夏季超過40%,可見熱泵回收利用廢熱的效果很好。

2.3 熱經(jīng)濟(jì)性分析

基于上面的分析,以及北京某高校洗浴廢水回收項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求,本文對(duì)利用污水源熱泵回收廢水余熱的綜合系統(tǒng)改造進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)分析,計(jì)算基準(zhǔn)是靜態(tài)投資回收期。該工程已有燃?xì)忮仩t兩臺(tái),蓄熱水罐兩個(gè),并有一個(gè)可利用的廢水收集池,增加設(shè)備主要是污水源熱泵。采用現(xiàn)有天然氣價(jià)格2.05元/m3,電價(jià)0.488元/kW?h。可以計(jì)算出,燃?xì)忮仩t年運(yùn)行費(fèi)用為32.32萬元,污水源熱泵年運(yùn)行費(fèi)用為17.32萬元,熱泵負(fù)荷223.26 kW。再根據(jù)調(diào)研的污水源熱泵價(jià)格曲線可知:螺桿式熱泵回收期為2.03年,活塞式熱泵回收期為2.93年。

上面一節(jié)提到隨著廢水溫降的增加而上升,熱泵電功率的上升速度明顯比熱泵負(fù)荷高,應(yīng)該存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)性最佳的廢水溫降點(diǎn)。通過計(jì)算不同廢水溫降情況下,投資回收期的變化確定最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn),見圖6?？梢钥吹?最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)是存在的,螺桿式熱泵在10℃時(shí)投資回收期最小為1.95年,活塞式熱泵在8℃時(shí)投資回收期最小為2.93年隨著洗浴人數(shù)的增加,熱泵負(fù)荷上升,但是熱泵價(jià)格的上升速度是要小于熱泵負(fù)荷的增加速度的。而洗浴人數(shù)的變化不影響綜合聯(lián)供系統(tǒng)中熱泵負(fù)荷與鍋爐負(fù)荷的比例關(guān)系,所以運(yùn)行費(fèi)用是線性變化的。故可以斷定,當(dāng)洗浴人數(shù)增加時(shí),投資回收期是減少的,其趨勢見圖7,廢水溫降仍設(shè)為8℃。

圖6 廢水溫降對(duì)投資回收期的影響Fig.6 Temperature of sewage effect on investment payback period

圖7 洗浴人數(shù)規(guī)模對(duì)投資回收期的影響Fig.7 Bath scale effect on investment payback period

3 結(jié) 論

本文以集中式洗浴廢水熱泵熱回收為背景,主要從水質(zhì)、余熱回收熱泵系統(tǒng)及熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面討論了集中式洗浴廢水余熱回收問題。通過對(duì)水質(zhì)對(duì)比分析可知:洗浴廢水不容易產(chǎn)生碳酸鈣沉淀,其水溫特點(diǎn)不利于微生物污垢的生長,懸浮物很多,需要有過濾裝置。但是,污水對(duì)換熱設(shè)備性能影響很大,故采用間接式系統(tǒng)回收廢水中熱量。通過對(duì)綜合聯(lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)分析可知,污水源熱泵負(fù)荷與燃?xì)忮仩t負(fù)荷存在一定的關(guān)系,并且廢水溫降和 COP是影響其關(guān)鍵因素,并且其綜合聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性較明顯。通過對(duì)廢水在板式換熱器中溫降和洗浴人數(shù)對(duì)投資回收期的影響分析,存在經(jīng)濟(jì)性最佳的溫降選擇,并且,洗浴人數(shù)在1 500人以下時(shí)經(jīng)濟(jì)性不明顯,超過3 000人后投資回收期基本穩(wěn)定?？梢钥闯?熱泵系統(tǒng)在集中式洗浴余熱回收方面,節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性都很好,有應(yīng)用發(fā)展的前景。

[1]李元哲.熱泵熱水技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].陽光能源,2005,(10):52-54.

[2]黃坤榮,王林.熱泵技術(shù)在浴室廢熱回收上的應(yīng)用研究[J].制冷與空調(diào),2005,5(1):79-81.

[3]Baek N C.Study on the heat pump system using waste water as a heat source[J].Energy R&D 1994,16-19.

[4]Baek N C.Development of off-peak electric water heater using heat pump[J].1999-E-ID01-P11,2001,3-7.

[5]昝成.以二級(jí)出水為換熱介質(zhì)的板式換熱器結(jié)垢問題的研究[D].北京:清華大學(xué),2008.

[6]鄭曉琴.洗浴廢水熱回收熱泵系統(tǒng)的分析與研究[D].大連:大連理工大學(xué),2007.

[7]Baek N C.A study on the design and analysis of a heat pump heating system using wastewater as a heat source[J].Solar Energy,2005,78:427-440.

[8]賀東鈺.城鎮(zhèn)再生水板式換熱器板片腐蝕性研究和微生物分析[D].北京:清華大學(xué),2008.