楊 思

（開(kāi)灤唐山礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000）

隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保要求的逐漸提高，清潔能源逐步取代燃煤鍋爐勢(shì)在必行。傳統(tǒng)型工礦企業(yè)職工洗浴用水熱源一般為燃煤鍋爐，在環(huán)保政策導(dǎo)向下，進(jìn)行清潔能源的置換，是每個(gè)傳統(tǒng)型工礦企業(yè)亟待解決的問(wèn)題。在現(xiàn)有科技水平下，可代替燃煤鍋爐的清潔能源有燃?xì)忮仩t、太陽(yáng)能、電能、空氣源熱泵、水源熱泵等。某礦業(yè)公司經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和調(diào)研分析，每天的洗浴用水量為180 t，小時(shí)最大量為30 t，設(shè)計(jì)熱量每天按180 t 42℃熱水計(jì)算，則總熱量為6 720 kW/日，小時(shí)平均熱量為280 kW/h。經(jīng)過(guò)調(diào)研論證分析，職工浴室洗浴廢水排水溫度為32℃～35℃，洗浴廢水中含有大量的熱能，并且其質(zhì)量穩(wěn)定，水質(zhì)、水溫、水量都變化不大，受氣候影響較小，是代替現(xiàn)有供熱方式的理想熱源[1]。采用洗浴廢水熱能回收系統(tǒng)，提取污水中的低品位熱能，經(jīng)污水源熱泵轉(zhuǎn)換，是供應(yīng)洗浴熱水非常理想的選擇。

1 系統(tǒng)概況

采用污水源熱泵余熱回收技術(shù)制備洗浴熱水，是通過(guò)水源熱泵機(jī)組提取當(dāng)天洗浴廢水中的熱量，對(duì)自來(lái)水進(jìn)行加熱。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料，該職工浴室洗浴廢水排水溫度為32℃～35℃，日排水總量約在180 t，該方案采用熱泵工藝系統(tǒng)提取廢水中蘊(yùn)含的低溫?zé)崮?，將自?lái)水加熱至42℃～46℃，供洗浴用水。系統(tǒng)設(shè)計(jì)每日用水量為180 t，其中淋浴每日用水量為160 t，浴池每日用水量為20 t。其工藝如下：澡堂洗浴后排出的廢水流入一個(gè)有效容積為20 m3的廢水收集池內(nèi)。收集池內(nèi)的廢水通過(guò)水泵增壓泵入砂濾缸過(guò)濾，后經(jīng)換熱器與自來(lái)水進(jìn)行一次換熱，換熱后的污水儲(chǔ)存到100 m3的污水池內(nèi)。一次換熱后的污水再經(jīng)SDR-1280S/W熱泵機(jī)組提取熱量，然后排放至場(chǎng)區(qū)下水管網(wǎng)。自來(lái)水首先經(jīng)過(guò)換熱器一次換熱，溫升后經(jīng)熱泵機(jī)組加熱至42℃～46℃，加熱后的水分別儲(chǔ)存于3個(gè)25 m3的保溫水箱中。洗浴時(shí)，儲(chǔ)存于3個(gè)25 m3水箱內(nèi)的熱水經(jīng)增壓泵泵入澡堂屋頂2個(gè)20 m3的保溫水箱內(nèi)，從而完成一個(gè)熱泵工作循環(huán)。

2 工藝原理

污水源熱泵機(jī)組是廢水余熱回收技術(shù)的核心，機(jī)組帶有一套可逆式的制冷循環(huán)系統(tǒng)，包括使用側(cè)的換熱設(shè)備、壓縮機(jī)、熱源側(cè)換熱設(shè)備。制冷時(shí)，壓縮機(jī)把低壓制冷劑蒸汽壓縮后，成為高壓制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器（換熱器），在冷凝器中通過(guò)與水進(jìn)行熱交換，使制冷劑冷凝為高壓液體，再經(jīng)熱力膨脹閥的節(jié)流膨脹后進(jìn)入蒸發(fā)器，從而對(duì)負(fù)荷側(cè)載熱介質(zhì)進(jìn)行冷卻，如圖1所示。制熱時(shí)，通過(guò)換向閥的切換，使制冷工況的冷凝器在這時(shí)變?yōu)檎舭l(fā)器，而制冷工況時(shí)的蒸發(fā)器這時(shí)變?yōu)槔淠鳌Ｍㄟ^(guò)蒸發(fā)器吸收水的熱量，在熱泵循環(huán)過(guò)程中，從冷凝器向負(fù)荷側(cè)熱量載體放熱[2]。

圖1 工作原理（制冷）

3 增容改造

系統(tǒng)投入后，運(yùn)行情況良好，日產(chǎn)水量為180 t，滿(mǎn)足礦區(qū)職工澡堂洗浴需求，噸水耗電僅4～5度。后期由于人為原因，職工浴室用水需求增大，遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)用水量180 t/d，日均需用水量達(dá)到270 t/d，需要對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容設(shè)計(jì)。同時(shí)，現(xiàn)有系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需對(duì)其進(jìn)行提標(biāo)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

3.1 新增熱負(fù)荷計(jì)算

該次設(shè)計(jì)新增用水全部為淋浴用熱水，總量為100 t。冷水溫度按10℃，淋浴熱水溫度按42℃計(jì)算，則：

熱負(fù)荷公式：Q= C×M×△T

C—水的比熱，4.2 kJ/（㎏·℃）。

M—每班用水總量，㎏。

△T—水溫差，℃。

新增淋浴用水每日熱負(fù)荷為：

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

3.2 新增洗浴廢水中蘊(yùn)含的熱量

洗浴廢水排放溫度按33℃計(jì)算，以取熱后廢水溫度降至5℃作為計(jì)算依據(jù)。新增洗浴廢水量按99 t/d計(jì)（計(jì)1%損耗）。

根據(jù)計(jì)算，職工洗浴廢水每日可提供的熱量為：

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

3.3 熱泵機(jī)房設(shè)備選型

3.3.1 換熱器選型

換熱器設(shè)計(jì)循環(huán)流量與污水排水最大小時(shí)流量相同，原設(shè)計(jì)循環(huán)流量為50 m3/h，換熱器溫升為20℃。選用2臺(tái)換熱器串連連接，單臺(tái)制熱量為750 kW，累計(jì)換熱時(shí)間取5.6 h。原設(shè)計(jì)一次污水換熱循環(huán)泵及換熱器，滿(mǎn)足擴(kuò)容提標(biāo)后的換熱需求，該次設(shè)計(jì)維持原設(shè)計(jì)不變。

3.3.2 洗浴水加熱機(jī)組選型

根據(jù)上節(jié)計(jì)算，每天新增洗浴熱水需要的熱量為13.44 GJ，洗浴水加熱機(jī)組擬選用WL-2-1280S/W型水源熱泵機(jī)組，COP值為4.8，輸入功率為26.3 kW，輸出功率為126.6 kW，則機(jī)組每日工作時(shí)長(zhǎng)為：洗浴廢水熱源機(jī)組工作時(shí)長(zhǎng)：（13.44×106-750×2×3600）÷3600÷126.6kW÷2=8.8h。原系統(tǒng)有熱泵機(jī)組4臺(tái)，該次擴(kuò)容提標(biāo)工程需新增熱泵機(jī)組2臺(tái)。由于機(jī)房空間有限，因此對(duì)設(shè)備進(jìn)行集成，即新增加熱機(jī)組選用一組WL-2-1280S/W型水源熱泵機(jī)組。

3.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)

為了提高熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，新增2臺(tái)熱泵機(jī)組電控箱的控制系統(tǒng)采用西門(mén)子PLC自動(dòng)控制，并對(duì)現(xiàn)有的4臺(tái)熱泵機(jī)組電控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，由現(xiàn)有的單片機(jī)控制系統(tǒng)升級(jí)為PLC控制系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行管理水平，降低運(yùn)行成本，該工程仍采用集散控制系統(tǒng)，利用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)集中對(duì)熱泵機(jī)房分散系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制。

4 污水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

4.1 高效節(jié)能

項(xiàng)目投入運(yùn)行后，實(shí)際運(yùn)行能效比（COP值）為4.6。與空氣源熱泵系統(tǒng)比較，解決了我國(guó)北方地區(qū)冬季戶(hù)外溫度較低，設(shè)備易結(jié)霜和除霜頻率高的技術(shù)問(wèn)題。由于洗浴廢水水溫恒定，保證了熱泵工作性能的穩(wěn)定，能效比比傳統(tǒng)的空氣源熱泵在北方地區(qū)的冬季高出50%左右。污水源熱泵與用電鍋爐相比，節(jié)約2/3以上的電能；污水源熱泵與燃煤鍋爐相比，節(jié)約1/2以上的能源；且污水源熱泵的使用成本是燃?xì)忮仩t的1/3。

4.2 環(huán)保效益

該項(xiàng)目通過(guò)污熱泵技術(shù)，提取洗浴廢水中蘊(yùn)藏的低溫?zé)崮埽瑸槁毠は丛√峁嵩?，屬于可再生能源利用技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了廢熱回收利用，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)及國(guó)家節(jié)能減排政策。與原燃煤鍋爐房系統(tǒng)相比，沒(méi)有燃燒過(guò)程，不需要設(shè)置煙塵處理系統(tǒng)，不產(chǎn)生任何廢渣、廢水等污染物，環(huán)境效益顯著。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

4.3.1 原澡堂燃煤鍋爐運(yùn)行資料

年耗燃煤1 900 t，燃煤?jiǎn)蝺r(jià)以320元/t計(jì)算。年燃料費(fèi)用：320×1900=60.8萬(wàn)元，軟水費(fèi)用：10萬(wàn)元，燃煤鍋爐每年維修材料費(fèi)用：40.3萬(wàn)元，人員管理費(fèi)用：25人×2500×12=75萬(wàn)元，鍋爐和日常照明電費(fèi)：39.8萬(wàn)元，鍋爐折舊費(fèi)：6萬(wàn)元，合計(jì)每年總運(yùn)行費(fèi)用：60.8＋10＋40.3+75＋39.8+6+3=234.9萬(wàn)元。

4.3.2 使用污水源熱泵系統(tǒng)的成本

運(yùn)行費(fèi)用=每噸熱水耗電量×電價(jià)×每日耗水量×天數(shù) =5×0.52×180×365×1.02=17.08萬(wàn)元，人員管理費(fèi)用：2人×4萬(wàn)=8萬(wàn)元，機(jī)組維修管理費(fèi)用每年：9.5萬(wàn)元，機(jī)組年折舊：268.4÷18=14.91萬(wàn)元，合計(jì)年運(yùn)行費(fèi)用：17.08+8+9.5+14.91=49.49萬(wàn)元。

4.3.3 使用不同能源提供熱源成本的比較

原燃煤鍋爐年運(yùn)行費(fèi)用（含折舊）：221萬(wàn)元，污水源熱泵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用（含折舊）：49.49萬(wàn)元，熱能回收與燃煤鍋爐比較：年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約：234.9-49.49=185.41萬(wàn)元。

4.4 一機(jī)多用

污水源熱泵系統(tǒng)不僅可以為職工洗浴提供熱源，夏天也可以作為空調(diào)制冷，一套系統(tǒng)可以代替原來(lái)的燃煤鍋爐加部分辦公區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)。污水源熱泵系統(tǒng)在夏季提取污水中的熱量加熱洗浴用水的同時(shí)，也可以降低自來(lái)水的溫度，供室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的冷水，達(dá)到空調(diào)制冷的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，按照國(guó)家對(duì)于城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃，污水源熱泵的大力應(yīng)用被業(yè)界普遍看好。目前，該技術(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例很多。20世紀(jì)80年代初，瑞典、挪威等北歐國(guó)家就已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用污水源熱泵技術(shù)，現(xiàn)在我國(guó)污水源熱泵也已得到了一定程度的發(fā)展[3]。燃煤鍋爐取締在即，傳統(tǒng)型工礦企業(yè)也面臨轉(zhuǎn)型發(fā)展，在節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上，滿(mǎn)足職工洗浴要求，采用污水源熱泵系統(tǒng)，在節(jié)能減排、降本提效方面效果顯著。