許登科，肖莉貞，馬新會，沈再龍，張文清

(1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

2017a政府工作報告提出打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”，加快解決燃煤污染問題，“煤改氣”作為改善空氣質(zhì)量的重要措施得到大范圍的推廣。生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生的低品位熱能和余熱分為不同類型，而余熱回收對于減少能源消耗、降低企業(yè)成本具有現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，加熱生活熱水的能源形式引起學(xué)界廣泛關(guān)注[1-4]。高校公共浴室作為熱水能耗大戶，其用能模式是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[5-6]提出了以浴室廢水為熱源的熱泵熱回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廢水余熱回收再利用，節(jié)約了一次能源消耗。文獻(xiàn)[7]介紹了山東建筑大學(xué)學(xué)生浴室太陽能熱水技術(shù)應(yīng)用，分析并評價了系統(tǒng)的節(jié)能效益和減排貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[8-9]介紹了太陽能與燃?xì)鈴?fù)合型熱水系統(tǒng)，以系統(tǒng)的運(yùn)行成本和效率為評價指標(biāo)，表明復(fù)合型能源比單一燃?xì)饽茉垂?jié)能效益更優(yōu)。文獻(xiàn)[10]引入能效、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)3方面的評價指標(biāo)體系，提出高校浴室太陽能熱水系統(tǒng)區(qū)域適應(yīng)性綜合評價方法，并對我國多個省會城市的區(qū)域適應(yīng)性進(jìn)行評價。文獻(xiàn)[11]選取北京某學(xué)校公共浴室為研究對象，對用熱時間要求制定了獨(dú)特的控制方式，并通過Trnsys建立太陽能-污水源熱泵耦合熱利用系統(tǒng)，得出污水源所提供的熱量占84.83%。文獻(xiàn)[12]將太陽能和地源熱泵相結(jié)合進(jìn)行生活熱水供應(yīng)，利用動態(tài)模擬軟件考察了對不同組合下系統(tǒng)性能，得出復(fù)合式熱水系統(tǒng)中主要的設(shè)備及控制參數(shù)的最優(yōu)匹配方案。文獻(xiàn)[13]針對高校浴室構(gòu)建了太陽能、空氣源熱泵和污水源熱泵新型復(fù)合能量熱水供應(yīng)系統(tǒng)，開發(fā)了實(shí)驗(yàn)平臺以實(shí)現(xiàn)智能控制和系統(tǒng)熱性能分析。文獻(xiàn)[14-15]搭建了浴室廢水熱管回收實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了熱管回收效率及系統(tǒng)節(jié)能減排性能。

上述研究為熱水供應(yīng)提供了很多基礎(chǔ)理論和措施，但對太陽能、天然氣和廢水余熱回收3種清潔能源聯(lián)合起來供熱的方式還缺少探索。本文基于多能聯(lián)動和余熱回收的理念，設(shè)計了一種以太陽能為主、天然氣為輔和廢水余熱熱管回收的復(fù)合熱水聯(lián)供系統(tǒng)，加載不同能源運(yùn)行工況的自動控制系統(tǒng)，在最大化利用太陽能的基礎(chǔ)上減少化石能源的消耗，并以淮南市某高校浴室為對象進(jìn)行了聯(lián)供系統(tǒng)的理論計算和節(jié)能減排分析，以期對高校的節(jié)能減排工作提供理論指導(dǎo)。

1 復(fù)合熱水系統(tǒng)設(shè)計

1.1 復(fù)合熱水系統(tǒng)可行性

根據(jù)我國氣象部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 全國2/3以上的國土面積輻射總量高于5 000MJ/m2·a， 日照時間大于2 200h，且地表年接收的太陽總輻射能可達(dá)5×1019kJ，具有利用太陽能的良好條件[16]。普遍、無害、巨大、無償?shù)膬?yōu)點(diǎn)使得太陽能在熱水供應(yīng)中得到迅速推廣，能有效降低建筑對一次能源的消耗。

天然氣屬于化石能源，但是一種潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源。燃燒產(chǎn)物中SO2和粉塵的含量幾乎為零，可以減少60%的CO2排放量和50%的氮氧化合物排放量，并有助于減少酸雨形成，舒緩地球溫室效應(yīng)，有利于從根本上改善環(huán)境質(zhì)量。

浴室淋浴的熱水溫度為40℃～42℃，洗浴廢水排水溫度約為32℃，廢水排放量為用水量的90%。如果將洗浴污水直接排放，則會浪費(fèi)大量的余熱資源。熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱的高效傳熱元件，具有傳輸溫差小、無需外加動力、適用溫度范圍廣和使用壽命長等特點(diǎn)。利用熱管回收浴室廢水余熱來加熱系統(tǒng)自來水補(bǔ)水，提高冷水溫度，能大幅降低加熱洗浴用水的能源消耗。因此，利用太陽能、天然氣和廢水余熱回收聯(lián)合制備生活熱水完全可行，更適用于高校、廠區(qū)等定時供應(yīng)熱水的系統(tǒng)。

1.2 復(fù)合熱水系統(tǒng)設(shè)計思路

本設(shè)計復(fù)合熱水系統(tǒng)面向輻射總量高于4 200MJ/m2·a的地區(qū)，能源結(jié)構(gòu)以太陽能為主、燃?xì)鉃檩o、廢水余熱回收并存的形式，以結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)可行為原則，系統(tǒng)包括太陽能集熱模塊、燃?xì)鈾C(jī)組加熱模塊、熱水供應(yīng)模塊、浴室廢水熱回收模塊和智能化控制模塊。以熱水儲水箱為中轉(zhuǎn)設(shè)備，設(shè)計合理的控制方案實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)模塊之間的運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到系統(tǒng)不同能源的高效利用和穩(wěn)定性。設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計思路圖

1.3 熱水聯(lián)供系統(tǒng)控制原理

為了保證整個熱水聯(lián)供系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和高效性，在系統(tǒng)中安裝自動控制系統(tǒng)，智能控制原理如圖2所示。

圖2 智能控制原理圖

1)水箱補(bǔ)水(水位控制)

當(dāng)熱水儲水箱水位低于設(shè)定下限水位W2時，自動打開電磁閥E1和熱水箱補(bǔ)水泵P4；當(dāng)系統(tǒng)補(bǔ)水至設(shè)定的上限水位W1時，自動關(guān)閉電磁閥E1和熱水箱補(bǔ)水泵；當(dāng)冷水預(yù)熱水箱水位低于設(shè)定下限水位W4時，自動打開電磁閥E2；當(dāng)系統(tǒng)補(bǔ)水至設(shè)定的上限水位W3時，自動關(guān)閉電磁閥E2。

2)太陽能集熱循環(huán)(溫差控制)

在日照充足的情況下，當(dāng)太陽能集熱器上部水溫(T3)與熱水箱水溫(T4)溫差大于6℃時(可調(diào)設(shè)定)，即T3-T4>6℃，控制系統(tǒng)啟動太陽能集熱循環(huán)泵P1進(jìn)行溫差循環(huán)換熱，熱水箱水溫T4不斷上升；當(dāng)T3-T4<3℃時，集熱循環(huán)泵組自動關(guān)閉。重復(fù)運(yùn)行，將熱水箱水溫加熱至設(shè)定溫度55℃。

3)燃?xì)鉄崴畽C(jī)組加熱循環(huán)(溫差控制)

如遇寒冷季節(jié)或連續(xù)陰雨天，太陽能制熱能力不足，溫度傳感器監(jiān)測熱水箱溫度T4低于使用要求時，系統(tǒng)自動啟動燃?xì)鉄崴訜嵫h(huán)泵P2和燃?xì)鉄崴畽C(jī)組，進(jìn)行加熱升溫。當(dāng)T4溫度升至設(shè)定溫度值55℃時，燃?xì)鉄崴畽C(jī)組和燃?xì)鉄崴訜嵫h(huán)泵P2自動停止工作，以確保熱水系統(tǒng)的終端水溫需求。

4)浴室熱水循環(huán)(定時+溫差控制)

浴室每天開放前30min，時控開關(guān)啟動浴室熱水循環(huán)泵P3，使管道水溫維持在設(shè)定的范圍內(nèi)(50℃～55℃)。浴室開放后的間歇使用期間，當(dāng)熱水箱水溫T4與熱水系統(tǒng)回水管水溫T1的溫差大于5℃時，即T1<50℃，控制系統(tǒng)啟動浴室熱水循環(huán)泵P3進(jìn)行溫差循環(huán)。因此，P3通過溫差與時控開關(guān)相結(jié)合的控制方式，以保證淋浴器即開即得熱水。

5)系統(tǒng)防凍控制(溫差控制)

當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時，集熱器下循環(huán)管道溫度T2<5℃(可調(diào)設(shè)定)，控制器啟動太陽能集熱循環(huán)泵P1，進(jìn)行防凍循環(huán)，熱量來自熱水箱或燃?xì)鉄崴畽C(jī)組。當(dāng)T2>8℃時，水泵關(guān)閉，防凍循環(huán)停止。

2 實(shí)例系統(tǒng)設(shè)計

2.1 實(shí)例設(shè)計概況

本系統(tǒng)設(shè)計以淮南市15 000人的學(xué)校為對象。淮南市地處安徽省中部偏北地區(qū)，位于116°E，32°N，屬于夏熱冬冷地帶，春秋兩季氣候適中。太陽能全年日照時數(shù)為2 500～2 800h，年輻射總量在5 300～5 600MJ/m2.a。浴室每天開放5h(定時)，每天洗浴學(xué)生數(shù)量約3 000人，淋浴頭額定用水量為60L/次，單個淋浴頭服務(wù)人數(shù)為3人/h，出水溫度由混合閥進(jìn)行冷熱調(diào)節(jié)，系統(tǒng)供水溫度為55℃，淋浴頭設(shè)計數(shù)量為200個。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計計算

1)熱水用量與耗熱量

Qh=∑qh(tr-tl)ρrn0bC

(1)

式中：Qh為設(shè)計小時耗熱量，kJ；qh為衛(wèi)生器具熱水的小時用水定額，取180L/h；C為水的比熱，取4.19kJ/kg·℃；tr為熱水溫度，取55℃；tl為冷水溫度，取10℃；ρr為熱水密度，取0.983kg/L;n0為淋浴頭個數(shù)，為200個；b為衛(wèi)生器具的同時使用百分?jǐn)?shù)，取100%。

設(shè)計小時耗熱量：Qh=180×(55-10)×0.983×200×100%×4.19=6.67×106kJ

設(shè)計小時熱水量：Qrh=60L/h×600=36000L/h

每日熱水耗熱量：Q=6.67×106kJ/h×5h=33.35×106kJ

日用熱水量：Qrd=36000L/h×5h=1.8×105L

2)太陽能集熱器面積

直接加熱供水系統(tǒng)的集熱器總面積可按下式計算

(2)

式中：Ajz為直接加熱集熱器總面積，m2；qrd為設(shè)計日用熱水量，L/d；Jt為集熱器采光面上年平均日太陽輻照量，取1.35×104kJ/m2·d；f為太陽保證率，取50%；ηj為集熱器年平均集熱效率，取50%；ηl為貯水箱和管路的熱損失率，取20%。

集熱器總面積：Ajz=1.8×105×4.19×0.983×(55-10)×50%/1.35×104×50%×(1-20%) = 3089m2

3)太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)流量

qx=qgzAjz

(3)

式中：qx為集熱系統(tǒng)循環(huán)流量，L/s；qgz為單位采光面積集熱器對應(yīng)的工質(zhì)流量，取0.015L/(s·m2)。

系統(tǒng)循環(huán)流量：qx=3089×0.015=46.3L/s

4)浴室廢水余熱熱管回收熱量

每日浴室廢水排放量：qfs=qrd×90%=1.8×105×90%=1.62×105L/d

每日浴室廢水熱管回收熱量：Qfs=qfs×ρr×C×Δt=1.62×105×0.983×4.19×(32-26)=4.0×106kJ

每年浴室廢水熱管回收熱量：Q=Qfs×210=8.40×108kJ

根據(jù)上述計算結(jié)果對聯(lián)供熱水系統(tǒng)主要設(shè)備進(jìn)行選型，參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

3 節(jié)能減排分析

3.1 太陽能+余熱回收系統(tǒng)投資預(yù)算

經(jīng)過咨詢相應(yīng)設(shè)備廠家和施工單位，太陽能集熱和廢水余熱回收系統(tǒng)設(shè)備投資為154萬元，預(yù)算如表2所示。

表2 太陽能+余熱回收系統(tǒng)投資預(yù)算表

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

由淮南地區(qū)的歷史氣象參數(shù)資料可知，月總輻射量較大，每年平均晴天50d，多云172d。浴室使用者主要是學(xué)生，人數(shù)相對穩(wěn)定，時間較為集中。每年寒假、暑假和其他法定節(jié)日不開放， 每周停檢1d，據(jù)統(tǒng)計每年大約開放為210d，根據(jù)上述氣象條件統(tǒng)計每學(xué)年太陽能保證熱水供應(yīng)的折合天數(shù)為82d。經(jīng)計算可得復(fù)合熱水系統(tǒng)全年需求總熱量為7 003.5GJ，太陽能集熱模塊供熱量為2 735GJ，廢水熱回收模塊供熱量為840GJ，燃?xì)鈾C(jī)組加熱模塊供熱量為3 428.5GJ。為了便于分析，現(xiàn)定義太陽能集熱模塊+廢水熱回收模塊的總供熱量為A(3 575GJ)，燃?xì)鈾C(jī)組加熱模塊供熱量為B(3 428.5GJ)。將熱量A分別以燃?xì)?、電、柴油和?biāo)準(zhǔn)煤替代，進(jìn)行太陽能+廢水回收模塊經(jīng)濟(jì)效益對比分析，如表3所示。太陽能+廢水余熱回收系統(tǒng)的投資對于使用電鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐和燃煤鍋爐來說，投資回收周期分別為2.5a、5.3a、2.8a和10a。太陽能+廢水余熱回收系統(tǒng)的使用壽命按16a計算，使用壽命內(nèi)節(jié)約的總熱量按電能、燃?xì)夂筒裼驼鬯愠杉訜徇@部分水所需的費(fèi)用分別為973萬元、489萬元、905萬元。全年熱水耗熱量由不同供熱類型承擔(dān)的運(yùn)行費(fèi)用如表4 所示，與使用電鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐和燃煤鍋爐相比，復(fù)合熱水系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)節(jié)約率分別為76.8%、51.1%、74.2% 和7.6%。雖然用煤炭作為能源的年運(yùn)行費(fèi)用與復(fù)合熱水系統(tǒng)相當(dāng)，但是燃煤鍋爐系統(tǒng)的環(huán)保性能較差。因此，采用太陽能+廢水余熱回收+燃?xì)鈴?fù)合熱水系統(tǒng)的節(jié)約效果非常明顯，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

表3 太陽能+廢水回收供熱量由不同燃料鍋爐替代的經(jīng)濟(jì)效益對比

表4 不同供熱類型承擔(dān)全年熱水耗熱量的運(yùn)行費(fèi)用對比

3.3 減排分析

根據(jù)實(shí)例系統(tǒng)的供熱量和能源用量對復(fù)合熱水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能減排分析。供熱量A由清潔能源提供，無需消耗一次能源，污染排放量為0?，F(xiàn)將供熱量A折合為標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所形成的污染排放，供熱量B分別以標(biāo)準(zhǔn)煤和天然氣的形式計算污染排放，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同用能污染排放量

由圖3可知，供熱量A(折合標(biāo)準(zhǔn)煤)每年排放SO23 660kg、CO2400t、NOx1 068kg；供熱量B由燃?xì)馓峁┟磕昱欧臩O212kg、CO2210t、NOx647kg；供熱量B(折合標(biāo)準(zhǔn)煤)每年排放SO23 510kg、CO2383t、NOx1 024kg。通過比較得出，天然氣燃燒產(chǎn)生的SO2和NOx排放量極小，該浴室以太陽能+廢水余熱回收+天然氣為復(fù)合能源與采用單一燃煤供熱相比，每年可減少排放CO2573t、SO27 158kg、NOx1 445kg。結(jié)果表明該復(fù)合熱水系統(tǒng)具有良好的環(huán)保性能。

4 結(jié)論與展望

(1)以“雙碳”目標(biāo)為背景，本研究設(shè)計了一種太陽能、燃?xì)夂陀酂峄厥諒?fù)合熱水系統(tǒng)，同時建立3種能源運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換的主要控制參數(shù)和自動化運(yùn)行策略。

(2)經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果表明，復(fù)合熱水系統(tǒng)相比使用電鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐和燃煤鍋爐來說，年運(yùn)行費(fèi)節(jié)約率分別為76.8%、51.1%、74.2% 和7.6%，節(jié)能減排效益顯著。

(3)本文提出的復(fù)合熱水系統(tǒng)在高校浴室中的落實(shí)與推廣，可以發(fā)揮高校在推行節(jié)能減排工作中的教育、示范和引領(lǐng)作用，有利于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。

(4)該復(fù)合熱水系統(tǒng)的應(yīng)用具有地域性差異，建議選取不同氣候分區(qū)典型代表城市為對象進(jìn)一步開展適應(yīng)性研究。