安青松,史 琳,湯 潤

(清華大學熱能工程系,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)展的社會經(jīng)濟發(fā)展模式和自然環(huán)境穩(wěn)定系統(tǒng)就成為了當前主要的話題。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;從熱力學分析可知,開發(fā)新能源是突破發(fā)展,而節(jié)能降耗是應用可持續(xù),因此針對現(xiàn)有能量利用系統(tǒng)進行改造,可以充分實現(xiàn)節(jié)能降耗優(yōu)化以及品位梯級利用。隨著人們生活品質的不斷提高,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,對于大型集中式洗浴系統(tǒng)中這種損失更加嚴重;據(jù)對某一學校的集中洗浴系統(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。對于分散的單個洗浴系統(tǒng),由于廢水熱量以及廢水收集等問題,其余熱利用從經(jīng)濟和實用上都不太合理,但是對于大型集中浴室,洗浴廢水溫度穩(wěn)定,流量相當,熱回收的潛力較大?，F(xiàn)今對于余熱回收利用中切實可行是采用熱泵技術,熱泵技術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;而對于熱泵系統(tǒng)來說洗浴廢水是從總量和溫度上都是相對充足有效的熱源[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[4]通過模擬對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[5]通過對城市二級出水熱泵利用的分析和研究,解決了污水源熱泵系統(tǒng)應用的一些關鍵問題,并將其成功地應用到奧運工程項目中。

在對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)今可調研的相關參考文獻中,目前主要集中在對其污水源熱泵系統(tǒng)內部性能的分析,例如鄭曉琴通過對廢水熱回收換熱器的性能說驗以及熱泵系統(tǒng)的TRANSYS模擬,得出了其熱泵的COP較高,其節(jié)能性和經(jīng)濟性比傳統(tǒng)燃煤鍋爐系統(tǒng)和電鍋爐系統(tǒng)要好[6];文獻[7]在研究以洗浴廢水為熱源的污水源熱泵系統(tǒng)的設計和分析中,從能量利用角度探討了洗浴廢水作為熱泵熱源在全年運行的可行性,并獲得了相關的設計數(shù)據(jù)[7]。然而,對于現(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)進行負荷匹配設計,對整個綜合系統(tǒng)進行可行性以及節(jié)能優(yōu)化分析,這應該是洗浴廢水熱泵利用的關鍵所在。因此本文從應用中的關鍵問題出發(fā),對污水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)熱水系統(tǒng)綜合利用的可行性、合理性進行了研究,對系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性以及應用規(guī)模等問題進行了分析。

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,這樣的設計與直接電加熱是等價的,因此根本不合理;只有將污水源熱泵與熱水鍋爐結合在一起,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)過過濾器進入到廢水池,再與污水板式換熱器進行換熱,為熱泵提供低溫熱源,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。整個循環(huán)過程不僅減少了一次能源的消耗,同時也降低了洗浴廢水的溫度,減少對環(huán)境熱污染。

同時從整個能量利用系統(tǒng)中可知,其設計的關鍵問題在于:(1)洗浴廢水的水質影響換熱效果,從而決定熱泵系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性;(2)熱泵與熱水鍋爐合理的負荷匹配影響整個系統(tǒng)的節(jié)能效果;(3)廢水溫降和熱泵COP等關鍵因素決定著整個系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性。因此,本文主要從這三個方面展開討論。

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

2.1 洗浴廢水的水質分析

為了分析洗浴廢水的水質特性,本文對某集中浴室的洗浴廢水進行檢測。該浴室開放時間為下午5點至晚上10點,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)課題組前期對城市二級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,因此把相關理論應用到生活廢水的分析中,測量主要指標為:溫度,總溶解固體量、鈣硬度、堿度、懸浮物、COD,見表1。

表1 洗浴廢水與城市二級水參數(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水,pH值低于飽和pH,可見,無機污垢方面,洗浴廢水與二級水比,不容易產生碳酸鈣沉淀;微生物污垢方面,洗浴廢水 COD接近二級水3倍,微生物隨著溫度的升高,生長速度會加快,在25℃達到最高,之后會逐漸下降,35℃時甚至低于15℃時的微生物生長。故可認為,雖然洗浴廢水COD為代表的有機物含量較高,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水3倍多,表明其中泥土、粉沙、微細有機物、無機物、浮游動物和其它微生物等懸浮物和膠體物很多。熱泵熱利用時需要加過濾裝置,減少管道堵塞。

圖2 運行時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)熱力學分析

根據(jù)熱力學第一定律可以分析得知,熱泵不能全部取代鍋爐提供熱負荷,只能是減少鍋爐部分負荷,而其中熱泵負荷與鍋爐負荷的比例是聯(lián)供系統(tǒng)合理設計的關鍵。由質量守恒可知,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,從而確定了熱泵負荷,鍋爐負荷也可以用同樣的方法確定,具體計算流程見圖3。計算過程如下:

圖3 熱力學計算流程圖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,℃。

鍋爐與熱泵的負荷配比:

式中:P1為熱泵負荷;P2為鍋爐負荷;Cp為水的比熱;η為鍋爐效率。

從上面的幾個推導式可知,鍋爐與熱泵的負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,這是因為廢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、熱泵負荷及鍋爐負荷,而 COP是反映熱泵性能的主要指標,因此廢水溫降和 COP是影響負荷比的關鍵因素。其變化關系見圖4。

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

隨著廢水溫降的增加,熱泵負荷增加,鍋爐負荷減少,兩者均是線性的,熱泵與鍋爐負荷的比在增大。但是實際上熱泵消耗的電功 (高品位能源)也在增加,電功率和熱負荷的增加速度可以從圖5中看到。雖然,熱泵負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荷高,這是COP下降導致的。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)濟性需要考慮。應該存在一個經(jīng)濟性最佳的廢水溫降點。

圖5 廢水溫降對熱泵負荷和電功率的影響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測數(shù)據(jù),結合污水源熱泵的理論計算,并定義下面的綜合節(jié)能性指標 (其中:κ為節(jié)能性,%;φ為負荷比,%):可計算得到洗浴人數(shù)2 200、廢水溫降8℃時,熱泵和鍋爐四季的負荷,見表2:

表2 鍋爐、熱泵四季負荷Tab.2 Seasonal load of boiler and heat pump

可以看出熱泵負荷變化不大,這是因為假定四季廢水溫降不變均為8℃,而且四季 COP變化很小。熱泵供給的總熱量基本不變,冬季增加的熱負荷幾乎全由鍋爐提供。另外,從兩者負荷比可以看到,冬季熱泵占到熱負荷的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)濟性分析

基于上面的分析,以及北京某高校洗浴廢水回收項目的設計要求,本文對利用污水源熱泵回收廢水余熱的綜合系統(tǒng)改造進行熱經(jīng)濟分析,計算基準是靜態(tài)投資回收期。該工程已有燃氣鍋爐兩臺,蓄熱水罐兩個,并有一個可利用的廢水收集池,增加設備主要是污水源熱泵。采用現(xiàn)有天然氣價格2.05元/m3,電價0.488元/kW?h。可以計算出,燃氣鍋爐年運行費用為32.32萬元,污水源熱泵年運行費用為17.32萬元,熱泵負荷223.26 kW。再根據(jù)調研的污水源熱泵價格曲線可知: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荷高,應該存在一個經(jīng)濟性最佳的廢水溫降點。通過計算不同廢水溫降情況下,投資回收期的變化確定最佳經(jīng)濟點,見圖6?？梢钥吹?最佳經(jīng)濟點是存在的,螺桿式熱泵在10℃時投資回收期最小為1.95年,活塞式熱泵在8℃時投資回收期最小為2.93年隨著洗浴人數(shù)的增加,熱泵負荷上升,但是熱泵價格的上升速度是要小于熱泵負荷的增加速度的。而洗浴人數(shù)的變化不影響綜合聯(lián)供系統(tǒng)中熱泵負荷與鍋爐負荷的比例關系,所以運行費用是線性變化的。故可以斷定,當洗浴人數(shù)增加時,投資回收期是減少的,其趨勢見圖7,廢水溫降仍設為8℃。

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

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

3 結 論

本文以集中式洗浴廢水熱泵熱回收為背景,主要從水質、余熱回收熱泵系統(tǒng)及熱力學和經(jīng)濟性三個方面討論了集中式洗浴廢水余熱回收問題。通過對水質對比分析可知:洗浴廢水不容易產生碳酸鈣沉淀,其水溫特點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,污水對換熱設備性能影響很大,故采用間接式系統(tǒng)回收廢水中熱量。通過對綜合聯(lián)供系統(tǒng)熱力學分析可知,污水源熱泵負荷與燃氣鍋爐負荷存在一定的關系,并且廢水溫降和 COP是影響其關鍵因素,并且其綜合聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性較明顯。通過對廢水在板式換熱器中溫降和洗浴人數(shù)對投資回收期的影響分析,存在經(jīng)濟性最佳的溫降選擇,并且,洗浴人數(shù)在1 500人以下時經(jīng)濟性不明顯,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)濟性都很好,有應用發(fā)展的前景。

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