楊前明 李亭亭 李凱 張亞軍

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院山東青島266590）

0 引言

隨著人們生活舒適度要求的逐漸提高，生活熱水所消耗的能量在建筑耗能中的比重逐年增高[1]；對(duì)于常規(guī)大型集中洗浴而言，由于洗浴熱水流量大、用水集中，且系統(tǒng)中的廢水一般直接排入污水系統(tǒng)，使得污水中所含高于環(huán)境溫度的熱量被浪費(fèi)，顯然對(duì)其進(jìn)行余熱回收具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與節(jié)能減排效益[3]。余熱回收的方法較多，針對(duì)大型浴室余熱而言，采用污水源熱泵、熱管均是較好的回收方式[6]。由于其運(yùn)行成本低，近年來得到廣泛的應(yīng)用[7~9]。本文在對(duì)污水源熱泵、熱管、污水源熱泵聯(lián)合熱管三種余熱回收途徑進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，比較了這三種余熱回收方式的經(jīng)濟(jì)性，為集中浴室洗浴系統(tǒng)選擇合適的余熱回收方式提供了一定的依據(jù)。

1 廢水余熱回收流程

圖1所示為余熱回收原理流程圖，污水余熱回收原理可以描述如下：洗浴熱水溫度一般為41℃，經(jīng)過淋浴后，余熱廢水（35℃左右）流入廢熱污水池中，隨后廢水通過污水循環(huán)泵進(jìn)入余熱回收裝置（熱管回收、污水源熱泵或者熱管聯(lián)合污水源熱泵）進(jìn)行余熱回收與利用。余熱收集的熱量存貯在余熱蓄熱水箱中以備利用；被提取完熱量的廢水（5℃左右）由廢水管道排入廢水池，以待凈化利用。

圖1 余熱回收原理流程圖

2 污水余熱回收經(jīng)濟(jì)性分析

大型集中洗浴系統(tǒng)洗浴溫度一般設(shè)定在41℃的左右，開放時(shí)間集中，余熱回收潛能較大，余熱回收系統(tǒng)所能回收的洗浴廢熱污水溫差為26℃（31℃~5℃）。以春季、過渡季節(jié)、冬季三個(gè)季節(jié)時(shí)段進(jìn)行洗浴余熱回收計(jì)算，分析全年余熱回總量，并折算成節(jié)約其他能源的當(dāng)量值。以污水源熱泵、熱管與污水源熱泵聯(lián)合熱管三種方式進(jìn)行余熱回收，討論一次性投入成本、討論其運(yùn)行費(fèi)用、回收年限等指標(biāo)分析其經(jīng)濟(jì)性。

1)余熱負(fù)荷計(jì)算

在不同季節(jié)條件下，浴室的洗浴及余熱回收存在較大差異。以青島地區(qū)年平均自來水溫度8℃[4]、余熱回收溫差26℃考慮，按照冬季、夏季與春秋過渡性季節(jié)分析其余熱回收情況，熱量計(jì)算如下。

式中：Q—余熱回收熱量；φ—因?yàn)楦鞣N損耗而導(dǎo)致的實(shí)際水流量系數(shù)，一般取0.93；c—水的定壓比熱容，取4.18KJ/Kg·℃；m—水的質(zhì)量流量，kg/s;△t—廢水的會(huì)熱溫差，26℃。

全年余熱回收計(jì)算結(jié)果參見表1。由表分析可知，夏季每周平均洗浴次數(shù)最多、每周日平均用水量達(dá)71.4kg、由于環(huán)境溫度高、洗浴熱量損失少，因而回收熱量較多，可達(dá)7763.2MJ；春秋過渡季節(jié)每周平均洗浴次數(shù)比冬季多，時(shí)間也比冬季長(zhǎng)，所以過渡季節(jié)比冬季經(jīng)濟(jì)性明顯；冬季環(huán)境溫度較低，洗浴過程中散熱較多，因而冬季較其他季節(jié)而言，回收熱量偏少，全年千人余熱回收總負(fù)荷約為1865 GJ。

表1 全年千人余熱回收熱負(fù)荷計(jì)算

2)熱經(jīng)濟(jì)性分析

余熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析有兩層含義，一是探討全年不同季節(jié)的余熱回收潛力變化規(guī)律，為余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及回收余熱總量估算提供參考；二是為供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷熱源選擇及其系統(tǒng)廢熱回收提供經(jīng)濟(jì)性比價(jià)依據(jù)。表2給出了燃煤、天然氣、市電與液化氣四種能源的基本性價(jià)參數(shù)。

表2 不同能源的參數(shù)對(duì)照表[10]

參照表1、表2，根據(jù)下式：

式中：Qd—日均余熱回收量，MJ/d；m—能源單價(jià)，元；q—燃燒熱值，MJ/kg或MJ/m3；η—燃燒熱效率，%；M—余熱回收折算費(fèi)用，元。

夏季、冬季和春秋過渡季節(jié)各種能源折算費(fèi)用計(jì)算結(jié)果參見表3所示。

表3 千人全年各種能源日均余熱回收效益

由表3計(jì)算結(jié)果可得全年千人日均余熱回收效益規(guī)律如圖2所示。

圖2全年千人日均余熱回收經(jīng)濟(jì)效益曲線

圖2 中的縱坐標(biāo)值反映了余熱回收總量折算成的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，全年氣候條件下，各種能源節(jié)約費(fèi)用在夏季較高、春秋過渡季節(jié)次之、冬季最低；在同一季節(jié)條件下，回收余熱折算成各種能耗費(fèi)用差異較大，液化氣、電能較高，煤炭較低，天然氣居中，這從另一個(gè)側(cè)面說明了由于各種能源的熱經(jīng)濟(jì)性不同，正確選擇熱水系統(tǒng)熱源的重要性。

3）減排估算

減排估算主要是考察系統(tǒng)余熱回收的環(huán)保效益指標(biāo),通過計(jì)算余熱回收總量，并以此折算成使用煤炭或天然氣當(dāng)量，估算減少二氧化碳、粉塵和二氧化硫的排放量。由表1可知，千人全年余熱回收熱負(fù)荷約為1865 GJ，相當(dāng)于137噸煤炭，62403 m3天然氣。

研究資料表明:燃燒1噸煤排放CO2為2.66噸、SO2為0.02噸，煙塵為0.01噸;燃燒1 m3天然氣產(chǎn)生煙氣總量為11.86m3。選擇燃煤作為熱源，千人全年余熱回收將減少排放CO2為346.7噸、SO2為2.74噸、煙塵為1.37噸;如果選擇燃燒天然氣作為熱負(fù)荷來源,千人全年余熱回收熱負(fù)荷需要燃燒62403 m3天然氣，將減少排放CO2,SO2排量分別為62908m3和1.48m3。

大型集中浴室余熱回收潛能較大，資料表明，洗浴廢水中所含熱量約為洗浴熱水總熱量的84%左右，洗浴過程損失的量?jī)H為16%。采用集中供熱水洗浴是高校、部隊(duì)、廠礦等單位洗浴澡堂的普遍采用模式，參考表3，可以估算萬人日均洗浴廢水余熱回收相當(dāng)于節(jié)約煤炭3.8萬噸、天然氣1735m3、電能1.45萬與液化氣1836m3，折算成費(fèi)用分別為2.8萬、0.7萬、0.86萬和4.0萬元。以燃煤為例，萬人全年余熱回收減少排放CO2為3467噸,SO2為27.5噸，煙塵為13.7噸。

綜上所述，余熱回收的節(jié)能潛力大、經(jīng)濟(jì)性顯著；目前我國(guó)大部分地區(qū)仍然以煤炭作為主要供熱能源，推廣使用洗浴污水余熱回收，除了具有顯著地經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還具有減排低碳、降低粉塵與改善環(huán)境深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。

3 回收方式經(jīng)濟(jì)性比較

對(duì)于中大型洗浴供熱系統(tǒng)而言，比較常用的余熱回收方式主要為熱泵、熱管和熱泵聯(lián)合熱管等方式。表4是以日均需求120噸熱水的集中浴室為例，給出了水源熱泵、熱管與水源熱泵＋熱管三種方式進(jìn)行余熱回收、一次性投入設(shè)備建設(shè)成本的條件下，運(yùn)行費(fèi)用、回收年限等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)情況。

表4 三種余熱回收途徑經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析表

由上表可以看出，熱泵回收一次性總投入最高，但其運(yùn)行成本較低，成本回收年限約1年；水源熱泵聯(lián)合熱管回收方案一次性投入低于熱泵，回收年限為0.85年；熱管回收方案一次性投入三者中最低，回收年限為0.68年。總體而言，三種余熱回收方式方案雖然一次性投入略有不同，但是從系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用、系統(tǒng)壽命及維修費(fèi)用等綜合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)來看，三種回收方案的回收年限相差不多均小于1年。因此不論采用哪種回收方式，均具有顯著的經(jīng)濟(jì)節(jié)能效果，余熱回收很有必要。

4 結(jié)論

洗浴污水中蘊(yùn)含著大量的低品位能量，從能源消耗的熱經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，針對(duì)不同方式的余熱回收方案，討論了一次性投入成本、運(yùn)行費(fèi)用、回收年限等指標(biāo)。

1)全年氣候條件下，污水余熱回收的熱經(jīng)濟(jì)性以夏季最高、春秋過渡季節(jié)次之、冬季最低；在同一季節(jié)條件下，回收余熱折算成各種能耗費(fèi)用存在一定的差異性。由于各種能源的熱經(jīng)濟(jì)性不同，正確選擇熱水系統(tǒng)熱負(fù)荷種類尤為重要。

2)洗浴污水余熱回收，在具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)還具有低碳減排、降低粉塵與改善環(huán)境的長(zhǎng)遠(yuǎn)社會(huì)效益。節(jié)能減排、能源高效利用角度來看，推廣清潔、綠色新能源與可再生能源應(yīng)是能源利用的首選。

3)從選擇的余熱回收方案的一次性投入、運(yùn)行費(fèi)用、系統(tǒng)壽命及維護(hù)費(fèi)用等指標(biāo)來看，除一次性投入略有區(qū)別外，其他指標(biāo)均相差不大。因此無論采用哪種回收方式，節(jié)能經(jīng)濟(jì)性效果顯著，余熱回收很有必要。

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