基于污水源热泵的大型集中洗浴废水余热利用研究

安青松,史 琳,汤 润

(清华大学热能工程系,北京 100084)

0 引 言

能源枯竭问题以及环境恶化问题的日益凸显,建立可持续发展的社会经济发展模式和自然环境稳定系统就成为了当前主要的话题。可持续发展战略要求建立可持续能源系统,也就是开发新能源和节能降耗;从热力学分析可知,开发新能源是突破发展,而节能降耗是应用可持续,因此针对现有能量利用系统进行改造,可以充分实现节能降耗优化以及品位梯级利用。随着人们生活品质的不断提高,生活热水所耗能量在建筑耗能的比重不断增加[1];而常规洗浴系统中是直接将使用后温度较高的洗浴废水排入污水系统,使得污水中所含高于环境温度的热量被浪费,对于大型集中式洗浴系统中这种损失更加严重;据对某一学校的集中洗浴系统测试,淋浴出水温度为40℃,洗浴废水温度为36℃,因此洗浴热量利用只占加热自来水所需热量的 16.7%,其余的83.3%的热量则被排放掉[2],其中包含高于环境的温度的可用能。对于分散的单个洗浴系统,由于废水热量以及废水收集等问题,其余热利用从经济和实用上都不太合理,但是对于大型集中浴室,洗浴废水温度稳定,流量相当,热回收的潜力较大。现今对于余热回收利用中切实可行是采用热泵技术,热泵技术是通过消耗少量的电能或化石能源,来回收低温余热的一种节能利用方式;而对于热泵系统来说洗浴废水是从总量和温度上都是相对充足有效的热源[3]。因此,利用污水源热泵系统来回收洗浴废水的热量,来减少部分热水制备耗能,是一种节能环保的能量利用方式。文献[4]通过模拟对比污水源热泵和空气源热泵的区域制冷供热系统,得出污水源热泵系统能够节省34%的能量,减少CO2的排放68%;文献[5]通过对城市二级出水热泵利用的分析和研究,解决了污水源热泵系统应用的一些关键问题,并将其成功地应用到奥运工程项目中。

在对利用污水源热泵系统来回收洗浴废水余热的研究中,根据现今可调研的相关参考文献中,目前主要集中在对其污水源热泵系统内部性能的分析,例如郑晓琴通过对废水热回收换热器的性能说验以及热泵系统的TRANSYS模拟,得出了其热泵的COP较高,其节能性和经济性比传统燃煤锅炉系统和电锅炉系统要好[6];文献[7]在研究以洗浴废水为热源的污水源热泵系统的设计和分析中,从能量利用角度探讨了洗浴废水作为热泵热源在全年运行的可行性,并获得了相关的设计数据[7]。然而,对于现行大型集中洗浴供热系统中,一般都有自己的热水制备系统,因此如何将污水源热泵系统与原有热水系统进行负荷匹配设计,对整个综合系统进行可行性以及节能优化分析,这应该是洗浴废水热泵利用的关键所在。因此本文从应用中的关键问题出发,对污水源热泵系统与常规热水系统综合利用的可行性、合理性进行了研究,对系统的热经济性以及应用规模等问题进行了分析。

1 集中式洗浴热水锅炉与热泵联供系统

根据热力学第一定律分析可知,如果完全利用热泵回收废水余热来提供热水所需热量,这样的设计与直接电加热是等价的,因此根本不合理;只有将污水源热泵与热水锅炉结合在一起,让热泵回收由热水锅炉提供的,高于环境温度的这部分可用能,即给热泵提供了一个可利用热源。因此,完整的热水锅炉与热泵联供系统如图1所示。

图1 热水锅炉与余热回收热泵联供系统流程Fig.1 Hot water boiler and sewage heat pump combined system flow

图1描述了整个制热系统流程:供洗浴热水由两部分组成,一部分是由热水锅炉提供,另一部分由热泵提供;洗浴完后的废水经过过滤器进入到废水池,再与污水板式换热器进行换热,为热泵提供低温热源,而放热后的废水被降低到环境温度排放到水回收系统中用于浇花利用,回收的热量再加热自来水来提供生活热水。整个循环过程不仅减少了一次能源的消耗,同时也降低了洗浴废水的温度,减少对环境热污染。

同时从整个能量利用系统中可知,其设计的关键问题在于:(1)洗浴废水的水质影响换热效果,从而决定热泵系统运行的稳定性;(2)热泵与热水锅炉合理的负荷匹配影响整个系统的节能效果;(3)废水温降和热泵COP等关键因素决定着整个系统的热经济性。因此,本文主要从这三个方面展开讨论。

2 系统稳定性、节能性以及热经济性分析

2.1 洗浴废水的水质分析

为了分析洗浴废水的水质特性,本文对某集中浴室的洗浴废水进行检测。该浴室开放时间为下午5点至晚上10点,每天的洗澡人数约2 000人,洗浴水流量约30 t/h,其温度变化见图2。根据课题组前期对城市二级出水中热泵工况下生物垢生长特性分析[8],获得了一组影响换热致垢的主要参数,而生活废水也属于城市污水来源一部分,因此把相关理论应用到生活废水的分析中,测量主要指标为:温度,总溶解固体量、钙硬度、碱度、悬浮物、COD,见表1。

表1 洗浴废水与城市二级水参数比较Tab.1 Parameter comparison between bath sewage water and city secondary effluent

从图2中可以看出:洗浴废水温度随着使用量的增加略有增加,但温度变化不大,说明洗浴废水的温度受室外环境温度影响较小,洗浴废水的温度较高,并且温度能保持恒定,有利于热泵制取生活热水的循环性能,是热泵理想的热源。从表1可以知道,洗浴废水的硬度、碱度和溶解性固体均低于城市二级水,pH值低于饱和pH,可见,无机污垢方面,洗浴废水与二级水比,不容易产生碳酸钙沉淀;微生物污垢方面,洗浴废水 COD接近二级水3倍,微生物随着温度的升高,生长速度会加快,在25℃达到最高,之后会逐渐下降,35℃时甚至低于15℃时的微生物生长。故可认为,虽然洗浴废水COD为代表的有机物含量较高,但较高的水温不利于微生物污垢的生长。另外,洗浴废水悬浮物是二级水3倍多,表明其中泥土、粉沙、微细有机物、无机物、浮游动物和其它微生物等悬浮物和胶体物很多。热泵热利用时需要加过滤装置,减少管道堵塞。

图2 运行时段洗浴废水的温度变化Fig.2 Temperature change of bath sewage water during operating time

2.2 联供系统热力学分析

根据热力学第一定律可以分析得知,热泵不能全部取代锅炉提供热负荷,只能是减少锅炉部分负荷,而其中热泵负荷与锅炉负荷的比例是联供系统合理设计的关键。由质量守恒可知,洗浴水总流量是由锅炉和热泵两部分提供,基于一定的废水收集系数就可以确定废水流量,再从能量守恒,根据设定废水温降和COP就可以确定污水源热泵的供热流量,从而确定了热泵负荷,锅炉负荷也可以用同样的方法确定,具体计算流程见图3。计算过程如下:

图3 热力学计算流程图Fig.3 Thermal computer flow graph

洗浴水总流量G3(m3/h):

式中:n为洗浴人数;v为每人每天用水量,L;h为每天供水时间,h。

废水流量G3(m3/h):

式中:k为废水收集系数。

热泵供水流量G1(m3/h):

式中:ΔT为废水在板式换热器中的温降;T2为供水温度,℃;T1为循环水温度,℃。

锅炉与热泵的负荷配比:

式中:P1为热泵负荷;P2为锅炉负荷;Cp为水的比热;η为锅炉效率。

从上面的几个推导式可知,锅炉与热泵的负荷比只与废水收集系数、COP、自来水提升温度以及废水温降有关,这是因为废水在板式换热器中的温降反映出热泵可回收的热量,直接影响热泵COP、热泵负荷及锅炉负荷,而 COP是反映热泵性能的主要指标,因此废水温降和 COP是影响负荷比的关键因素。其变化关系见图4。

图4 锅炉与热泵负荷比变化Fig.4 Load change of boiler and heat pump

随着废水温降的增加,热泵负荷增加,锅炉负荷减少,两者均是线性的,热泵与锅炉负荷的比在增大。但是实际上热泵消耗的电功 (高品位能源)也在增加,电功率和热负荷的增加速度可以从图5中看到。虽然,热泵负荷和电功率均随着废水温降的增加而上升,但是热泵电功率的上升速度明显比热泵负荷高,这是COP下降导致的。由于电是高品位能源,增加电功率使节能效果变差,这种方式的经济性需要考虑。应该存在一个经济性最佳的废水温降点。

图5 废水温降对热泵负荷和电功率的影响Fig.5 Waster temperature effect on heat pump load and electric power

根据北京某高校洗浴废水的实测数据,结合污水源热泵的理论计算,并定义下面的综合节能性指标 (其中:κ为节能性,%;φ为负荷比,%):可计算得到洗浴人数2 200、废水温降8℃时,热泵和锅炉四季的负荷,见表2:

表2 锅炉、热泵四季负荷Tab.2 Seasonal load of boiler and heat pump

可以看出热泵负荷变化不大,这是因为假定四季废水温降不变均为8℃,而且四季 COP变化很小。热泵供给的总热量基本不变,冬季增加的热负荷几乎全由锅炉提供。另外,从两者负荷比可以看到,冬季热泵占到热负荷的25%,而夏季超过40%,可见热泵回收利用废热的效果很好。

2.3 热经济性分析

基于上面的分析,以及北京某高校洗浴废水回收项目的设计要求,本文对利用污水源热泵回收废水余热的综合系统改造进行热经济分析,计算基准是静态投资回收期。该工程已有燃气锅炉两台,蓄热水罐两个,并有一个可利用的废水收集池,增加设备主要是污水源热泵。采用现有天然气价格2.05元/m3,电价0.488元/kW◦h。可以计算出,燃气锅炉年运行费用为32.32万元,污水源热泵年运行费用为17.32万元,热泵负荷223.26 kW。再根据调研的污水源热泵价格曲线可知:螺杆式热泵回收期为2.03年,活塞式热泵回收期为2.93年。

上面一节提到随着废水温降的增加而上升,热泵电功率的上升速度明显比热泵负荷高,应该存在一个经济性最佳的废水温降点。通过计算不同废水温降情况下,投资回收期的变化确定最佳经济点,见图6。可以看到,最佳经济点是存在的,螺杆式热泵在10℃时投资回收期最小为1.95年,活塞式热泵在8℃时投资回收期最小为2.93年随着洗浴人数的增加,热泵负荷上升,但是热泵价格的上升速度是要小于热泵负荷的增加速度的。而洗浴人数的变化不影响综合联供系统中热泵负荷与锅炉负荷的比例关系,所以运行费用是线性变化的。故可以断定,当洗浴人数增加时,投资回收期是减少的,其趋势见图7,废水温降仍设为8℃。

图6 废水温降对投资回收期的影响Fig.6 Temperature of sewage effect on investment payback period

图7 洗浴人数规模对投资回收期的影响Fig.7 Bath scale effect on investment payback period

3 结 论

本文以集中式洗浴废水热泵热回收为背景,主要从水质、余热回收热泵系统及热力学和经济性三个方面讨论了集中式洗浴废水余热回收问题。通过对水质对比分析可知:洗浴废水不容易产生碳酸钙沉淀,其水温特点不利于微生物污垢的生长,悬浮物很多,需要有过滤装置。但是,污水对换热设备性能影响很大,故采用间接式系统回收废水中热量。通过对综合联供系统热力学分析可知,污水源热泵负荷与燃气锅炉负荷存在一定的关系,并且废水温降和 COP是影响其关键因素,并且其综合联供系统的节能性较明显。通过对废水在板式换热器中温降和洗浴人数对投资回收期的影响分析,存在经济性最佳的温降选择,并且,洗浴人数在1 500人以下时经济性不明显,超过3 000人后投资回收期基本稳定。可以看出,热泵系统在集中式洗浴余热回收方面,节能性和经济性都很好,有应用发展的前景。

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