中大型洗浴廢水余熱回收途徑及其經濟性分析

楊前明 李亭亭 李凱 張亞軍

（山東科技大學機械電子工程學院山東青島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]；對于常規大型集中洗浴而言，由于洗浴熱水流量大、用水集中，且系統中的廢水一般直接排入污水系統，使得污水中所含高于環境溫度的熱量被浪費，顯然對其進行余熱回收具有較大的經濟價值與節能減排效益[3]。余熱回收的方法較多，針對大型浴室余熱而言，采用污水源熱泵、熱管均是較好的回收方式[6]。由于其運行成本低，近年來得到廣泛的應用[7~9]。本文在對污水源熱泵、熱管、污水源熱泵聯合熱管三種余熱回收途徑進行分析的基礎上，比較了這三種余熱回收方式的經濟性，為集中浴室洗浴系統選擇合適的余熱回收方式提供了一定的依據。

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泵進入余熱回收裝置（熱管回收、污水源熱泵或者熱管聯合污水源熱泵）進行余熱回收與利用。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 污水余熱回收經濟性分析

大型集中洗浴系統洗浴溫度一般設定在41℃的左右，開放時間集中，余熱回收潛能較大，余熱回收系統所能回收的洗浴廢熱污水溫差為26℃（31℃~5℃）。以春季、過渡季節、冬季三個季節時段進行洗浴余熱回收計算，分析全年余熱回總量，并折算成節約其他能源的當量值。以污水源熱泵、熱管與污水源熱泵聯合熱管三種方式進行余熱回收，討論一次性投入成本、討論其運行費用、回收年限等指標分析其經濟性。

1)余熱負荷計算

在不同季節條件下，浴室的洗浴及余熱回收存在較大差異。以青島地區年平均自來水溫度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分析其余熱回收情況，熱量計算如下。

式中：Q—余熱回收熱量；φ—因為各種損耗而導致的實際水流量系數，一般取0.93；c—水的定壓比熱容，取4.18KJ/Kg·℃；m—水的質量流量，kg/s;△t—廢水的會熱溫差，26℃。

全年余熱回收計算結果參見表1。由表分析可知，夏季每周平均洗浴次數最多、每周日平均用水量達71.4kg、由于環境溫度高、洗浴熱量損失少，因而回收熱量較多，可達7763.2MJ；春秋過渡季節每周平均洗浴次數比冬季多，時間也比冬季長，所以過渡季節比冬季經濟性明顯；冬季環境溫度較低，洗浴過程中散熱較多，因而冬季較其他季節而言，回收熱量偏少，全年千人余熱回收總負荷約為1865 GJ。

表1 全年千人余熱回收熱負荷計算

2)熱經濟性分析

余熱系統經濟性分析有兩層含義，一是探討全年不同季節的余熱回收潛力變化規律，為余熱回收系統設計及回收余熱總量估算提供參考；二是為供熱系統熱負荷熱源選擇及其系統廢熱回收提供經濟性比價依據。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參數。

表2 不同能源的參數對照表[10]

參照表1、表2，根據下式：

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

夏季、冬季和春秋過渡季節各種能源折算費用計算結果參見表3所示。

表3 千人全年各種能源日均余熱回收效益

由表3計算結果可得全年千人日均余熱回收效益規律如圖2所示。

圖2全年千人日均余熱回收經濟效益曲線

圖2 中的縱坐標值反映了余熱回收總量折算成的經濟費用，全年氣候條件下，各種能源節約費用在夏季較高、春秋過渡季節次之、冬季最低；在同一季節條件下，回收余熱折算成各種能耗費用差異較大，液化氣、電能較高，煤炭較低，天然氣居中，這從另一個側面說明了由于各種能源的熱經濟性不同，正確選擇熱水系統熱源的重要性。

3）減排估算

減排估算主要是考察系統余熱回收的環保效益指標,通過計算余熱回收總量，并以此折算成使用煤炭或天然氣當量，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荷約為1865 GJ，相當于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荷來源,千人全年余熱回收熱負荷需要燃燒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，洗浴過程損失的量僅為16%。采用集中供熱水洗浴是高校、部隊、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于節約煤炭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，余熱回收的節能潛力大、經濟性顯著；目前我國大部分地區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，除了具有顯著地經濟效益，同時還具有減排低碳、降低粉塵與改善環境深遠的社會效益。

3 回收方式經濟性比較

對于中大型洗浴供熱系統而言，比較常用的余熱回收方式主要為熱泵、熱管和熱泵聯合熱管等方式。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＋熱管三種方式進行余熱回收、一次性投入設備建設成本的條件下，運行費用、回收年限等經濟性指標情況。

表4 三種余熱回收途徑經濟性對比分析表

由上表可以看出，熱泵回收一次性總投入最高，但其運行成本較低，成本回收年限約1年；水源熱泵聯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，但是從系統運行費用、系統壽命及維修費用等綜合經濟性指標來看，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，均具有顯著的經濟節能效果，余熱回收很有必要。

4 結論

洗浴污水中蘊含著大量的低品位能量，從能源消耗的熱經濟性角度出發，針對不同方式的余熱回收方案，討論了一次性投入成本、運行費用、回收年限等指標。

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

2)洗浴污水余熱回收，在具有顯著的經濟效益同時還具有低碳減排、降低粉塵與改善環境的長遠社會效益。節能減排、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、運行費用、系統壽命及維護費用等指標來看，除一次性投入略有區別外，其他指標均相差不大。因此無論采用哪種回收方式，節能經濟性效果顯著，余熱回收很有必要。

[1]李元哲.熱泵熱水技術的現狀與展望[J].陽光能源，2005，（10）：79-81.

[2]楊前明，李心靈，李亭，李凱.低品位多熱源聯供熱水系統的節能型分析[J].太陽能，2012，(10):26-29.

[3]沈朝，姜益強，姚楊.洗浴中心廢熱回收熱泵熱水系統性能的實驗研究[J].建筑科學，2012，28（10）：27-31.

[4]GB50015-2003,建筑給水排水設計規范[S].

[5]宋武成.天然氣與中國能源[J].石油化工技術經濟，2002,17（1）：7-13.

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[7]黃坤榮，王漢青等.某高校熱泵型浴室熱回收系統的設計方案探討[J].能源技術，2002，10（01）.

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[9]Baek NC,Shin UC,Yoon JH.A study on the design and analysis of a heat pump heating system using wastewater as a heat source［J］.Solar Energy,2005,78(3):427~440．

[10]國家統計居能源統計司，2011中國能源統計年鑒〔M〕，中國統計出版設，2012.