某礦區(qū)生活洗浴熱水熱源選擇

崔 高 峰

(中鐵十七局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原　030032)

1　問題的引出

工程現(xiàn)有狀況生活洗浴熱水的熱源由礦區(qū)燃煤鍋爐房供給，在鍋爐的運(yùn)行過程中，由于除塵、脫硫等設(shè)備的欠缺及設(shè)備的效率等問題造成了大氣污染，部分研究認(rèn)為是霧霾產(chǎn)生的主要原因[1-3]。在環(huán)境持續(xù)惡化的前提下，相關(guān)部門相繼出臺(tái)了《關(guān)于京津冀及周邊地區(qū)大氣污染防治工作方案》等一系列的政策方案，要求取締不達(dá)標(biāo)的小型燃煤鍋爐，采用清潔能源(如燃?xì)狻㈦娏Α⑻柲艿?取代，該工程位于取締范圍之內(nèi)，需重新考慮生活洗浴熱水的熱源。

2　工程生活洗浴熱水熱源分析

項(xiàng)目為某礦區(qū)職工浴室熱水供應(yīng)，該礦區(qū)職工實(shí)行三班制工作制度，浴室的熱負(fù)荷特點(diǎn)隨井下職工下班每天出現(xiàn)三次高峰期，開始時(shí)間分別為8：00，16：00，24：00，此時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前必須儲(chǔ)存足夠量的熱水供井下職工洗浴使用。工程現(xiàn)狀周圍無可供利用的廢熱和工業(yè)余熱，因此需要重新考慮生活洗浴熱水的熱源。本文從以下幾種熱源進(jìn)行分析。

2.1　采用太陽能作為熱源

太陽能是利用集熱器將太陽的輻射熱量收集并儲(chǔ)存于水中供人們使用。太陽能是一種可再生能源且無污染等眾多優(yōu)點(diǎn)受到人們的大量使用，但同時(shí)也存在著一些缺點(diǎn)，如：1)對于夜間出現(xiàn)峰值負(fù)荷的系統(tǒng)需要白天儲(chǔ)存足夠的熱量；2)陰雨天時(shí)不能保證收集足夠的熱量供洗浴使用；3)為保證集熱器的收集效率，需要保證集熱器表面不能被異物覆蓋，而該工程位于礦區(qū)，粉塵作業(yè)較多等原因，運(yùn)行過程中為保證其清潔，需要人工沖洗集熱器表面，造成水資源浪費(fèi)以及人工成本的增加；4)部分地區(qū)的年日照數(shù)、極端最低氣溫低、太陽輻射量小，不滿足太陽能作為熱水的熱源。根據(jù)以上分析及該工程的實(shí)際情況，16：00以后太陽輻射強(qiáng)度下降，8：00及24：00的洗浴熱水的熱量需要儲(chǔ)存于熱水水箱中，這樣會(huì)造成儲(chǔ)熱水箱容積偏大，占地面積大，造價(jià)偏高等問題[4]，同時(shí)，該項(xiàng)目的熱源具有不間斷性，采用太陽能時(shí)還需要配備必要的備用熱源供不時(shí)之需，因此不建議使用太陽能作為該項(xiàng)目洗浴熱水的熱源。

2.2　采用燃?xì)忮仩t作為熱源

燃?xì)忮仩t是將燃?xì)獾幕瘜W(xué)能通過在爐內(nèi)燃燒的方式轉(zhuǎn)化為熱能，鍋內(nèi)的水吸收其熱量成為熱水供用戶使用。燃?xì)忮仩t具有清潔環(huán)保、運(yùn)行效率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)[5]，但也存在運(yùn)行費(fèi)用高、高峰期氣源不穩(wěn)定、需市政配套(市政燃?xì)夤艿?等缺點(diǎn)；大多數(shù)礦區(qū)位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，距離城市氣源較遠(yuǎn)，需要建設(shè)長距離輸送管道或者新建儲(chǔ)氣站等不利因素，故在此類工程中不推薦采用燃?xì)忮仩t作為洗浴熱水的熱源。對于高瓦斯礦井，由于可對礦井的瓦斯(其主要成分為甲烷)進(jìn)行回收利用，減少了很多不利因素，可以考慮采用燃?xì)?瓦斯)鍋爐作為熱源使用。

2.3　采用電熱鍋爐作為熱源

電鍋爐是將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存于水中。電能為清潔能源，不會(huì)對大氣環(huán)境等造成污染，作為洗浴熱源其優(yōu)點(diǎn)有熱效率高、安裝方便、占地面積小、運(yùn)行控制方便[6]，缺點(diǎn)是運(yùn)行成本非常高，適合有峰谷電價(jià)地區(qū)；對于改造工程，其電力容量的預(yù)留量也是需要考慮的因素；根據(jù)以上分析，該項(xiàng)目不適合采用電熱鍋爐作為熱源。

2.4　采用空氣源熱泵機(jī)組作為熱源

空氣源熱泵機(jī)組的工作原理是制冷劑從低溫空氣中吸收熱量，通過電力等對壓縮機(jī)做功，將空氣中這部分熱量由低溫傳向高溫，高溫的制冷劑加熱水之后成為低溫高壓的液體，通過節(jié)流閥等設(shè)備后成為低溫低壓的氣液混合流(其溫度低于室外空氣的溫度)，再從空氣中吸收熱量，完成一個(gè)熱泵循環(huán)[7]。根據(jù)空氣源熱泵的工作原理可知其優(yōu)點(diǎn)為環(huán)保(采用環(huán)保型的制冷劑)、節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低等，近年來這些優(yōu)點(diǎn)普遍受到人們的關(guān)注，越來越多的人們選擇使用它作為小型洗浴熱水的熱源或用它作為太陽能等生活熱水系統(tǒng)的輔助熱源。同時(shí)，從其工作原理中也可看出它的缺點(diǎn)：1)室外環(huán)境溫度對其能效(性能系數(shù)COP)影響較大；環(huán)境溫度越低，其能效系數(shù)越低；對于常用的制冷劑，其蒸發(fā)溫度一定，正常工作環(huán)境溫度在-10 ℃～40 ℃之間，低于-10 ℃時(shí)，可采用低溫空氣源熱泵機(jī)組。當(dāng)室外溫度進(jìn)一步更低時(shí)，有可能造成機(jī)組無法啟動(dòng)；2)在北方地區(qū)，機(jī)組冬季運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜，這就需要機(jī)組具有可靠的融霜技術(shù)，融霜過程中熱泵機(jī)組逆向運(yùn)行，產(chǎn)生的熱量用于融霜，這部分熱量不可以利用，相比華東、華南等長江以南地區(qū)減少了機(jī)組輸出的熱量；3)機(jī)組的壓縮機(jī)易燒壞。空氣源熱泵機(jī)組大多采用循環(huán)式加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)在高溫高壓工況下運(yùn)行，容易使壓縮機(jī)老化、碳化，同時(shí)系統(tǒng)的潤滑效果不好，導(dǎo)致壓縮機(jī)易被燒壞。該工程位于北方寒冷地區(qū)，其冬季室外計(jì)算干球溫度為-13 ℃，為生活熱水提供熱源時(shí)，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較該工程的熱源不適用空氣源熱泵機(jī)組。

2.5　采用污水源熱泵機(jī)組作為熱源

污水源熱泵機(jī)組的工作原理是以經(jīng)過簡單處理后的洗浴廢水作為熱源，通過電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)把廢水中的低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏臒崮軄砑訜嶙詠硭苽湎丛∷璧臒崴甗8,9]。其工作原理與空氣源熱泵相似，其低溫端熱源不同；與空氣源熱泵機(jī)組相比，污水源熱泵機(jī)組的低溫端熱源為洗浴廢水，排水溫度約為32 ℃～35 ℃，基本不受氣候的影響，排水溫度穩(wěn)定。與其他系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：1)系統(tǒng)的能效比高[10,11]。在整個(gè)過程中機(jī)組的性能系數(shù)COP可達(dá)到4～6，即輸入1 kW的電能，可得到4 kW～6 kW的熱能；與空氣源熱泵機(jī)組相比，污水源熱泵機(jī)組解決了冬季室外溫度低時(shí)，停機(jī)以及融霜頻繁的技術(shù)難題。由于洗浴廢水排水溫度恒定，使得污水源熱泵機(jī)組工作性能穩(wěn)定，其性能系數(shù)約高出冬季北方地區(qū)空氣源熱泵機(jī)組40%；與電鍋爐相比，可節(jié)省60%的電能，與燃?xì)忮仩t相比，其運(yùn)行成本可降低30%；2)具有較高的環(huán)保效益[8,9]。通過污水源熱泵機(jī)組回收洗浴廢水中儲(chǔ)存的低溫?zé)崮埽瑸槿晗丛崴峁嵩矗瑢?shí)現(xiàn)了廢熱的回收利用，屬于可再生能源范圍；3)利用洗浴廢水的污水源熱泵系統(tǒng)初投資適中。與地下水源熱泵相比，污水源熱泵系統(tǒng)利用的是洗浴廢水，不必抽取地下水，同時(shí)也不用回灌，節(jié)省了打井的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用[9]。與電熱鍋爐、燃?xì)忮仩t及太陽能等系統(tǒng)相比，污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備集成度及自動(dòng)化程度高，占地面積小，從而可以節(jié)省土建費(fèi)用。同時(shí)，該系統(tǒng)也存在一定的缺陷:1)系統(tǒng)首次運(yùn)行時(shí)無洗浴廢水可利用，建議首次運(yùn)行時(shí)選擇在夏季運(yùn)行或申請利用城市污水等；2)系統(tǒng)需要不間斷運(yùn)行，即污水排出后，不能降溫幅度過大，或者制出的熱水應(yīng)盡快利用，限制了污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用。若有城市污水管網(wǎng)可利用則不受限制，但其初投資較高。對于本項(xiàng)目，洗浴人數(shù)較多，水質(zhì)、水溫、水量變化較為規(guī)律，系統(tǒng)常年運(yùn)行，經(jīng)過技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析，此類工程推薦采用污水源熱泵機(jī)組為生活洗浴提供熱源。

3　結(jié)語

隨著環(huán)保政策的實(shí)施，國家及地方政策要求取締小型燃煤鍋爐，本文針對礦浴室熱源提出五種選擇，逐一分析其優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際情況，認(rèn)為此類項(xiàng)目采用污水源熱泵機(jī)組作為熱源比較合理。

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