某礦區浴室廢水熱源利用工程探討

崔 高 峰

(中鐵十七局集團勘察設計院，山西 太原 030032)

1 任務由來及工程概況

隨著人類生活品質的提高，洗浴熱水供應所需的能耗也逐年增加，傳統能源(如燃煤鍋爐)的利用不僅消耗了大量的一次能源，而且其排放物污染大氣環境，國家環保政策等要求取締小型燃煤鍋爐，迫切需要解決礦區洗浴熱水的熱源問題[1-3]。

本項目位于山西省某寒冷地區采煤礦區，較為偏遠，無市政熱源且工廠周圍無工業余熱可利用，經過經濟技術分析，擬采用污水源熱泵機組提取礦區浴室洗浴廢水中的低溫熱能作為洗浴用水的熱源。由其他專業提供資料：該礦區實行三班制，每班洗浴人數80人，淋浴器用水定額為540 L/(人·h)，洗臉盆用水定額為80 L/(人·h)，浴池用水定額為700 L/m2[4],浴室內設置4 m2的浴池2個,洗浴時間為1 h，則每班用水量為55.2 m3；淋浴系統設有熱水給水箱，采用單管系統，給水由地下水供應，水溫取10 ℃，熱水使用水溫為40 ℃，洗浴廢水排水水溫取33 ℃[5]，取熱后洗浴廢水的排放溫度為10 ℃。

2 污水源熱泵系統設計

2.1 污水源熱泵系統的原理

根據逆卡諾循環原理，制冷劑在污水源熱泵機組中循環，低溫高壓的液態制冷劑經過膨脹閥后成為低溫低壓的液態制冷劑，進入蒸發器吸收洗浴廢水的熱量Q1后，成為蒸汽進入壓縮機(輸入電量為Q2)壓縮后，成為高溫高壓的制冷劑進入冷凝器進行放熱后成為低溫高壓的液態制冷劑，完成一個循環。自來水經過冷凝器吸收制冷劑放出的熱量(Q1+Q2)后溫度升高至40 ℃，儲存至保溫水箱供職工洗浴使用。洗浴后的廢水具有較高的排水溫度且溫度相對恒定，該廢水經過機組的蒸發器給制冷劑提供熱量溫度降低后，排放至礦區污水管網。

2.2 熱平衡分析

給排水專業提供的相關資料可計算出：

1)洗浴廢水中蘊含的熱量：Q1=C×m×ΔT=4.187×55.2×103×23=5.3×106kJ/h。其中，m為洗浴廢水流量，kg/d；C為水的比熱容，C=4.187 kJ/(kg·℃)；ΔT為洗浴廢水進出污水源熱泵機組機房的溫差。2)根據文獻提供資料顯示[6]，該溫度范圍內，污水源熱泵機組的年平均COP值取4.8，則洗浴廢水中賦存的可利用的熱量Q2=Q1×COP/(COP-1)=5.3×106×4.8/(4.8-1)=6.7×106kJ/h。3)定時供應的洗浴用水小時耗熱量為Q3=C×m×ΔT=4.187×55.2×103×30=7.0×106kJ/h；由以上分析可知：可利用的熱量Q2小于洗浴熱源所需熱量Q3，需采用其他熱源補充加熱，該礦區利用空壓機的冷卻水作為補充熱源，由工藝專業提取冷卻水可提供100 kW的熱量, 空壓機余熱加熱自來水至40 ℃，直接作為淋浴熱水使用。根據以上分析可得由污水源熱泵機組提供的熱量為1 845 kW。

2.3 系統設備選取及管道系統設計

由以上分析以及建筑場地等綜合因素考慮，該項目采用4臺HL-765M型污水源熱泵機組，污水源熱泵機組的性能參數詳見表1，考慮機組需要經常性清洗等因素，設計備用一臺機組。該機組具有以下特點：1)機組的壓縮機采用渦旋式，效率高，噪聲小；蒸發器采用滿液式蒸發器，提高了機組的效率，機組的額定能效比為5.03，遠大于技術措施要求的3.0；2)機組內的污水管道采用鎳白銅材質，適當的延長了機組的使用壽命。系統設計采用并聯式連接方式，即4臺機組共用污水泵等設備及管道；由于系統廢水主要來源于井下職工的洗浴，因此廢水內煤炭顆粒等的雜質比較多，系統設置了除砂器，在除砂器前端污水儲水箱的后端設置毛發聚集器。經過過濾等流程，廢水還具有結垢性及腐蝕性，但相對于原生污水其性質已減弱，故考慮采用直接式污水源熱泵系統，系統污水經過簡單處理之后直接進入污水源熱泵機組的蒸發器，同間接式污水源熱泵系統相比，節省了換熱器，提高了機組的能效。在系統運行過程中，需要監測除砂器以及毛發聚集器、污水泵等的運行狀態以此保證污水源熱泵機組污水側的正常運行。考慮機組的運行穩定性以及污水的不連續性，系統中增設了污水水池，設計采用地下污水水池，其有效容積為70 m3。系統中的污水泵采用了4臺抗堵性較高的WP80-38/2管道型立式污水泵，其性能參數見表2。考慮檢修方便等因素，將除砂器、毛發過濾器、污水泵等設備置于地下1層污水池周邊的專用泵房內。同時在地上污水源熱泵機房內設置一套清洗裝置清洗污水源熱泵機組的蒸發器，避免蒸發器表面結垢以及附著異物，降低傳熱效率。考慮系統的排水管的承壓能力、腐蝕性以及表面粗糙度，設計采用U-PVC給水管作為污水泵房后的污水管道，機房內的其余管道采用鋼塑復合管，既增加了管道的強度，又提高了管道的耐腐蝕性，通過計算，合理選用管道的管徑。

為保證系統的可靠、智能化及節能運行，系統多處安裝自動化裝置，如：

1)廢水經過蒸發器后的溫度大于10 ℃時，不能將廢水排放至室外污水管網，需要控制管網系統的電動閥門將廢水返回至廢水箱內；當廢水水溫不大于10 ℃時，控制系統開啟排水管路的電動閥，系統排水；2)在蒸發器進出管道上設置壓差自動報警裝置，壓差過大時，需要清洗蒸發器內部等。為防止熱量損失，污水池至蒸發器的管道以及冷凝器出水的管道、熱水水箱、污水水箱均設置保溫系統。

表1 污水源熱泵機組參數

表2 污水泵參數

3 節能及環保分析

污水源熱泵機組提取了洗浴廢水中的低溫熱量，減少了一次性能源的消耗，從而在根本上減少了氮氧化物、硫化物、CO2以及粉塵等的排放。

3.1 節省一次性能源的計算

本工程經過計算小時耗熱量Q3=7.0×106kJ，為合理分析機組的節能量，將其與燃煤鍋爐日耗煤進行對比。采用燃煤鍋爐時，每班消耗的標準煤M1=Q3/(qe×η1)=7.0×106/(29 307×0.6)=398 kg，其中，qe為標準煤的發熱量，其值按照規范選取，取29 307 kJ/kg;η1為燃煤鍋爐綜合效率，取60%[4]；采用污水源熱泵機組時，每班消耗的電量折算為標準煤M2=Q3/(qe×η2×COP)=7.0×106/(29 307×0.3×4.8)=166 kg，其中，η2為電力輸入效率，取值0.3[7]。根據以上可得每班節煤量為232 kg,年節約標準煤為251 t。

3.2 減少氮氧化物等的排放量計算

文獻[7]給出標準煤的污染物排放定額，詳見表3；減排量m=M×ri，其中，ri為每噸標準煤燃燒所產生的第i種污染物的質量；根據以上分析可得該項目的年減排量，見表3。

表3 污染物排放標準及該工程的年減排量

4 結語

本工程利用洗浴廢水中蘊含的低溫熱能作為洗浴熱水的主要熱源，采用高效的污水源熱泵系統，通過經濟合理的設計系統，與傳統燃煤鍋爐相比，可年節省標煤251 t，年減少氧化氮物排放1.0 t，CO2排放690.3 t。

參考文獻:

[1] 胡敏東,金蘇敏.浴室廢水余熱回收熱泵熱水系統的分析[J].流體機械,2010，38(10):78-83.

[2] 桂秋靜,吳兆林.廢水熱源熱泵熱水系統的探討與性能分析[J].暖通空調,2006，36(7):88-91.

[3] 賈思捷,趙樹興.高校洗浴廢水余熱回收系統設計及經濟性分析[J].煤氣與熱力,2012，32(11):13-16.

[4] GB 50810—2012，煤炭工業給水排水設計規范[S].

[5] 申傳濤,彭冬根.南昌市污水源熱泵系統工程實例與應用可行性分析[J].可再生能源,2014，32(10):1510-1514.

[6] Baek,N.C.,U.C.Shin, J.H.Yoon.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.

[7] 錢劍峰,孫德興.直接式污水源熱泵系統節能與環保性能分析[A].中國制冷學會2009年學術年會論文集[C].2009.