高校浴室废水热量回收的研究

高校浴室废水热量回收的研究陈涛冯圣红(北京建筑工程学院,北京100044)摘要：通过对北京市高校的浴室进行调研，根据实际调查分析高校浴室废水热量回收的经济性和可行性。用实际说明浴室废水热量回收经济性突出，具有较高的节能潜力。通过系统方程的联立求解，对浴室废热回收的系统进行模拟计算。关键词：热量回收浴室经济性模拟THERESEARCHOFUNIVERSITYBATHROOMWASTEHEATRECOVERYCHENTAOFENGSHENGHONG（BeijingInstituteofCivilEngineeringandArchitectureBeijing100044,China）AbstractThearticlepracticallyresearchesandanalyzeseconomicalefficiencyandfeasibilityofheatrecoveryofwastewaterinuniversities’bathroomsaccordingtoresearchofuniversities’bathroominBeijing.Italsousefacttoilluminatethatheatrecoveryofwastewaterinbathroomownsprominenteconomicalefficiencyandhigherpotentialonsavingenergy.Bysolvingtheequationsofsystem,givingbathroomwasteheatrecoverysimulationKeywordsHeatrecoveryBathroomEconomicalefficiencySimulation1引言目前，随着能源的短缺、环境的恶化，有效的利用能源、开发新能源、回收可利用能源成为当前世界各国研究的主要方向。低温废水的热量回收成为时下的热门课题。相对其他分散废水热量来说，浴室开放时间比较稳定，淋浴温度适中，适合余热回收。回收必然可以带来节能效果，但是，能从废水中回收多少能量，其经济性和可行性如何，是一个需要解决的问题。本文通过对北京市现有高校浴室进行调研，根据实际调研工作分析废水热量回收的经济性和可行性，及其节能潜力。2系统简介系统流程如图1所示。系统简单，易安装，占地少，操作简单，维护费用低，运行稳定，项目可行性大。自来水废水图1系统流程图水箱热回收装置浴室从系统流程图看，废水从浴室内流出，经排污管道排走。现在北京高校大部分都直接作为废水直接排放，浪费了大量的能源。由于节水措施的推行和水处理技术的发展，北京许多高校已经开始建立和正在筹划建立浴室废水回收装置。废水回收后对其热量的回收增加了极大的可行性。当采取废水池回收废水时，可以通过污水泵从污水池中抽取废水进行交换，不用直接从污水管道中抽取污水或在污水管道中换热。并且，经过简单的净化处理，对系统换热器的换热工况、使用寿命都有较明显的提高。装置了污水池后，使得本来就比较集中的浴室废水更加集中，使热量得到最大可能回收。整个系统的核心在于热回收装置，采用何种形式的系统对热量进行回收，所用系统的性能系数、能源利用率等都是影响热回收的重要因素。热回收装置的一侧为浴室废水，另一侧为自来水。废水经过热交换后直接排走，自来水根据热交换进行的情况可以接入储水箱，在换热工况较理想的情况下甚至可以直接进行淋浴使用。废水和自来水经过热量交换后的温度由换热情况决定，由系统、换热器、换热工况等多种因素决定，可以根据实际情况进行选择匹配，以达到最佳经济效果。目前用的比较多的是热泵，因为热泵可以最大限度的回收余热，但是热泵的初投资比较高，相比较来说，热管则比较经济，但是其所能回收的能源有限。所以，项目的经济性是相对而言的。3前期调研及经济性分析3．1前期调研根据此次项目的最终目的，对北京市若干所高校进行了实际的调研工作。得到结果如下：1）浴室的洗浴温度。冬季设置在40～42℃范围内，夏季设置在36～38℃.2）废水温度在31℃左右。3）污水总量。污水总量主要由学校规模及以下2个因素通过计算获得。（1）每人每次的洗浴用水量，根据调查和文献资料，取平均100L/人•次进行计算。（2）每人每周洗浴次数。全年平均为2次/周。可以计算得到每人每天平均洗浴用水量为28.57L/人·天。根据学校规模，即可知道一所学校一年所产生的浴室废水的流量。4）不同燃料生产热水的费用及锅炉效率。如表1，常用燃料成本调查表。选取天然气、石油和电三种燃料进行对比，北京的锅炉大多采用天然气，主要由于天然气比石油和电的费用低，没有采用煤，是因为北京限制采用燃煤锅炉，实际意义不大。表1常用燃料成本调查表燃料天然气油电价格2.4元/3m5.1元/Kg0.6元/（KW·h）燃烧值36533KJ/3m41868KJ/Kg3600KJ/（KW·h）锅炉效率（%）8585985）北京市室外温度。因为不同的室外温度对换热过程影响较大，故将北京市的一年分为3个时段，不同时段对应天数进行划分。冬季（北京供暖天数）120天，夏季（北京需要供冷天数）120天，过渡季节125天。6）自来水温度。北京全年自来水温度比较稳定，为15℃左右。3．2调研计算分析无论是用热泵还是热管，其所回收的能量都是由换热过程决定。换热能力决定了废水和自来水经过蒸发器和冷凝器后的温度。在不同的室外温度下，所获得经济价值不同。热管回收能力比较弱，热泵则可以最大限度的回收废水余热。假设使用热泵，废水经过换热器后的温度为15℃，即回收温差为16℃。冬季洗浴每人每天所产生的废水进行余热回收所获的热量：计算公式Q回=c·m·Δt式中:c——水的定压比热容,取4.2KJ/kg·℃；m——水量,1.5*1007=21.43kg。1.5为每周的洗浴次数，100L为每次用水量（均为冬季）；Δt——温差,℃。Q回=1350KJ如改用天然气加热这部分水所消耗的能源：1350*2.4/36533/0.85=0.104元。整个冬季的费用为12.52元。表2为一个人一年洗浴所产生的废水的热量回收，如改为加热这部分水所消耗的能源需要花费的费用。由于过渡季节洗浴次数平均为2次，夏季平均为2.5次，都较冬季平均1.5次多，并且过渡季节的时间也较冬季长，所以过渡季节和夏季都比冬季的经济性明显。表2不同季节每人洗浴后污水热量所能回收的经济效益燃料季节天然气（元）石油（元）电（元）冬季12.5223.2222.96过渡季节17.3832.2438.27夏季20.8738.6945.92总计50.7794.15107.15从表中可以看出天然气的价格确实比较低。但是，即使这样，每人每年洗浴用水可以回收的热量价值也是比较可观的。以50.77元计算，北京高校在校生以50万计算，每年就可以回收2000万以上的资金。北京在校生远大于50万人，仅高校浴室废水的热量回收，每年就可以节约上千万的能源，不能不说，本项目的节能潜力巨大，实际意义明显。并且，项目用于公共浴室，甚至小到家庭浴室，其经济价值和社会价值更是不可估量的。4系统模型整个系统将热泵的各个部件方程联立，建立关于t0，、tc、蒸发器侧污水进出口温度（t01和t02）、冷凝器侧冷水进出口温度（tc1和tc2）以及两换热器侧对数平均温差（0mθ和0cθ）的方程，通过方程求得变量之间的关系。系统相关方程：（1）压缩机关联方程式：)(000kttf+=φφ)(0kpttfP+=)(00kkkttfP+=+=φφφ这里压缩机模型采用最小二乘法原理建立涡旋压缩机的性能拟合方程。拟合方程,提供变工况时以蒸发温度、冷凝温度相关的压缩机五大性能参数(质量流量、制冷量、输入功率、运行电流、COP)的通用拟合方程。拟合方程如下：Y=n×V×(A0+A1t0+A2t20+A3t30+A4t0tc+A5t0t2c+A6t20tc+A7tc+A8t2c+A9t3c)系数如表3：表3公式系数表质量流量G制冷量Q输入功率W运行电流ICOPA023.227414982819545334.82437.5129.958641A10.7377762173307.72157.7867.2170620.3222728A20.0090996592264.343-50.37123-0.0732846040.003581255A33.80354E-058.515548-0.7905007-0.0020191431.67912E-05A40.002260301-302.7803-8.04847-0.1101765-0.005754861A5-1.4956E-05-7.187263-0.11512350.0007260082.97505E-05A6-7.81124E-06-11.05857-0.2017629-0.000946155-4.39538E-05A7-0.029752539-15940.986471.4276.381591-0.1994615A80.001561652-190.92387.326160.2364050.001296156A9-2.82643E05-1.1410831.2555970.003592697-2.87495E-06其中：Y为所要求的变量，Ai是拟合方程系数，t0为蒸发温度（℃），tc为冷凝温度（℃），n为压缩机转速(r/min),V为压缩机气缸容积(排气量,厘米3/转)。（2）冷凝器侧关联方程式：)(12'−=φmcCCcAKθφ=''其中：MWCW——冷水流量和比热；KCAC——冷凝器的传热系数和冷凝器所需要的传热面积；tw1tw2——冷水进出口温度；k'φc''φ——冷水吸收的热量和制冷剂通过冷凝器传递的热量。（3）蒸发器侧关联方程式：)(1020000'wwttCM−=φ0000''mAKθφ=其中：M0C0——污水流量和比热；KCAC——蒸发器的传热系数和蒸发器所需要的传热面积；t0w1t0w2——冷水进出口温度；0'φ0''φ——污水吸收的热量和制冷剂通过蒸发器传递的热量。5计算分析图（2）、图（3）为模拟计算结果。图2冷水出口温度随污水进口温度的变化010203040506028293031333435污水进口温度℃冷水出口温度℃图3cop随污水进口温度变化0510152028293031333435污水进口温度℃cop条件为污水进口流量不变，污水通过蒸发器传递给制冷剂的热量正好等于污水进出蒸发器释放的热量；压缩机和毛细管刚好能满足此工况；冷凝器侧，出口温度随冷凝温度改变，制冷剂通过冷凝器传递给冷水的热量也刚好等于冷水进出冷凝器所得到的热量。从图中可以看出，随着污水进口温度的升高，蒸发温度可以提高，虽然蒸发温度提高可以提高cop值，但是我们可以适当提高冷凝温度来提高冷水出口温度，通过计算，适当提高冷凝温度，虽然会使cop值降低，但是可以大幅度提高冷水出口温度。根据模拟计算，在特定的条件下，可以调试出我们想要的结果。项目针对浴室污水热量回收，根据污水的流量和进水温度和所要得到的冷水流量和出口温度，通过方程模拟计算，可以得到压缩机的工况、cop值，通过改变传热面积可以得出不同面积下的冷水出口温度和流量，从而选择最优化设备匹配。6结论（1）通过对北京市高校浴室进行的实际调研和经济分析，可以看出浴室废水热量回收的经济性突出，具有很高的节能潜力；（2）系统简单，考虑系统安装、操作、运行、维护等方面的因素，并且由于节水措施的推进，项目可行性大；（3）通过系统的模拟计算，得出系统有较高的cop值，较好的工况，较高的节能潜力。参考文献[1]朱明善，刘颖，林兆庄，彭晓峰.《工程热力学》.清华大学出版社，1995.[2]马广兴，吴荣华，孙德兴.城市原生污水热能采集工艺设计应用实例，暖通空调，2006.[3]张旭光，胡益雄.基于模型仿真的热泵两器匹配研究.，制冷与空调，2005.[4]黄坤荣，王林.热泵技术在浴室废热回收上的应用研究.，制冷与空调，2005.[5]奚东敏，谷波.变工况涡旋压缩机性能模拟方程的建立.制冷与空调