中大型洗浴废水余热回收途径及其经济性分析

杨前明 李亭亭 李凯 张亚军

（山东科技大学机械电子工程学院山东青岛266590）

0 引言

随着人们生活舒适度要求的逐渐提高，生活热水所消耗的能量在建筑耗能中的比重逐年增高[1]；对于常规大型集中洗浴而言，由于洗浴热水流量大、用水集中，且系统中的废水一般直接排入污水系统，使得污水中所含高于环境温度的热量被浪费，显然对其进行余热回收具有较大的经济价值与节能减排效益[3]。余热回收的方法较多，针对大型浴室余热而言，采用污水源热泵、热管均是较好的回收方式[6]。由于其运行成本低，近年来得到广泛的应用[7~9]。本文在对污水源热泵、热管、污水源热泵联合热管三种余热回收途径进行分析的基础上，比较了这三种余热回收方式的经济性，为集中浴室洗浴系统选择合适的余热回收方式提供了一定的依据。

1 废水余热回收流程

图1所示为余热回收原理流程图，污水余热回收原理可以描述如下：洗浴热水温度一般为41℃，经过淋浴后，余热废水（35℃左右）流入废热污水池中，随后废水通过污水循环泵进入余热回收装置（热管回收、污水源热泵或者热管联合污水源热泵）进行余热回收与利用。余热收集的热量存贮在余热蓄热水箱中以备利用；被提取完热量的废水（5℃左右）由废水管道排入废水池，以待净化利用。

图1 余热回收原理流程图

2 污水余热回收经济性分析

大型集中洗浴系统洗浴温度一般设定在41℃的左右，开放时间集中，余热回收潜能较大，余热回收系统所能回收的洗浴废热污水温差为26℃（31℃~5℃）。以春季、过渡季节、冬季三个季节时段进行洗浴余热回收计算，分析全年余热回总量，并折算成节约其他能源的当量值。以污水源热泵、热管与污水源热泵联合热管三种方式进行余热回收，讨论一次性投入成本、讨论其运行费用、回收年限等指标分析其经济性。

1)余热负荷计算

在不同季节条件下，浴室的洗浴及余热回收存在较大差异。以青岛地区年平均自来水温度8℃[4]、余热回收温差26℃考虑，按照冬季、夏季与春秋过渡性季节分析其余热回收情况，热量计算如下。

式中：Q—余热回收热量；φ—因为各种损耗而导致的实际水流量系数，一般取0.93；c—水的定压比热容，取4.18KJ/Kg·℃；m—水的质量流量，kg/s;△t—废水的会热温差，26℃。

全年余热回收计算结果参见表1。由表分析可知，夏季每周平均洗浴次数最多、每周日平均用水量达71.4kg、由于环境温度高、洗浴热量损失少，因而回收热量较多，可达7763.2MJ；春秋过渡季节每周平均洗浴次数比冬季多，时间也比冬季长，所以过渡季节比冬季经济性明显；冬季环境温度较低，洗浴过程中散热较多，因而冬季较其他季节而言，回收热量偏少，全年千人余热回收总负荷约为1865 GJ。

表1 全年千人余热回收热负荷计算

2)热经济性分析

余热系统经济性分析有两层含义，一是探讨全年不同季节的余热回收潜力变化规律，为余热回收系统设计及回收余热总量估算提供参考；二是为供热系统热负荷热源选择及其系统废热回收提供经济性比价依据。表2给出了燃煤、天然气、市电与液化气四种能源的基本性价参数。

表2 不同能源的参数对照表[10]

参照表1、表2，根据下式：

式中：Qd—日均余热回收量，MJ/d；m—能源单价，元；q—燃烧热值，MJ/kg或MJ/m3；η—燃烧热效率，%；M—余热回收折算费用，元。

夏季、冬季和春秋过渡季节各种能源折算费用计算结果参见表3所示。

表3 千人全年各种能源日均余热回收效益

由表3计算结果可得全年千人日均余热回收效益规律如图2所示。

图2全年千人日均余热回收经济效益曲线

图2 中的纵坐标值反映了余热回收总量折算成的经济费用，全年气候条件下，各种能源节约费用在夏季较高、春秋过渡季节次之、冬季最低；在同一季节条件下，回收余热折算成各种能耗费用差异较大，液化气、电能较高，煤炭较低，天然气居中，这从另一个侧面说明了由于各种能源的热经济性不同，正确选择热水系统热源的重要性。

3）减排估算

减排估算主要是考察系统余热回收的环保效益指标,通过计算余热回收总量，并以此折算成使用煤炭或天然气当量，估算减少二氧化碳、粉尘和二氧化硫的排放量。由表1可知，千人全年余热回收热负荷约为1865 GJ，相当于137吨煤炭，62403 m3天然气。

研究资料表明:燃烧1吨煤排放CO2为2.66吨、SO2为0.02吨，烟尘为0.01吨;燃烧1 m3天然气产生烟气总量为11.86m3。选择燃煤作为热源，千人全年余热回收将减少排放CO2为346.7吨、SO2为2.74吨、烟尘为1.37吨;如果选择燃烧天然气作为热负荷来源,千人全年余热回收热负荷需要燃烧62403 m3天然气，将减少排放CO2,SO2排量分别为62908m3和1.48m3。

大型集中浴室余热回收潜能较大，资料表明，洗浴废水中所含热量约为洗浴热水总热量的84%左右，洗浴过程损失的量仅为16%。采用集中供热水洗浴是高校、部队、厂矿等单位洗浴澡堂的普遍采用模式，参考表3，可以估算万人日均洗浴废水余热回收相当于节约煤炭3.8万吨、天然气1735m3、电能1.45万与液化气1836m3，折算成费用分别为2.8万、0.7万、0.86万和4.0万元。以燃煤为例，万人全年余热回收减少排放CO2为3467吨,SO2为27.5吨，烟尘为13.7吨。

综上所述，余热回收的节能潜力大、经济性显著；目前我国大部分地区仍然以煤炭作为主要供热能源，推广使用洗浴污水余热回收，除了具有显著地经济效益，同时还具有减排低碳、降低粉尘与改善环境深远的社会效益。

3 回收方式经济性比较

对于中大型洗浴供热系统而言，比较常用的余热回收方式主要为热泵、热管和热泵联合热管等方式。表4是以日均需求120吨热水的集中浴室为例，给出了水源热泵、热管与水源热泵＋热管三种方式进行余热回收、一次性投入设备建设成本的条件下，运行费用、回收年限等经济性指标情况。

表4 三种余热回收途径经济性对比分析表

由上表可以看出，热泵回收一次性总投入最高，但其运行成本较低，成本回收年限约1年；水源热泵联合热管回收方案一次性投入低于热泵，回收年限为0.85年；热管回收方案一次性投入三者中最低，回收年限为0.68年。总体而言，三种余热回收方式方案虽然一次性投入略有不同，但是从系统运行费用、系统寿命及维修费用等综合经济性指标来看，三种回收方案的回收年限相差不多均小于1年。因此不论采用哪种回收方式，均具有显著的经济节能效果，余热回收很有必要。

4 结论

洗浴污水中蕴含着大量的低品位能量，从能源消耗的热经济性角度出发，针对不同方式的余热回收方案，讨论了一次性投入成本、运行费用、回收年限等指标。

1)全年气候条件下，污水余热回收的热经济性以夏季最高、春秋过渡季节次之、冬季最低；在同一季节条件下，回收余热折算成各种能耗费用存在一定的差异性。由于各种能源的热经济性不同，正确选择热水系统热负荷种类尤为重要。

2)洗浴污水余热回收，在具有显著的经济效益同时还具有低碳减排、降低粉尘与改善环境的长远社会效益。节能减排、能源高效利用角度来看，推广清洁、绿色新能源与可再生能源应是能源利用的首选。

3)从选择的余热回收方案的一次性投入、运行费用、系统寿命及维护费用等指标来看，除一次性投入略有区别外，其他指标均相差不大。因此无论采用哪种回收方式，节能经济性效果显著，余热回收很有必要。

[1]李元哲.热泵热水技术的现状与展望[J].阳光能源，2005，（10）：79-81.

[2]杨前明，李心灵，李亭，李凯.低品位多热源联供热水系统的节能型分析[J].太阳能，2012，(10):26-29.

[3]沈朝，姜益强，姚杨.洗浴中心废热回收热泵热水系统性能的实验研究[J].建筑科学，2012，28（10）：27-31.

[4]GB50015-2003,建筑给水排水设计规范[S].

[5]宋武成.天然气与中国能源[J].石油化工技术经济，2002,17（1）：7-13.

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[7]黄坤荣，王汉青等.某高校热泵型浴室热回收系统的设计方案探讨[J].能源技术，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]国家统计居能源统计司，2011中国能源统计年鉴〔M〕，中国统计出版设，2012.