某矿区浴室废水热源利用工程探讨

崔 高 峰

(中铁十七局集团勘察设计院，山西 太原 030032)

1 任务由来及工程概况

随着人类生活品质的提高，洗浴热水供应所需的能耗也逐年增加，传统能源(如燃煤锅炉)的利用不仅消耗了大量的一次能源，而且其排放物污染大气环境，国家环保政策等要求取缔小型燃煤锅炉，迫切需要解决矿区洗浴热水的热源问题[1-3]。

本项目位于山西省某寒冷地区采煤矿区，较为偏远，无市政热源且工厂周围无工业余热可利用，经过经济技术分析，拟采用污水源热泵机组提取矿区浴室洗浴废水中的低温热能作为洗浴用水的热源。由其他专业提供资料：该矿区实行三班制，每班洗浴人数80人，淋浴器用水定额为540 L/(人·h)，洗脸盆用水定额为80 L/(人·h)，浴池用水定额为700 L/m2[4],浴室内设置4 m2的浴池2个,洗浴时间为1 h，则每班用水量为55.2 m3；淋浴系统设有热水给水箱，采用单管系统，给水由地下水供应，水温取10 ℃，热水使用水温为40 ℃，洗浴废水排水水温取33 ℃[5]，取热后洗浴废水的排放温度为10 ℃。

2 污水源热泵系统设计

2.1 污水源热泵系统的原理

根据逆卡诺循环原理，制冷剂在污水源热泵机组中循环，低温高压的液态制冷剂经过膨胀阀后成为低温低压的液态制冷剂，进入蒸发器吸收洗浴废水的热量Q1后，成为蒸汽进入压缩机(输入电量为Q2)压缩后，成为高温高压的制冷剂进入冷凝器进行放热后成为低温高压的液态制冷剂，完成一个循环。自来水经过冷凝器吸收制冷剂放出的热量(Q1+Q2)后温度升高至40 ℃，储存至保温水箱供职工洗浴使用。洗浴后的废水具有较高的排水温度且温度相对恒定，该废水经过机组的蒸发器给制冷剂提供热量温度降低后，排放至矿区污水管网。

2.2 热平衡分析

给排水专业提供的相关资料可计算出：

1)洗浴废水中蕴含的热量：Q1=C×m×ΔT=4.187×55.2×103×23=5.3×106kJ/h。其中，m为洗浴废水流量，kg/d；C为水的比热容，C=4.187 kJ/(kg·℃)；ΔT为洗浴废水进出污水源热泵机组机房的温差。2)根据文献提供资料显示[6]，该温度范围内，污水源热泵机组的年平均COP值取4.8，则洗浴废水中赋存的可利用的热量Q2=Q1×COP/(COP-1)=5.3×106×4.8/(4.8-1)=6.7×106kJ/h。3)定时供应的洗浴用水小时耗热量为Q3=C×m×ΔT=4.187×55.2×103×30=7.0×106kJ/h；由以上分析可知：可利用的热量Q2小于洗浴热源所需热量Q3，需采用其他热源补充加热，该矿区利用空压机的冷却水作为补充热源，由工艺专业提取冷却水可提供100 kW的热量, 空压机余热加热自来水至40 ℃，直接作为淋浴热水使用。根据以上分析可得由污水源热泵机组提供的热量为1 845 kW。

2.3 系统设备选取及管道系统设计

由以上分析以及建筑场地等综合因素考虑，该项目采用4台HL-765M型污水源热泵机组，污水源热泵机组的性能参数详见表1，考虑机组需要经常性清洗等因素，设计备用一台机组。该机组具有以下特点：1)机组的压缩机采用涡旋式，效率高，噪声小；蒸发器采用满液式蒸发器，提高了机组的效率，机组的额定能效比为5.03，远大于技术措施要求的3.0；2)机组内的污水管道采用镍白铜材质，适当的延长了机组的使用寿命。系统设计采用并联式连接方式，即4台机组共用污水泵等设备及管道；由于系统废水主要来源于井下职工的洗浴，因此废水内煤炭颗粒等的杂质比较多，系统设置了除砂器，在除砂器前端污水储水箱的后端设置毛发聚集器。经过过滤等流程，废水还具有结垢性及腐蚀性，但相对于原生污水其性质已减弱，故考虑采用直接式污水源热泵系统，系统污水经过简单处理之后直接进入污水源热泵机组的蒸发器，同间接式污水源热泵系统相比，节省了换热器，提高了机组的能效。在系统运行过程中，需要监测除砂器以及毛发聚集器、污水泵等的运行状态以此保证污水源热泵机组污水侧的正常运行。考虑机组的运行稳定性以及污水的不连续性，系统中增设了污水水池，设计采用地下污水水池，其有效容积为70 m3。系统中的污水泵采用了4台抗堵性较高的WP80-38/2管道型立式污水泵，其性能参数见表2。考虑检修方便等因素，将除砂器、毛发过滤器、污水泵等设备置于地下1层污水池周边的专用泵房内。同时在地上污水源热泵机房内设置一套清洗装置清洗污水源热泵机组的蒸发器，避免蒸发器表面结垢以及附着异物，降低传热效率。考虑系统的排水管的承压能力、腐蚀性以及表面粗糙度，设计采用U-PVC给水管作为污水泵房后的污水管道，机房内的其余管道采用钢塑复合管，既增加了管道的强度，又提高了管道的耐腐蚀性，通过计算，合理选用管道的管径。

为保证系统的可靠、智能化及节能运行，系统多处安装自动化装置，如：

1)废水经过蒸发器后的温度大于10 ℃时，不能将废水排放至室外污水管网，需要控制管网系统的电动阀门将废水返回至废水箱内；当废水水温不大于10 ℃时，控制系统开启排水管路的电动阀，系统排水；2)在蒸发器进出管道上设置压差自动报警装置，压差过大时，需要清洗蒸发器内部等。为防止热量损失，污水池至蒸发器的管道以及冷凝器出水的管道、热水水箱、污水水箱均设置保温系统。

表1 污水源热泵机组参数

表2 污水泵参数

3 节能及环保分析

污水源热泵机组提取了洗浴废水中的低温热量，减少了一次性能源的消耗，从而在根本上减少了氮氧化物、硫化物、CO2以及粉尘等的排放。

3.1 节省一次性能源的计算

本工程经过计算小时耗热量Q3=7.0×106kJ，为合理分析机组的节能量，将其与燃煤锅炉日耗煤进行对比。采用燃煤锅炉时，每班消耗的标准煤M1=Q3/(qe×η1)=7.0×106/(29 307×0.6)=398 kg，其中，qe为标准煤的发热量，其值按照规范选取，取29 307 kJ/kg;η1为燃煤锅炉综合效率，取60%[4]；采用污水源热泵机组时，每班消耗的电量折算为标准煤M2=Q3/(qe×η2×COP)=7.0×106/(29 307×0.3×4.8)=166 kg，其中，η2为电力输入效率，取值0.3[7]。根据以上可得每班节煤量为232 kg,年节约标准煤为251 t。

3.2 减少氮氧化物等的排放量计算

文献[7]给出标准煤的污染物排放定额，详见表3；减排量m=M×ri，其中，ri为每吨标准煤燃烧所产生的第i种污染物的质量；根据以上分析可得该项目的年减排量，见表3。

表3 污染物排放标准及该工程的年减排量

4 结语

本工程利用洗浴废水中蕴含的低温热能作为洗浴热水的主要热源，采用高效的污水源热泵系统，通过经济合理的设计系统，与传统燃煤锅炉相比，可年节省标煤251 t，年减少氧化氮物排放1.0 t，CO2排放690.3 t。

参考文献:

[1] 胡敏东,金苏敏.浴室废水余热回收热泵热水系统的分析[J].流体机械,2010，38(10):78-83.

[2] 桂秋静,吴兆林.废水热源热泵热水系统的探讨与性能分析[J].暖通空调,2006，36(7):88-91.

[3] 贾思捷,赵树兴.高校洗浴废水余热回收系统设计及经济性分析[J].煤气与热力,2012，32(11):13-16.

[4] GB 50810—2012，煤炭工业给水排水设计规范[S].

[5] 申传涛,彭冬根.南昌市污水源热泵系统工程实例与应用可行性分析[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] 钱剑峰,孙德兴.直接式污水源热泵系统节能与环保性能分析[A].中国制冷学会2009年学术年会论文集[C].2009.