某教学楼生活污水排放特性及影响因素分析

2018-09-27王建栓张碧婷邓娜王启玉李杰朋曾鹏李悦玮郭宇

建筑热能通风空调 2018年8期

王建栓张碧婷邓娜王启玉李杰朋曾鹏李悦玮郭宇

1天津大学建筑设计研究院 2天津大学环境科学与工程学院 3中海油节能环保服务有限公司

0 引言

我国城市污水水温在5～35℃[1-3]，冬暖夏凉，全年波动不大，是优良的低温热源。国家对高等教育日益重视，各大高校面临扩招，多为多校区运作。由于市中心用地紧张，部分校区只能建于城郊。学校教学期间人口密集，冬夏有很大的冷热需求，但寒暑假人数锐减，冷热需求迅速减小，若采用市政热网供热，管网扩建耗财耗力，且假期易造成大马拉小车的局面，此时，污水热能利用是很好的选择，污水产量随着校内人口的增减而增减，若能对污水热能进行有效利用，势必降低经济投入。

本文选取了天津市某高校一教学楼供暖季污水温度监测数据与用水数据，分析了教学楼建筑生活污水排放特性与影响因素，通过气温与污水特性的关联规则确定了该季度的最不利情况。

1 污水流量排放特性

教学楼建筑是一种典型的校园公共建筑，教学活动集中在白天，消耗的水资源多为常温水，主要用于人员洗手、冲厕，产生的污水水质复杂，与污水热能直接相关的参数包括其流量、温度，污水排量受人流量影响较大，教学活动越频繁，排量越大；污水温度影响因素较多，如自来水水温、气温等。本文涉及的教学楼建筑面积19882.9 m2，包括公共教室与专业实验室，开放时间比较灵活，大致为6:00～23:30。

1.1 污水流量估算方法

经实地调研，该建筑生活污水在一口污水检查井内进行集中排放，其排污管道内多为非满管流，甚至呈断续流，其中不乏杂质，对于该种性质的流体，市面上尚无适宜的流量计对其进行测量。本文从监测系统处获得该高校某宿舍楼群附近一口排污井2017年2月14日～2月22日污水日排量的实际监测数据，测量方法为体积-时间法，结合其中一宿舍楼用水量数据，绘制曲线如图1所示：

图1 某宿舍楼日用水量与排污井污水实际日排量对照曲线

由于该建筑群均为宿舍楼，因此污水日排量与用水量联系紧密，变化趋势基本一致，由于所研究教学楼缺乏污水流量测量数据，因此本文根据该建筑逐时用水数据对污水排量进行估算，计算公式如下所示：

式中：Lw为生活污水逐时流量，m3/h；L为建筑逐时用水量，m3/h；α 为排水量折算系数，为 0.80～0.90[4]，此处取0.9。

1.2 污水日排放特性

该教学楼供暖季污水小时排放量介于0～9 m3之间，本文统计了每日各时段污水流量位于各流量区间的频率，并绘于图2中，可以看出春季供暖期排污量明显高于冬季供暖期，这是由于该建筑投入使用时间不长，学生数量与教学安排调整较大，春季学期的教学活动明显多于冬季学期，因此污水产量增多，而两学期排污高峰均出现于9:00时、13:00时、20:00～21:00时，排污低谷出现于0:00～6:00时、11:00～12:00时、18:00～19:00时、23:00时，此结果与学生的学习作息规律保持一致。

图2 供暖季污水排放量日分布

1.3 污水周排放特性

图3展示了该建筑供暖季各周内污水排放情况，其中春季学期从2月20日正式进入教学周。显然，污水日排量除在学期初和学期末有较大变化外，其余时段趋于平稳，仅在周末期间出现低谷，整体上以周为单位呈现周期性变化，该结果是由建筑功能决定的。

图3 供暖季污水日排放量曲线

2 污水温度排放特性

考虑到排污管道内可能为断续流，当污水流量很小时，其温度受气温影响过大，因此将温度测点布置于污水排水井的存水中，测温设备每5 min测取一个数据。

2.1 污水温度日变化

监测结果表明：该教学楼供暖季污水温度在冬季学期介于9.5～20.4℃之间，春季学期在7.7～20.5℃之间。图4描述了该季度每日各时段污水温度位于各温度区间的频率高低，显然，1:00～7:00时、22:00～23:00时污水水温较高，9:00～21:00时污水水温较低。结合污水流量情况可以发现：排污量较大的时段，污水温度相对较低。

图4 供暖季污水温度日分布

2.2 污水温度季变化

图5展示了该建筑供暖季内污水日均温度的变化情况，冬季学期污水温度整体呈下降趋势，最大温差为7.32℃，春节学期污水温度整体呈上升趋势，最大温差为6.15℃。

图5 供暖季污水日均温度曲线

3 污水温度影响因素及预测

污水热能大小取决于其温度高低与流量多少[5]，其中污水流量变化规律性较强，量产稳定，人员活动期间，即有污水热能可取，而温度影响因素较多，无明显规律，若能有效预测污水水温，可对教学楼建筑生活污水热能利用产生指导作用。

图6 供暖季污水日均温度、日均气温、日用水量对照曲线

事实上，测温水体是该校园污水管网内部存水中很小的一部分，该水体实质上受到气温、建筑用水量和系统存水水温三方面因素的影响，图6展示了供暖季污水日均水温、日用水量与日均气温三者的变化曲线，可以发现：污水水温整体趋势与气象温度整体趋势保持一致，经计算，冬季学期污水水温与气温、建筑用水量的相关系数分别为0.46、0.26，春季学期污水水温与气温、建筑用水量的相关系数为0.66、0.73，显然，随着春季学期建筑用水量的增大，其对污水水温的影响增大。系统存水水温受土壤温度与各建筑排水情况的影响，其变化规律难以掌握，上文提到，排污量大的时段，污水水温较低，因此仅能推测系统存水水温高于常温水。

本文采用Apriori算法[6-7]对污水温度在污水流量和气象温度影响下的逐时数据进行了挖掘，其中，各物理量区间划分情况如下表1所示：

表1 各物理量区间划分表

挖掘得到的强关联规则为：

本文认为该规则实质上预测了污水在供暖季最不利情况下的温度，对污水热能利用具有指导意义，理由如下：

污水小时流量在一定程度上可以代表污水热能的大小，[0,1.8)m3/h为最低流量区间，此时污水热能相对较小，其出现的小时数为1303 h，占整个供暖季的47.8%；与之类似，室外时均气温在一定程度上可以代表建筑热负荷的高低，[-9,-3)℃为最低温度区间，也是建筑负荷最高的区间，其出现的小时数为279 h，仅占整个供暖季的10.2%；而上述两个区间同时出现的小时数为216 h，但其中116 h分布在建筑不开放的时段（0～5 h），因此若以[0,1.8)m3/h、[-9,3)℃为最不利情况，实质上是对建筑负荷的过高估计，而反观室外气温位于 [-3,3)℃的小时数为1146 h，占到了整个供暖季的42.1%，因此，选择[0,1.8)m3/h、[-3,3)℃作为供暖季污水热能利用最不利情况（不保证小时数为100 h），此时污水温度预测值为[13,16)℃。