基于光、气和余热回收的复合热水系统研究

许登科，肖莉贞，马新会，沈再龙，张文清

(1. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

2017a政府工作报告提出打赢“蓝天保卫战”，加快解决燃煤污染问题，“煤改气”作为改善空气质量的重要措施得到大范围的推广。生产和生活中产生的低品位热能和余热分为不同类型，而余热回收对于减少能源消耗、降低企业成本具有现实意义。

近年来，加热生活热水的能源形式引起学界广泛关注[1-4]。高校公共浴室作为热水能耗大户，其用能模式是国内外学者研究的热点之一。文献[5-6]提出了以浴室废水为热源的热泵热回收系统，实现废水余热回收再利用，节约了一次能源消耗。文献[7]介绍了山东建筑大学学生浴室太阳能热水技术应用，分析并评价了系统的节能效益和减排贡献。文献[8-9]介绍了太阳能与燃气复合型热水系统，以系统的运行成本和效率为评价指标，表明复合型能源比单一燃气能源节能效益更优。文献[10]引入能效、环境、经济3方面的评价指标体系，提出高校浴室太阳能热水系统区域适应性综合评价方法，并对我国多个省会城市的区域适应性进行评价。文献[11]选取北京某学校公共浴室为研究对象，对用热时间要求制定了独特的控制方式，并通过Trnsys建立太阳能-污水源热泵耦合热利用系统，得出污水源所提供的热量占84.83%。文献[12]将太阳能和地源热泵相结合进行生活热水供应，利用动态模拟软件考察了对不同组合下系统性能，得出复合式热水系统中主要的设备及控制参数的最优匹配方案。文献[13]针对高校浴室构建了太阳能、空气源热泵和污水源热泵新型复合能量热水供应系统，开发了实验平台以实现智能控制和系统热性能分析。文献[14-15]搭建了浴室废水热管回收实验系统，分析了热管回收效率及系统节能减排性能。

上述研究为热水供应提供了很多基础理论和措施，但对太阳能、天然气和废水余热回收3种清洁能源联合起来供热的方式还缺少探索。本文基于多能联动和余热回收的理念，设计了一种以太阳能为主、天然气为辅和废水余热热管回收的复合热水联供系统，加载不同能源运行工况的自动控制系统，在最大化利用太阳能的基础上减少化石能源的消耗，并以淮南市某高校浴室为对象进行了联供系统的理论计算和节能减排分析，以期对高校的节能减排工作提供理论指导。

1 复合热水系统设计

1.1 复合热水系统可行性

根据我国气象部门统计数据， 全国2/3以上的国土面积辐射总量高于5 000MJ/m2·a， 日照时间大于2 200h，且地表年接收的太阳总辐射能可达5×1019kJ，具有利用太阳能的良好条件[16]。普遍、无害、巨大、无偿的优点使得太阳能在热水供应中得到迅速推广，能有效降低建筑对一次能源的消耗。

天然气属于化石能源，但是一种洁净环保的优质能源。燃烧产物中SO2和粉尘的含量几乎为零，可以减少60%的CO2排放量和50%的氮氧化合物排放量，并有助于减少酸雨形成，舒缓地球温室效应，有利于从根本上改善环境质量。

浴室淋浴的热水温度为40℃～42℃，洗浴废水排水温度约为32℃，废水排放量为用水量的90%。如果将洗浴污水直接排放，则会浪费大量的余热资源。热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的高效传热元件，具有传输温差小、无需外加动力、适用温度范围广和使用寿命长等特点。利用热管回收浴室废水余热来加热系统自来水补水，提高冷水温度，能大幅降低加热洗浴用水的能源消耗。因此，利用太阳能、天然气和废水余热回收联合制备生活热水完全可行，更适用于高校、厂区等定时供应热水的系统。

1.2 复合热水系统设计思路

本设计复合热水系统面向辐射总量高于4 200MJ/m2·a的地区，能源结构以太阳能为主、燃气为辅、废水余热回收并存的形式，以结构简单、经济可行为原则，系统包括太阳能集热模块、燃气机组加热模块、热水供应模块、浴室废水热回收模块和智能化控制模块。以热水储水箱为中转设备，设计合理的控制方案实现各系统模块之间的运行工况转换，从而达到系统不同能源的高效利用和稳定性。设计思路如图1所示。

图1 系统设计思路图

1.3 热水联供系统控制原理

为了保证整个热水联供系统的稳定性、安全性和高效性，在系统中安装自动控制系统，智能控制原理如图2所示。

图2 智能控制原理图

1)水箱补水(水位控制)

当热水储水箱水位低于设定下限水位W2时，自动打开电磁阀E1和热水箱补水泵P4；当系统补水至设定的上限水位W1时，自动关闭电磁阀E1和热水箱补水泵；当冷水预热水箱水位低于设定下限水位W4时，自动打开电磁阀E2；当系统补水至设定的上限水位W3时，自动关闭电磁阀E2。

2)太阳能集热循环(温差控制)

在日照充足的情况下，当太阳能集热器上部水温(T3)与热水箱水温(T4)温差大于6℃时(可调设定)，即T3-T4>6℃，控制系统启动太阳能集热循环泵P1进行温差循环换热，热水箱水温T4不断上升；当T3-T4<3℃时，集热循环泵组自动关闭。重复运行，将热水箱水温加热至设定温度55℃。

3)燃气热水机组加热循环(温差控制)

如遇寒冷季节或连续阴雨天，太阳能制热能力不足，温度传感器监测热水箱温度T4低于使用要求时，系统自动启动燃气热水加热循环泵P2和燃气热水机组，进行加热升温。当T4温度升至设定温度值55℃时，燃气热水机组和燃气热水加热循环泵P2自动停止工作，以确保热水系统的终端水温需求。

4)浴室热水循环(定时+温差控制)

浴室每天开放前30min，时控开关启动浴室热水循环泵P3，使管道水温维持在设定的范围内(50℃～55℃)。浴室开放后的间歇使用期间，当热水箱水温T4与热水系统回水管水温T1的温差大于5℃时，即T1<50℃，控制系统启动浴室热水循环泵P3进行温差循环。因此，P3通过温差与时控开关相结合的控制方式，以保证淋浴器即开即得热水。

5)系统防冻控制(温差控制)

当室外环境温度较低时，集热器下循环管道温度T2<5℃(可调设定)，控制器启动太阳能集热循环泵P1，进行防冻循环，热量来自热水箱或燃气热水机组。当T2>8℃时，水泵关闭，防冻循环停止。

2 实例系统设计

2.1 实例设计概况

本系统设计以淮南市15 000人的学校为对象。淮南市地处安徽省中部偏北地区，位于116°E，32°N，属于夏热冬冷地带，春秋两季气候适中。太阳能全年日照时数为2 500～2 800h，年辐射总量在5 300～5 600MJ/m2.a。浴室每天开放5h(定时)，每天洗浴学生数量约3 000人，淋浴头额定用水量为60L/次，单个淋浴头服务人数为3人/h，出水温度由混合阀进行冷热调节，系统供水温度为55℃，淋浴头设计数量为200个。

2.2 系统设计计算

1)热水用量与耗热量

Qh=∑qh(tr-tl)ρrn0bC

(1)

式中：Qh为设计小时耗热量，kJ；qh为卫生器具热水的小时用水定额，取180L/h；C为水的比热，取4.19kJ/kg·℃；tr为热水温度，取55℃；tl为冷水温度，取10℃；ρr为热水密度，取0.983kg/L;n0为淋浴头个数，为200个；b为卫生器具的同时使用百分数，取100%。

设计小时耗热量：Qh=180×(55-10)×0.983×200×100%×4.19=6.67×106kJ

设计小时热水量：Qrh=60L/h×600=36000L/h

每日热水耗热量：Q=6.67×106kJ/h×5h=33.35×106kJ

日用热水量：Qrd=36000L/h×5h=1.8×105L

2)太阳能集热器面积

直接加热供水系统的集热器总面积可按下式计算

(2)

式中：Ajz为直接加热集热器总面积，m2；qrd为设计日用热水量，L/d；Jt为集热器采光面上年平均日太阳辐照量，取1.35×104kJ/m2·d；f为太阳保证率，取50%；ηj为集热器年平均集热效率，取50%；ηl为贮水箱和管路的热损失率，取20%。

集热器总面积：Ajz=1.8×105×4.19×0.983×(55-10)×50%/1.35×104×50%×(1-20%) = 3089m2

3)太阳能集热系统循环流量

qx=qgzAjz

(3)

式中：qx为集热系统循环流量，L/s；qgz为单位采光面积集热器对应的工质流量，取0.015L/(s·m2)。

系统循环流量：qx=3089×0.015=46.3L/s

4)浴室废水余热热管回收热量

每日浴室废水排放量：qfs=qrd×90%=1.8×105×90%=1.62×105L/d

每日浴室废水热管回收热量：Qfs=qfs×ρr×C×Δt=1.62×105×0.983×4.19×(32-26)=4.0×106kJ

每年浴室废水热管回收热量：Q=Qfs×210=8.40×108kJ

根据上述计算结果对联供热水系统主要设备进行选型，参数如表1所示。

表1 系统主要设备参数

3 节能减排分析

3.1 太阳能+余热回收系统投资预算

经过咨询相应设备厂家和施工单位，太阳能集热和废水余热回收系统设备投资为154万元，预算如表2所示。

表2 太阳能+余热回收系统投资预算表

3.2 经济性分析

由淮南地区的历史气象参数资料可知，月总辐射量较大，每年平均晴天50d，多云172d。浴室使用者主要是学生，人数相对稳定，时间较为集中。每年寒假、暑假和其他法定节日不开放， 每周停检1d，据统计每年大约开放为210d，根据上述气象条件统计每学年太阳能保证热水供应的折合天数为82d。经计算可得复合热水系统全年需求总热量为7 003.5GJ，太阳能集热模块供热量为2 735GJ，废水热回收模块供热量为840GJ，燃气机组加热模块供热量为3 428.5GJ。为了便于分析，现定义太阳能集热模块+废水热回收模块的总供热量为A(3 575GJ)，燃气机组加热模块供热量为B(3 428.5GJ)。将热量A分别以燃气、电、柴油和标准煤替代，进行太阳能+废水回收模块经济效益对比分析，如表3所示。太阳能+废水余热回收系统的投资对于使用电锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉和燃煤锅炉来说，投资回收周期分别为2.5a、5.3a、2.8a和10a。太阳能+废水余热回收系统的使用寿命按16a计算，使用寿命内节约的总热量按电能、燃气和柴油折算成加热这部分水所需的费用分别为973万元、489万元、905万元。全年热水耗热量由不同供热类型承担的运行费用如表4 所示，与使用电锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉和燃煤锅炉相比，复合热水系统年运行费节约率分别为76.8%、51.1%、74.2% 和7.6%。虽然用煤炭作为能源的年运行费用与复合热水系统相当，但是燃煤锅炉系统的环保性能较差。因此，采用太阳能+废水余热回收+燃气复合热水系统的节约效果非常明显，经济效益可观。

表3 太阳能+废水回收供热量由不同燃料锅炉替代的经济效益对比

表4 不同供热类型承担全年热水耗热量的运行费用对比

3.3 减排分析

根据实例系统的供热量和能源用量对复合热水系统进行节能减排分析。供热量A由清洁能源提供，无需消耗一次能源，污染排放量为0。现将供热量A折合为标准煤燃烧所形成的污染排放，供热量B分别以标准煤和天然气的形式计算污染排放，计算结果如图3所示。

图3 不同用能污染排放量

由图3可知，供热量A(折合标准煤)每年排放SO23 660kg、CO2400t、NOx1 068kg；供热量B由燃气提供每年排放SO212kg、CO2210t、NOx647kg；供热量B(折合标准煤)每年排放SO23 510kg、CO2383t、NOx1 024kg。通过比较得出，天然气燃烧产生的SO2和NOx排放量极小，该浴室以太阳能+废水余热回收+天然气为复合能源与采用单一燃煤供热相比，每年可减少排放CO2573t、SO27 158kg、NOx1 445kg。结果表明该复合热水系统具有良好的环保性能。

4 结论与展望

(1)以“双碳”目标为背景，本研究设计了一种太阳能、燃气和余热回收复合热水系统，同时建立3种能源运行工况转换的主要控制参数和自动化运行策略。

(2)经济性分析结果表明，复合热水系统相比使用电锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉和燃煤锅炉来说，年运行费节约率分别为76.8%、51.1%、74.2% 和7.6%，节能减排效益显著。

(3)本文提出的复合热水系统在高校浴室中的落实与推广，可以发挥高校在推行节能减排工作中的教育、示范和引领作用，有利于建设资源节约型、环境友好型社会。

(4)该复合热水系统的应用具有地域性差异，建议选取不同气候分区典型代表城市为对象进一步开展适应性研究。