热泵机回收再利用校园淋浴水热能系统设计方案

王梓良,祁佳丽（江苏大学土木工程与力学学院,江苏　镇江　212013）



热泵机回收再利用校园淋浴水热能系统设计方案

王梓良,祁佳丽
（江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013）

摘 要:该项目设计的热能系统主要是利用水源热泵技术，通过现有的排水管道，进行高校淋浴未经处理的废水热量收集，回收后进行有效利用的绿色环保设计系统。

关键词:淋浴; 热能系统; 经济性;余热回收

0　引言

我国人口数量众多，人均资源不足。节能不但是我国当前一项迫切的任务，还是我国经济与社会发展的一项长期战略方针。但是，在我国高校中有大量的淋浴水余热未加以利用就排入下水道中，每年浪费的能源是个惊人的数字。本方案利用水源热泵加热系统从而高校回收淋浴水的余热，大大提高了能源利用率，显示出明显的节能效果，为我国的可持续发展做出贡献。同时，淋浴水余热的回收利用也是建立校园循环用水模式，推进绿色校园建设的重要举措。

1　研制背景及意义

21世纪的能源问题成为世界广泛关注的问题。未使用的低温能源,一个校园废热淋浴水一年四个季节温度变化小,流量稳定,冬天温暖,夏天凉爽的温度特性、热的存在很大,现有的污水管道收集便利。所以它被认为是清洁能源,可以回收和利用。热回收利用校园里的废水是有效利用热回收的废水处理或未经处理的污水。

我们总结了国内高校的淋浴水回收利用的现状、可行性和经济性。分析表明淋浴水的回收再利用具有很好的经济效益，并且对环境保护有很好的效果。基于此，我们研究利用水源热泵技术，有效提高能源利用率，建设绿色校园。

2　设计方案

通过现有的污水管道，将高校淋浴废水收集以后导入废水池，通过污水泵进入热泵系统，污水作为低温热源与热泵工质进行热换，热换后废水通过渡槽出院,恢复和热泵系统的热能用于热浴水,通过加热热水进入恒温水箱、稳态流入水混合器,与水混合,浴温度达到提供洗澡。

废水余热会因围护结构热损失，季节性变化等因素造成不稳定，因此系统在热水箱中设置了辅助电加热装置，以保证热水出口温度的恒定。以此，来构建一个完整具有高效益的热能回收利用系统。

3　理论设计计算

3.1浴池,蓄水池的设计及节能预算

浴室有二层，为框架结构,整个建筑面积为2000 m2,一层为男生浴室 ,二层为女生浴室。考虑到公共浴室的卫生,浴室内不设澡池和澡缸,全部采用淋浴形式。现在的大学日趋综合化,男女比例将逐步趋近1∶1 ,所以分别设141个淋浴头在男女浴室。 为满足学生的要求 ,每天下午浴室开放6小时。考虑到该时段部分学生在上课 ,设计时假定浴室开放始末共计2小时，并且淋浴器使用率为70 % ,其它时间段淋浴器失误使用率为100 %。此外淋浴水温在37℃到40℃之间,所以取37 ℃,热水量计算 :

式中：V - 37摄氏度的浴室用热水每天消费,m³;

N——淋浴头的数目；

B——淋浴头同时使用的百分率；

Q——1只淋浴器给水额定流量，取0.15L/s；

T——淋浴头使用时间，h。

则V =3.6×282×(1.0×0.15×4+0.7×0.15×2)=822 m³。

考虑到学生对水温的要求不同加上淋浴器较多，若单个管道配水，那么蓄水池的容积将双倍，故采用双管配水。浴用37℃热水可以通过5℃冷水与65℃热水混合而成。所以一天需要的5℃和65℃冷热水量为：

式中：V1，Vr，Vm——冷水，热水和混合水水量，m³；

T1，Tr，Tm——冷水，热水和混合水水温，℃。

算得每天5℃冷水需要384 m³，65℃热水需要438 m³。

每天加热热水耗热量计算：

式中：Q——耗热量，kJ；

C——水的比热容，C=4.19kJ/(kg•℃)；

Mr——被加热水的质量，kg；

△T——5℃冷水与65℃热水的温差，℃。

则Q=4.19×1.0×10^3×438×（65-5）=110×10^6kJ。

按30%节能算已节约Q’=110×10^6×100/(100-30)=157×10^5kJ。

3.2辅助热源计算

文献(5)提供锅炉和污水源热泵供热系统负荷匹配公式,这个公式应用于空气源热泵和污水源热泵供热系统负荷匹配,修正后也成立,即:总流浴水的Q3(立方米/小时):

第三季度Q1 + =(1)

公式:Q1为污水源热泵供暖水流,m3/ h;

Q2空气源热泵供热水流动,m3/ h。

废水流第四季度(m3/ h):

第四季度= k * Q3(2)

公式:废水收集系数K。

污水水源热泵加热流动Q1(立方米/小时):

式中：T是污水换热器;温度下降的T2是热水温度,温度是废水的温度;

T1是自来水温度;

COP对于污水热泵能源效率比,取固定值6.5。

空气源热泵与污水源热泵的负荷匹配：

式中：P1为污水源热泵负荷；

P2为空气源热泵负荷；COP为水的比热。

假设四个季节是12的温度下降,以及水源热泵COP很小。提供的总热量的热泵本质上是不变的,在冬季热负荷是几乎完全由空气源热泵。和负载电压中可以看到总热负荷的污水源热泵在冬季45%,占27%,污水使用废热源热泵是非常有效的。

4　工作原理及性能分析

第一，为了防止换热器的现象,并能不断稳步恢复废水的余热,热交换器应该能够自动清理各种污垢和传热的污水管杂质，考虑到热损失，必须保证移除设备关闭。因此,在传热管设置屏幕自动过滤和传热管中设置自动清洗装置。第二,整个系统所有的机械设备中,与污水接触,特别是,换热器传热管,应该用于材料及传热热管传热性能良好的材料。

5　创新点及应用

（1）节约资源，减少开支。采用水源热泵加热技术，可以最大程度的回收利用淋浴水的热能，从而减少了对不可再生资源的依赖，降低了经营成本。

（2）改善生态环境，实现了可持续发展。由于将淋浴水热能进行了回收利用，不再是将废水直接流入下水管道中，浴室周边的环境得到了很大程度上的改善。

（3）使用水源热泵回收系统,热源设备可以设置根据区域发展计划,以减少初始投资的负担，日后系统的运行费用也将大大降低。

此项目致力于研究一种新型能源使用模式，规划设计与科技的方法,经济和社会效益，制作新时代的能源使用体系，践行5R 的绿色理念（reduce.renewable.recycle.reuse）。

参考文献：

[1]寇广孝,王汉青,王贤林.电热泵用于浴室生产热水的理论热力循环分析[J].流体机械,2003.31(4):49-50.

[2]高田秋一,陆震译.热泵技术的最新发展和进步[J].制冷技术,1997,67(03):18-28.

[3]付红春,杜垲.污水源热泵系统的技术经济分析[J].制冷技术,2007(03):11-14.

[4]党志良,曹小锐.高校水环境物流管理与控制系统的构建[J].科技资讯,2005(25):141-142.

[5]安青松,史琳,汤润.基于污水源热泵的大型集中浴室废水余热利用研究[J].河北电力大学学报,2010,37(01):57-61.

指导老师：杨帆

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.051