某高校学生宿舍淋浴废水余热回收的探讨研究

       蔡辉旺¹  陈亦文²

（武汉大学后勤保障部,武汉 430072）

摘要：学生宿舍淋浴间的淋浴后废水余热具有30℃~40℃的潜质热能，通过利用热泵技术，将废水中的余热热能作为低位热源转化为洗浴热水所需的高位热能的能量来源，实现热水能耗热回收再利用的循环加热模式，节约了一次能源供给。同时，与热泵技术所形成的cop能效效应更减少了一次能耗的输出，在此基础上形成了良好的绿色校园热能利用高效节能循环。

关键词：废水余热； 热泵技术热回收； 热能储存；系统供给循环；

Study On Waste Heat Recovery Of Shower Water In Students’ Dormitory In A University

CAI Huiwang¹，CHEN Yiwen²

（Logistics support department of Wuhan University，Wuhan 430072）

Abstract: There is potential heat energy of 30~40℃ in the waste water after the students take shower at the shower room in dormitory. By using heat pump technology, the residual heat energy of waste water can be transformed into the energy source of high heat energy needed for hot water bathing, which realizes the recycling heating mode of heat recovery and reuse of hot water energy consumption and saves primary energy supply. At the same time,the cop energy efficiency effect formed by heat pump technology reduces the output of primary energy consumption. And it is formed a good green campus heat energy utilization efficient energy-saving cycle on the basis.

Key words: waste heat; heat pump technology heat recovery; thermal energy storage; system supply cycle;

0  引言

    校园是人员集中的区域，生活学习工作都在其中，每天的用水用电及能源消耗比较集中。现阶段我国水资源比较贫乏，人均用水量不到发到国家的1/4，废水废热的直接排放造成比较大的浪费，资料表明，污水排热量约占城市总排热量的10%--16%[1]。校园生活废热排放更是比较集中的区域，淋浴后排放的废水，其排放的温度在30°C--40°C之间。以某高校学生宿舍为例，居住900人左右，淋浴废水的排放量平均在40L/人·天左右，每天的废水排放量在36吨，这些温热的排放热能是可收集利用的优质资源，有优良地再生利用的潜力。

    本文以洗浴后的废水余热为切入点，以余热的存储热量为低位热源，利用热泵技术把低位热能集中转换成高位热能，高位热能加热洗浴用生活热水（45°C--55°C），实现热能循环利用的绿色能源供给模式，即排放的热能回收再利用的良性能源使用格局。

1  余热回收热泵技术模型

    本热泵热回收模型是建立在卡诺循环基础上的一次换热系统，也称为直接耦合式热泵系统[2]，该系统的热效率比二次换热（经过两次介质换热）要高出15%左右，同时蒸发侧（取热环节）换热器处于废热水汇聚池中，取热温度相对稳定，受外界环境变化的影响较小，不会出现随季节变化热效率降低需要外部辅助加热的问题，故该系统比空气源热泵稳定，热效率更高，可以实现冷凝测（加热环节）的恒温状态。同时因为不需要外部辅助加热装置，综合一次能源输出更低，系统组成简单，实施成本低。

该系统主要由余热蓄水池、水源热泵机组、生活热水保温蓄水箱、铜质管换热器、热水供泵及供水管网、淋浴喷头、余热水回流管网等构成。主要涉及三个环节：低位热源的取热环节（余热蓄水池及热泵机组的蒸发换热器）；加热环节（生活热水保温蓄水箱及热泵机组的冷凝换热器）；热水供水及余热回收环节，模型图如下：

图一  基于卡诺循环的一次换热水源热泵系统原理图

   1.1  取热环节：余热蓄水池（Vp）及热泵机组的蒸发换热器组成（CHE-2），换热冷媒介质（R410a）经膨胀阀（Us）后蒸发，吸收换热器附近温度场的大量热量，即余热蓄水池Tl降低，换热器中的冷媒介质温度升高进入热泵机组压缩机（C）的入口。此环节是卡诺循环热泵系统的蒸发阶段。

   1.2  加热环节：生活热水保温蓄水箱（Vwt）及热泵机组的冷凝换热器（CHE-1），换热冷媒介质（R410a）经压缩机压缩后形成高温高压的介质，向冷凝换热器（CHE-1）附近温度场释放大量的热量，即生活热水保温蓄水箱Tr升高。介质能流在压缩机（C）的作用下，流向膨胀阀（Us）。此环节是卡诺循环热泵系统冷凝阶段。

图二  基于卡诺封闭循环的冷媒介质能流图

在取热和加热环节，换热冷媒介质（R410a）在压缩机、冷凝（加热水）、膨胀节流、蒸发（从水中取热量）的处于封闭的循环，在压缩机和膨胀节流的作用下实现取热和放热过程。

 1.3 热水供水及余热回收环节：热水供水泵（Wp）把热水送至热水管网至淋浴喷淋头，经淋浴后，余热水经回收管网进入余热水池，给蒸发创造有利的取热环境。

2 余热回收热储量评估

以某高校学生宿舍淋浴废水回收为例。该学生宿舍现居住900人左右，按人均淋浴排水量40L/天测算[3]，则每天的洗浴用水总量约36m³，受季节和天气环境的影响，每天的洗浴排水总量不一定相同，但是以年为测算周期，无较大波动误差。在本研究探讨中，把洗浴热水回收量看作是一个定值，设定余热蓄水池的容积为Vp，余热回收的热量与温差成线性关系，即回收温差（△t）越大回收的热量（Qhs）就越多，热力学公式表达为：

     Qhs = Vp * C * △t  Kcal    (公式一）

式中Qhs 是回收的热量，单位 Kcal；Vp 是余热蓄水池的容积，单位L； C是水的比热容常数，取值1.01。△t所表达的是：余热蓄水池内温度Tl与余热蓄水池排水溢流口温度之间的温差。

由公式一可以得出如下的线性关系：

图三  热回收量与水容积、温差的线性关系

   热回收量（Qhs）随水容量（Vp）与温差（△t）的变化而变化：Vp增大△t增大则Qhs增大，即热回量增加。假设需要的热回收量（Qhs）为定值，那么利用Vp与△t相应变化关系即可满足设计要求。当热回收量（Qhs）与△t设定为定值，则水容量值也就是定值，给生活热水保温蓄水箱（Vwt）的设计容量提供相应的参考。

  即： Vwt = Qhs / C * △t  L    (公式二）

通过以上热回收量与余热水温的关系，计算出该学生宿舍在系统中所需的余热水池容量和生活热水保温蓄水箱的容量关。

通过公式一计算余热蓄水池的余热可用量，设定△t为26°C（余热蓄水池内温度Tl为34°C、与排水溢流温度为8°C）， Vp设定容量略大于每天的用水估算值，设定为45m³：

               Qhs = Vp * C * △t  Kcal    (公式一）   

               Qhs =45000* 1.01 * 26  Kcal  

               Qhs =1181700  Kcal  =   1374 Kw

即每天的热回收量可达1374KW。根据本参数通过公式二计算生活热水保温蓄水箱（Vwt）的容量（设定生活热水保温蓄水箱Tr为50°C，自来水补水温度取20°C参考值，△t为30°C）：

               Vwt = Qhs / C * △t  L    (公式二）

               Vwt = 1181700 / 1.01 * 30  L

Vwt =39 m³

通过以上的计算分析，可以看出对余热蓄水池的取热温度控制是满足该系统的基本技术要求，增大蓄水池容量，降低溢流排水温度均是可行的措施。

全余热回收可以每天提供50°C的生活热水39m³，水源热泵机组在提供的环境温度相对稳定的情况下COP值在6~7，其输出功率200Kw左右，节能效率高达85%。

3 余热回收水源热泵技术设置

   本热回收模型是建立在卡诺循环基础上的一次换热系统，没有二次换热的泵组，结构相对简单，技术成因关注以下几个方面：

3.1 压缩机（C）、膨胀阀（Us）

   热泵机组内压缩机选用低温增焓变频压缩机，全热回收过程中蒸发侧的温度Tl会出现低于环境温度的状况，在极端状态下，需要增焓补充压缩机效能的不足以满足冷凝侧的设定温度Tr。膨胀阀选用电子膨胀阀，以满足设定温度Tr的精度要求，有利的为压缩机变频提供技术保障。

3.2 热泵机组

   输入功率在200Kw的机组可分成多台模块组合，5~6台为宜，每台的输入功率在35Kw左右，根据生活热水保温蓄水箱（Vwt）设定的Tr温度选择开机运行数量，当用水量减少Tr温降不大的时候，机组可实现部分开启。

3.3 换热器（CHE-1、CHE-2）

   蒸发侧和冷凝测换热器都需要应对频繁的冷热膨胀收缩，一次换热的压力变化起伏曲线较大，选用的冷媒介质管道须有搞强度的耐压特性，同时两个换热器浸泡在水里换热，材料须具备防腐蚀和耐腐蚀的特性，为增大换热面积，选用内螺旋紫铜无缝管作为冷媒介质管道，换热器翅片可选用耐腐蚀不锈钢匹配。

3.4 余热蓄水池（Vp）

   余热蓄水池制作安装埋地敷设，尽量增大与周围填埋土壤的面积，当余热蓄水池Tl大于填埋土壤温度时，则余热蓄水池的温度向外传导扩散，当余热蓄水池Tl小于填埋土壤温度时，周围土壤温度向蓄水池传导汇聚，余热蓄水池的温度场效应有利于全热回收的实现。

3.5 生活热水保温蓄水箱（Vwt）

生活热水保温蓄水箱选用卫生级别的不锈钢材质制作，保温材料导热系数小于0.05W/(m.k)，且材质防水不易霉变。

3.6 热水供水及余热回收

热水供水管道宜采用耐压热变小的材质，需保温。热水供水管网的末端为保证供水泵提供的恒定压力和温度，采用同程设计，设温控回水管，始终保持热水的供水温度。余热回收管道与下水管分开设置，回收的热水流向余热蓄水池，按现场实际情况，回收管道尽量短，减少沿程热损失。

3.7 热泵系统控制关系

   本系统的最终目是为生活热水保温蓄水箱（Vwt）内的水获取足够的热量温度，满足学生的生活洗浴所需，即满足Tr的设定值。

图四  热泵系统控制关系

探测当前温度值小于Tr设定值3°C，热泵压缩机启动，同时满足生活热水保温蓄水箱（Vwt）和余热蓄水池（Vp）的水位设置要求（不低于50%，低于水位设定值热泵压缩机不启动）。到达Tr设定值，热泵机组运行停止，随Tr设定值反复运行。热泵机组的电气保护设置则由设备制造完成。

4 热水供给及能源费用分析

    学生宿舍的用水集中在三个时间段，早上、中午、晚18点至21点左右，根据天气的变化用水量每天没有固定的数值，全年抄表计量的用水总量可以作为能耗评估的参数，本系统提供了全天24小时不间断的热水供应，按多用多计费的原则，每个淋浴器安装能源计量对应到收费IC卡，对热水用量实施计量收费[4]。

  根据该系统的模型分析，所得出的参数及能耗与其它能源方式综合比较见下表：

注：按居民用电价格乘以损耗，每KW/h折合人民币0.6元；天燃气价格2.7元/ Nm³计，每m³热水所需天然气7.7Nm³。

图五  不同能源系统能耗柱状图

通过上表的能源消耗可以看出，学生宿舍的洗浴余热回收热泵系统有较大的优势，系统年运行费用只有电力系统的15%，空气源热泵系统45%。

某高校现有各类住校学生4万人左右，学生宿舍50多幢楼，与现空气源热泵系统相比，每年节约的运行能耗费用将近200万；与电力加热系统相比，每年节约的运行能耗费用将近800多万。如以10年的运行费用估算，则是一笔庞大的能源节约费用。

5  结束语

   本文探讨某高校学生宿舍洗浴余热热回收水源热泵系统，旨在以一种新的热回收方式倡导降低能耗，构建绿色低碳校园。在行文过程中，考虑了余热热回收水源热泵系统的技术可行性，对复杂的校园环境和建设要求考虑过少。在项目的建设实施过程中，各种技术要素是随时变化的，对系统技术应对策略提出了更高的要求，本文的探讨数据只能作为参考，具体实施还需综合多方因素，从节能的效益上来讲，本文所阐述的论点是值得推广和借鉴的。本案以某高校一栋学生宿舍为切入点，仅在生活热水这一项上的年节约能耗费用高达数万元，零排放。可见推行和优化本技术对经济效益和社会效益有巨大的潜力。发展和研究绿色建筑技术，全面考虑资源、能源、环境和健康的要求，推动绿色建筑发展、建立节约型社会、实现可持续发展的绿色能源循环环境。

参考资料：

[1]马最良、姚杨等.热泵技术应用理论基础与实践[M].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2]陈东、谢继红.热泵技术及其应用[M].北京:化工工业出版社,2006.

[3] 王伟、倪龙、马最良.空气源热泵技术与应用[M].北京:中国建筑工业出版,2017.

[4] 薛一冰、杨倩苗等.建筑节能及节能改造技术[M].北京:中国建筑工业出版，2012.

[5] 王伟、倪龙、马最良.空气源热泵技术与应用[M].北京:中国建筑工业出版,2017

[6] 陈立、郭兴芳、陶润先.绿色建筑水循环安全保障[M].北京:中国建筑工业出版,2007.