高校浴室节能技术的研究
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摘要:通过对用水情况的了解分析，得知人们在洗浴过程只消耗了10 ℃的温差，直接排放的洗浴污水温度接近30℃，由此浪费了大量的热能。本文设计提出了一种由太阳能加热、污水源热泵余热回收及燃气锅炉的组合供热方案。对浴室进行技术改造,在对本系统进行设计和计算后表明该系统较原系统能效有较大提高且具有较高可行性和经济利用价值,降低了运行成本。
关键词:余热回收，热泵，洗浴污水，太阳能
中图分类号：TE08文献标识码： A
0前言
相对来说,高校浴室开放时间固定,用水流量大、温度较稳定,并且淋浴温度适中,适合用热泵技术进行余热回收。浴室系统高低温热源的温度变化较大,低位热流具有滞后性,具有鲜明的浴室余热回收特点。太阳能作为无污染的、同时也是人类可以利用的最丰富的能源，对节能非常有利。太阳能热水器是太阳热能利用中最基本也是目前经济效益比较明显的一种装置，而热泵技术在余废热回收、低位能源的有效利用、环保与节能、运行经济性等方面具有非常明显的优势,为能源的综合利用、社会的可持续发展作出一定的贡献[1]-[5]。
某高校坐落于上海市临港新城，建筑面积60万m2。学校学生浴室2500 m2，每天平均容纳学生4000人/天，最高可容纳学生5000人/天.浴室供热是一项巨大的能源消耗。考虑到现在矿物燃料的价格上涨且太阳能采暖技术趋于成熟，太阳能是一个取之不竭、用之不尽的洁净能源宝库，太阳光热转换效率高，采用太阳能集中热水系统对其进行部分供热并用热泵对污水进行热量回收可大量节约常规能源和减少环境污染。根据各地接受太阳总辐射量的多少，上海在全国范围内被划分为第四类地区，是我国太阳能资源较差地区，全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在419～502×104kJ／m2・a。相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量[6]-[7]。
1系统的方案设计与计算
1.1方案设计
现有的浴室供热系统热量全部由燃气锅炉提供，不仅能耗大而且污染环境比较严重。为了节能环保并降低运行成本，现加入太阳能系统和污水源热泵机组的余热回收系统。将太阳能收集的热量和热泵回收的热量对所需热量进行补充，从而减少燃气锅炉的使用。
原理如图1所示
图1
本系统由燃气锅炉、太阳能系统和热泵机组的余热回收系统组成。太阳能系统加热的水送到储热水箱，锅炉系统和热泵系统热量送至热水箱，然后通过温度比例调节器将水调节成适合洗澡的温度后送至浴室，提供给学生使用。
1.2设计条件
1.2.1 浴室的用水温度在冬天的时候以42～45℃为宜，春秋天的时候温度可以略低一些。因为公共场所用水量要充分考虑，因此本太阳能系统的出水温度为50℃。
1.2.2 上海的地理指数：
A、北纬：31°12'，东经：121 °29'
B、属于北亚热带季风气候，四季分明，日照充足，年日照总时数1678.8（h）
C、太阳总辐射量653.1cal/（cm2・天）
上海年平均气温如表1所示
表1上海年平均气温（℃）
月份
温度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
全天 3.5 4.6 8.3 14 18.8 23.3 27.8 27.7 23.6 18 12.3 6.2
白天 5.8 6.9 10.4 16.3 21.3 25.5 29.8 29.5 25.4 20.2 14.4 8.6
1.2.3 设计要求：某高校位于上海市临港新城，建筑面积60万m2。学校的学生浴室2500m2，每天平均容纳学生4000人/天，最高可容纳学生5000人/天。
1.3热值计算
根据国家《室内给排水热水供应设计规范》规定每人每次淋浴用水为35L~50L，但是工作场所用水要考虑充分，经过对现在学校浴室洗浴用水的调查，每人每次约为40L~50L，因此本设计中每人每次洗浴用水按照45L用水标准。
1.3.1经查历年来的上海地区气候资料可知：春秋基础水温为T0春秋≈13℃，冬季基础水温为T0冬≈7℃。夏天基础水温为T0夏≈19℃
查未饱和水的热力性质表得各温度下水的比焓值如表2所示
表2 各温度下水的比焓值
温度T0（℃） 7 13 19 50
比焓h（kJ/kg） 29.5 54.7 79.8 209.4
1.3.2所需水量计算
学生浴室设计人数为4000人，该系统具有辅助热源，按照国家的规定，有辅助热源的，储存量为所需量的1.2~1.5倍，所以本系统的设计储水量为：（45×5000）×1.2=270000L，所以设计储水量取为270000L，即270吨。可以满足每天最高容纳5000人的洗浴所需水量。
2.3.3所需热值计算
春秋天时的热值计算：（209.4－54.7）×270000=41769000（kJ）
冬天的热值计算：（209.4-29.5）×270000=48573000（kJ）
1.4太阳能集热面积的确定
在学校浴室现有条件下，在其顶部安装太阳能集热器：
屋顶长80m，宽25m，可得总面积为：80×25=2000m2；
锅炉房面积100m2，可安装太阳能面积为2000－100=1900m2；
冬夏较长：N夏=120天，N冬=90天，其中冬季阴雨天约N'冬≈30天。
春秋较短：N春秋=150天，其中阴雨天约N'春秋≈50天。
春秋基础水温：T0春秋≈13℃，冬季基础水温：T0冬≈7℃
1.4.1太阳能热水系统的得热量Qs
太阳能热水系统的得热量Qs与太阳辐照量，日平均环境温度和水箱内的起始水温有关系的得热量方程，从而可以推算出该太阳能水系统在该地区的全年得热量。
（1-1）
（1-2）
式中的系数a1、a2、和a3由试验结果通过拟合方程时确定。Qs就是贮热水箱在一天中所获得的净太阳能，即得热量。
其中：Qs――太阳能热水系统的得热量（MJ）H――集热器倾斜面上的日太阳辐照量（MJ/） ――日平均环境温度（℃）――贮热水箱内的水温（℃） a1、a2、a3――由试验结果拟合方程得到的系数，不同的太阳能热水系统具体系数值不同。
1.4.2太阳能热水系统的贮热水箱平均热损失系数us
（1-3）
其中：――水的密度 1.0×103 kg/m3 ――水的比热容 4.2×103 J/(kg・℃) ――贮水箱中的流体容积（m3）―― 贮热水箱内的初始水温（℃）―― 贮热水箱内的最终水温（℃）――贮热水箱附近的空气平均温度（℃）――时间间隔（s）
按照这些公式就可以算出该太阳能热水系统的贮热水箱在春秋天和冬天时候的平均热损失系数us。
1.4.3估算法确定太阳能集热系统的集热量
整个太阳能集热面积为1900m2，日射当量为4000kcal/(m2•日)，即为16800kJ/(m2•日)，平均日效率为55%。所以春秋时每天所得的集热量为Q1=1900×16800×55%=17556000kJ；冬季每天所得的集热量为Q2=1900×12600×55%=13167000kJ。
2系统设计
该系统每天为学生们要提供270吨的热水，学校现有水箱2个，其中蓄热水箱为120吨，另一个为储热水箱30吨，该系统每天最多可以提供350吨45℃的热水，在蓄热水箱的出水总管上安置一个比例型温度调节器，一边连接储热水箱，一边连接在自来水公司的供水管上面，将供水的温度调节在学生洗浴时所需要的温度。
经过对现在该高校学生浴室情况的调查可知：在每天下午5:00至7:00之间洗浴的同学特别多，是平均人数的1.5倍左右，目前高峰的时候可以达到7500人/天，本系统的蓄热水箱可以贮存接近100℃的热水。这样的话就可以按照学生真正的洗浴情况，合理的安排燃气锅炉提前为本系统蓄热，这样的话就完全可以为本系统在提供洗浴热水350吨左右，可以满足350000÷45=7778人，完全满足了峰值时候的需要。
2.1辅助热源设计
太阳能热水系统最大的缺点就是在阴雨天的时候没有办法来提供学生洗浴所需要的热水，必需采用其它的辅助热源在阴雨天以及冬天的时候来补充热力需求的不足，本着节约成本的原则该系统的辅助热源选择3台常压热水锅炉，额定热功率2.1MW.
3运行策略
3.1春秋天晴天的运行策略
因为本系统设计的原则基于春秋天太阳能辐射强度和用水需求来设计的，所以在整个春秋天的时候，天气晴好，本系统的太阳能热水系统就基本可以满足大部分学生洗浴用水的需求，需要部分辅助热源提供辅助。运行策略如表6所示
表6春秋天晴天的运行策略（kJ）
时间 热负荷 太阳能供热能力 太阳能供热 太阳能蓄热 锅炉蓄热 锅炉供热 热泵供热
6：00-7：00 0 349920 0 349920 0 0 0
7：00-8：00 0 693360 0 693360 0 0 0
8：00-9：00 0 1043280 0 1043280 0 0 0
9：00-10：00 0 1153200 0 1153200 0 0 0
10：00-11：00 0 1353200 0 1353200 0 0 0
11：00-12：00 0 2139120 0 2139120 0 0 0
12：00-13：00 0 2546400 0 2546400 0 0 0
13：00-14：00 0 3239760 0 3239760 0 0 0
14：00-15：00 0 2546400 0 2546400 0 0 0
15：00-16：00 6286320 1448080 5304083 1448080 0 0 982237
16：00-17：00 9759360 693360 6709560 693360 0 0 3049800
17：00-18：00 7319520 349920 5032170 349920 0 0 2287350
18：00-19：00 9759360 0 510187 0 0 6199373 3049800
19：00-20：00 7319520 0 0 0 0 5032170 2287350
20：00-21：00 1324920 0 0 0 0 910882 414038
合计 41769000 17556000 17556000 17556000 0 12142425 12070575
3.2冬天晴天的运行策略
在冬天的时候一方面由于太阳辐射强度不够，一方面由于冬天所需的热负荷也大，因此在冬天运行的时候主要靠辅助热源来对系统进行热负荷补充。大体的运行策略是在太阳能的热量全部用完后利用燃气锅炉按照需要加热，然后在学生洗浴的时候来补充太阳能热水系统的不足。运行策略如表7所示
表7冬天晴天的运行策略(kJ)
时间 热负荷 太阳能供热能力 太阳能供热 太阳能蓄热 锅炉蓄热 锅炉供热 热泵供热
6：00-7：00 0 0 0 0 0 0 0
7：00-8：00 0 169614 0 169614 0 0 0
8：00-9：00 0 339228 0 339228 0 0 0
9：00-10：00 0 678456 0 678456 0 0 0
10：00-11：00 0 1356912 0 1356912 0 0 0
11：00-12：00 0 2035368 0 2035368 0 0 0
12：00-13：00 0 2035368 0 2035368 0 0 0
13：00-14：00 0 3190160 0 3190160 0 0 0
14：00-15：00 0 2513824 0 2513824 0 0 0
15：00-16：00 6147440 678456 5186902 678456 0 0 960538
16：00-17：00 11349120 169614 7802520 169614 0 0 3546600
17：00-18：00 8511840 0 177578 0 0 5674312 2659950
18：00-19：00 11349120 0 0 0 0 7802520 3546600
19：00-20：00 8511840 0 0 0 0 5851890 2659950
20：00-21：00 2703640 0 0 0 0 1858752 844888
合计 48573000 13167000 13167000 13167000 0 21187474 14218526
3.3春秋阴雨天及应急情况的运行策略
春秋天的阴雨天及太阳能不能提供热量的应急情况下，本系统不能利用太阳能来产生热水，那么所需的热量要靠燃气锅炉提前为整个系统部分蓄热，然后采用继续加热来满足学生洗浴用水的热量需求。运行策略如表8所示
表8春秋阴雨天及应急情况的运行策略（kJ）
时间 热负荷 太阳能供热能力 太阳能蓄热 锅炉蓄热 蓄热放热 锅炉供热 热泵供热
14：00-15：00 0 0 0 9360000 0 0 0
15：00-16：00 6286320 0 0 0 624083 4680000 982237
16：00-17：00 9759360 0 0 0 2029560 4680000 3049800
17：00-18：00 7319520 0 0 0 352170 4680000 2287350
18：00-19：00 9759360 0 0 0 2029560 4680000 3049800
19：00-20：00 7319520 0 0 0 4324627 707543 2287350
20：00-21：00 1324920 0 0 0 0 910882 414038
合计 41769000 0 0 9360000 9360000 20338425 12070575
3.4冬天阴雨天及应急情况的运行策略
在冬天的时候，所需热量比较多，那么全部的热量就只能靠燃气锅炉提前加热洗浴用水为整个系统蓄热。这样就可以满足本系统在冬天阴雨天及应急情况的时候学生洗浴用水的需要。运行策略如表9所示
表9冬天阴雨天及应急情况的运行策略（kJ）
时间 热负荷 太阳能供热能力 太阳能蓄热 锅炉蓄热 蓄热放热 锅炉供热 热泵供热
9：00-10：00 0 0 0 0 0 0 0
10：00-11：00 0 0 0 0 0 0 0
11：00-12：00 0 0 0 9360000 0 0 0
12：00-13：00 0 0 0 9360000 0 0 0
13：00-14：00 0 0 0 9360000 0 0 0
14：00-15：00 0 0 0 9360000 0 0 0
15：00-16：00 6147440 0 0 0 5186902 0 960538
16：00-17：00 11349120 0 0 0 7802520 0 3546600
17：00-18：00 8511840 0 0 0 5851890 0 2659950
18：00-19：00 11349120 0 0 0 7802520 0 3546600
19：00-20：00 8511840 0 0 0 5851890 0 2659950
20：00-21：00 2703640 0 0 0 1858752 0 844888
合计 48573000 0 0 37440000 34354474 0 14218526
4经济性分析
4.1该系统成本统计和回收期预测
本系统一共采用了340组太阳能集热器，每组报价大体在5500元；10个热水循环泵，每个大概为4000元；换热器20组，每组大概为4500元；污水源热泵机组1台，价格80000元；其它的管道、电线、保温管、膨胀连接、电磁阀、集热器自动上水器以及支架和其它的辅助设备估价200000元。那么整个系统的建造价格大约为216万元。
年运行费用计算如下：整个系统的热负荷由太阳能热水系统和锅炉以及热泵系统提供，运行费用为自来水的费用、水泵和热泵运转的时候所花费的电费、燃气费。
现在行天然气的价格是2.5元/m3热值为36MJ/m3春秋的时候阴雨天为60天，每天的锅炉的运行费用为（9360+20338.425）÷36×2.5=2062.4元，晴天为150天，每天锅炉运行费用为12142.425÷36×2.5=843.2元，电价为0.6元/度，热泵运行费用为104×0.6×6×210=78624元。所以春秋季运行费用为2062.4×60+843.2×150+78624=328848元。
冬天时候晴天60天，阴雨天30天，晴天时每天的运行费用为21187.474÷36×2.5=1471.4元，阴天时每天的运行费用为37440÷36×2.5=2600元。热泵运行费用为104×0.6×6×90=33696元。整个冬季的运行费用为1471.4×60+2600×30+33696=323724元，考虑到寒假的时候学生浴室不对外开放，减去30天的运行费用，所以冬天的运行费用为215816元，那么年运行费用为328848+215816≈54.5万元。
按照现行的学生洗浴收费表准，每升水的价钱为5分钱，那么每位学生的每次洗浴所花费的钱平均在0.05×45=2.25元，减去自来水的价钱，每位学生可以净剩2元，那么每年以270天计，每天平均4000人洗浴。那么每年的收入为4000×2×270=216万元，减去运行费用54.5万元，每年净剩161.5万元。这样的话整个工程的造价216万元可以在1.34年之内收回。在此还没有考虑在夏天的时候太阳能热水系统为食堂提供的热水所带来的隐藏价值。由于燃气价格调整为2.73元/m3，计算方法如上，可得春秋季运行费用为475616元，冬季运行费用为474147元，所以燃气调价后的年运行费用为475616+474147≈95万元。浴室年收入为216万元，每年净利润为291－95=196万元，整个工程造价收回期为1.10年。燃料价格上涨是大趋势，但是从以上数据仍可以看出，此次浴室改造的经济效益还是相当可观的。
5结论
从以上对太阳能系统的设计、余热回收系统的设计、机组的选型和材料的选择及其各种天气情况下的运行策略以及经济性的分析，可以得出如下结论：
1、太阳能系统采用全玻璃太阳能集热管集热，技术较为成熟，且集热效率高、保温效果好，能够解决这个系统蓄热量大，蓄热时间长等问题。
2、与锅炉供热系统比, 热泵余热回收系统有很高的一次能源利用率, 有利于减少二氧化碳的排放量。太阳能供热系统和热泵余热回收系统的设备投资价格低，如果考虑供热系统的辅助运行费用, 那么该系统的运行成本要远远低于燃气锅炉供热系统的运行成本。系统改造后的资金回收期约为1.3年, 其经济效益是非常可观的。
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