姚晨， 秦铭汐， 米长虹
（哈尔滨工业大学建筑设计研究院有限公司，哈尔滨 150090）
低品位能源种类繁多，其中包含地热能、空气热能、海水热能、污水/废水热能等[1]，如加以回收利用，则能有效降低化石燃料燃烧，减少碳排放量。污水源热泵作为低品位能源的一种，具有蕴能高、便收集等特点，得到广泛运用。挪威、瑞士、日本等国率先发起对污水源热泵的研究，当下日本已完成将未作处理的污水或中水以及二级出水作为污水源热泵的热源使用。我国的研究相对起步较晚，首例污水源热泵试验工程在2000年落地于北京高碑店污水处理厂[2]。浴室作为生活配套设施，是高校建筑必须设置的场所。高校公共浴室具有较大热水使用规模，其排出的废水温度一般达到30℃以上，占据公共浴室热能排放量的70%以上[3]。国家也出台了相应的扶持政策，鼓励高校开展节约型校园建设活动，地方政府也加大了专项资金的投入[4]。
针对当前气候变化，我国自2020年9月提出，碳排放力争2030年前达到峰值及2060年前实现碳中和，不同行业针对此目标纷纷提出了各自的实施路径[5]，实现碳达峰、碳中和的关键是节能减排，建筑行业也应加速推动建筑节能，大力发展可再生能源以助力“双碳”目标的实现。
文中以寒地地区辽宁南部某大学新建校区建筑施工设计为例，采用热回收型热泵热水机组系统，依照用水量以及相关建筑设计规范，进行整体热水系统设计，并对相关设备进行选型，从节能减排、环保和经济效益角度作出分析与探讨，给相关设计工作者们提供参考依据。
工程为辽宁省营口市某大学的公共浴室，总建筑面积5520.69m2，建筑基底面积1840.23m2，地上三层，建筑高度为14.4m，其中一层、二层为公共浴室，共设置340只淋浴头，三层为超市。生活用水水源为市政自来水管网，水压为0.4MPa，地上均采用市政直供。市政污水接驳井位于单体西侧，管径为DN400mm，管道埋深为2.5m，满足工程污废水排放要求。项目所在地冻土深度为1.01m。
2.1 洗浴热水热源选择
根据公共建筑节能设计标准，工程公共浴室设置集中热水供应系统，不应采用直接电加热作为热源，可选择的热源形式包括集中燃气锅炉或燃油锅炉、空气源热泵、太阳能、污水源热泵系统。
集中燃气锅炉或燃油锅炉热水系统虽稳定节能，但设置在单体内存在一定安全隐患，需择地新建锅炉房，会增大占地面积，且需要考虑泄爆措施，不宜在单体内部及人员密集处设置；
太阳能热水系统节能环保，运行成本低，但热水系统不稳定，舒适性较差，严寒地区冬季室外温度极低，管道故障率较高，后期维护较为困难；
空气源热泵热水系统非冬季运行可节能环保，但冬季运行时约30%热量用于除霜，COP一般低于1.5，效率低，不经济，冬季辅助电大量集中使用，且根据GB 50015-2019《建筑给水排水设计标准》最冷月平均气温小于0℃的地区，不宜采用空气源热泵热水供应系统。
根据项目地理位置、气候条件及使用管理方式，经过方案对比后，同时考虑本校近几年其他老校区已建公共浴室均为污水源热泵系统，运行稳定，节能环保，最终采用污水源热泵热水供应系统。通常洗浴后废水温度为33～37℃，污水源热泵热水供应系统的工作原理是利用现代热能回收技术，对于洗浴后废水进行热能的二次收集利用，再通过电能驱动压缩机做功，将废水中的低品位热能传递给蒸发器中制冷剂工质，工质通过吸收的能量而被汽化并压缩为85～135℃的高温高压气体，该气体再通过冷凝器进行冷凝释放热量，如此往复。传热工质在此循环中通过相变而进行能量传递，可将生活用洗浴冷水加热至45～65℃，废水热量被利用后温度降至4℃以下后排放，从而实现热能回收。
2.2 热水系统方案设计
公共浴室建筑设计方案中无地下室，设备用房在单体西侧贴临外墙区域，最初将污水池设置在建筑物西侧，距离建筑3m的室外地下，方案可使废热回收热水机组就近提取废水中的热量，但洗浴热废水排至污水池最短路径距离近30m，热损失较高，不利于热量有效收集，且室外污水池覆土深度近1m，增加埋深同时提高了造价。
经过研究及与建筑专业协调后，将污水池设置在单体内一层淋浴区与设备用房之间更衣室的地下，使得淋浴废水可直接以最短路径进入污水收集池，废热回收热水机组的管路也大幅缩减，最大程度的减少了热损失，如图1所示。
图1 一层平面布置
公共浴室为全日制集中热水供应，设计运行参数如表1所示。污水源热泵热水供应系统以市政自来水管网供应洗浴用水，以废热回收技术为核心，主要由污水池、污水废热回收热水机组、污水热能提取装置、载冷剂膨胀水箱、机房热回收风盘、不锈钢储热水箱、热媒循环水泵、热水供水泵组等组成。余热回收系统的原理图如图2所示。
表1 公共浴室设计运行参数
图2 公共浴室余热回收系统原理
洗浴废水在初始运行阶段，由于污水池中的废水流量较低时，可回收的热量较低，通过机房热回收风盘及废热回收热水机组的辅助电加热系统对自来水进行加热以提供初始热水；
待废水流量的不断增大，可回收的热量逐步增多，仅少量的电能输入即可提供设计温度为60℃洗浴热水，储存于储热水箱内，通过热水供水泵组供应至淋浴喷头。营业时间段结束后，污水源热泵机组继续工作，将废水中热量充分回收，废水温度大多下降至4℃后机组停止工作，废水排放至市政污水管网。
热水采用机械全循环供水，当循环泵中的回水温度低于50℃时，开启循环泵加热。热水采用污水源热泵集中制备，贮存于储热水箱内，储热水箱设在公共浴室一层的设备用房内。生活储热水箱由校区物业定期高温消毒，保证水质的卫生安全。设计热水出水温度60℃，水质满足CJ/T 521-2018《生活热水水质标准》。
2.3 工程项目机组设计
污水源热泵废热回收系统主要由热水机组和污水集热器组成，污水集热器是系统的核心部分，安装在污水池内，提取污废水中的热量。工程污水池仅收集浴室废水，不收集粪便污水，虽然废水成分较原生污水成分单一，但水中仍含有大量油脂、杂质及碱酸盐化合物等成分，该成分是造成集热器堵塞、结垢与腐蚀，最终导致流体阻力加大，传热效率降低，甚至传热器失效的主要因素，因此集热器的选择较为重要，污水集热器根据不同材质可分为金属集热器和非金属集热器，金属集热器传热系数高，但极易腐蚀与堵塞，且不易清洗[6]。工程最终选择不易腐蚀与结垢且不易挂油膜的非金属材质集热器，浸入式结构。
热泵机组的设计小时供热量为1988MJ/h，所需贮热水箱的总有效容积为104m3，设计采用两座L×B×H=7m×4m×3m不锈钢贮热水箱，外层敷设50mm聚氨酯保温外壳以减少热损失，有效水深2.2m。工程热泵机组型号参数及主要设备分别见表2、表3。
表2 热泵机组主要参数
表3 公共浴室主要设备参数
3.1 节能效益分析
工程公共浴室洗浴热水需求量按100m3/d计算，参考GB 50015-2019《建筑给水排水设计标准》规范设定冷水温度4℃，热水温度60℃，则每吨热水加热所需要的热量为：
式中，Qw为机组加热热水所需的热量，kW·h；
V为热水水量，m3；
ρ为水的密度，kg/m3；
C 为水的比热，kcal/（kg·℃）；
t1为冷水温度，℃；
t2为热水机组出水温度，℃。
污水源热泵机组提取污水中82.8%的热量，机组通过电运行过程中产生17.2%的热量，进而将全部热量转化为热水，实现能量平衡。因此每加热100t水所需要消耗的电能为11.2kW·h。
针对集中热水供应系统较为常见的热源形式，以1t水温度提升56℃为基准进行能耗对比，如表4所示。
表4 不同热源形式能耗对比
根据折标准煤系数换算，不同集中供热热源形式在提供相同热量所需的能源消耗相比较，电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉及空气源热泵系统需要燃烧的标准煤分别为污水源热泵的6.2、1.9、2.2及1.5倍，每吨水提升56℃所节约的标准煤分别为23.2、4.1、5.3、2.1kg。
3.2 环境效益分析
从环境效益角度讲，每吨标准煤燃烧能够产生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、碳排放量分别为2.5、0.075、0.0375、0.68kg，同时燃烧还会伴随粉尘、PM2.5等有害颗粒物质的产生[7]，严重污染大气环境。工程设计每年生产热水量约为29500m3，经计算污水源热泵系统每年运行产生的污染物减少量见表5，污水源热泵系统较其他热源形式产生的污染物排放量大幅缩减，可见该系统能够响应国家对于低碳发展的要求，实现节能减排的目标。
表5 污水源热泵系统每年污染物排放减少量对比 kg
3.3 经济效益分析
工程不同热源形式每年运行费用如表6所示。污水源热泵年运行费用分别为电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、空气源热泵系统的16%、24%、38%、69%，可见污水源热泵系统可实现更长远的经济效益。
表6 年运行费用对比
每吨热水加热运行成本计算公式为：
式中，S为热水加热运行成本，元；
Qw为每吨热水加热需要的热量，kcal；
q为能源热值，kcal/（kW·h）、kcal/kg、kcal/m3；
Y为能源价格，元；
η为热效率或效能比。
污水源热泵能够有效将洗浴废水中的热能循环利用，具有节能环保的优势。虽然前期投入成本相对较高，但应用后期能够大幅度降低运行费用和人工成本，且具有良好的稳定性和较长的使用寿命[8]，因而得到广泛的应用。热回收型污水源热泵热水机组系统，利用现代热能回收技术，对洗浴后的污水进行热能提取，并按照“逆卡诺循环原理”，通过电能驱动压缩机做功产生新的洗浴用水，进而能够有效地对洗浴废水回收利用，获得良好的经济与节能效益。
通过以上分析，得出如下结论：
（1）寒冷地区公共浴室集中热水供应系统宜采用污水源热泵系统作为热源方式，在工程方案设计时，应协调其他专业，尽量将系统机组进行集中化，以减少系统设计带来的热损失。
（2）洗浴废水中含有大量油脂、杂质及碱酸盐化合物等成分，应选用不易腐蚀与结垢且不易挂油膜的非金属材质集热器，浸入式结构。
（3）污水源热泵需要燃烧的标准煤分别为电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、空气源热泵的16%、52%、50%、68%，能有效降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、碳排放量，节能环保。
（4）污水源热泵年运行费用分别为电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、空气源热泵系统的16%、24%、38%、69%，具有更长远的经济效益。
（5）将高校公共浴室排放废水中能源加以利用，既可减少煤炭等化石燃料的消耗，实现低碳排放及能源循环利用，又大幅度降低运行费用及人工成本，为社会节能减排创造更大的经济效益。
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