高校公共浴室废水余热回收间接换热过程动态分析

摘要：本文针对高校公共浴室废水余热回收和利用，设计了间接换热过程，基于废水排放量动态特征，建立了间接换热过程数学模型，并进行了动态模拟；结合实测废水排放量动态变化，分析了换热过程参数变化，并提出了冷水侧流量调节控制策略。验证说明制定的策略既能够充分满足换热要求，同时也能够降低冷水侧水泵的运行能耗。
　1 引言
　　高校公共浴室热水使用具有用水量大、使用时间集中的特点。从规范设计要求以及人们的洗浴习惯角度，洗浴热水温度一般为40℃左右，使用后含有相当高热量的废水被排进排水管道。据我们测量，废水排出时温度一般多在32℃左右，如果能够对这部分废水余热进行回收并加以利用，不仅能够节约高校浴室运行费用，而且可以减少燃料燃烧气体的排放量，有利于环保。
　　利用水源热泵的原理，我们为北京某高校设计了一套废水余热回收与利用系统，系统不仅能够将浴室废水余热进行回收，而且利用浴室排放废水与供应热水同步的特点，将回收热量及时用于加热供应的冷水。
　　2 换热过程设计
　　该高校住宿人数3000人，设有男、女两个公共浴室，按人均5天洗浴1次，且每次洗浴用水80L计算，每天需要用水量48t。浴室开放时间为每天16:00-20:00，排放废水量平均为12t/h。
　　为了能够对浴室废水余热进行回收利用，将洗浴与饮用水锅炉房进行了改造。水源热泵选择浙江盾安RSW200机组型号，名义制热量为227kW;为保证水源热泵运行过程稳定和安全，废水取热采用间接方式，即废水通过换热器(本系统采用永大捷盟BR0.13型板式换热器)，与冷冻水换热后排放。简化如图1。
　　首先将30℃洗浴废水经过间接换热处理到15℃，再排入排水管道。同时，回收热量将部分冷水从15℃加热至45℃，再经混水器与贮水箱的来水混合供应洗浴热水使用。

　　浴室采用插卡方式，废水流量G2随洗浴人数或者说时间变化而发生变化，经过对浴室排出水量监测，如图2中所示。浴室排出废水温度T1基本稳定在30~32℃，根据机组提供数据，温度t1保持在10℃。换热过程良好的特征之一是废水侧出口温度T2足够低;同时冷水侧出口温度t2应满足水源热泵机组的要求，本机组要求t2不低于15℃。

　　3 换热过程设计与耦合关系式
　　上述间接换热两侧存在耦合关系，为了进行分析，对其耦合关系式推导如下：
　　在额定设计条件下，换热过程的确定值(已知量)为：
　　冷水侧：流量G1、进水温度t1、出水温度t2;废热水侧：流量G2、进水温度T1、出水温度T2;
　　存在如下方程：
　　其中
　　Q1、Q2、Q△——热量，kW;
　　G1、G2——流量，kg/s;
　　k——换热器换热系数，kW/(m2.℃);
　　c——水的比热，4.18kJ/(kg.℃);
　　A——换热器面积,m2;
　　同时存在：

　　系统运行过程中，考虑实际流量发生变化，如G1→G1'和G2→G2',忽略流量改变前后换热系数的变化，仍然存在:

　　其中:


　　且存在:

　　定义改变流量后与改变流量前的换热量比为相对换热量,即:

　　结合上述，知道存在:

　　另外,定义流量改变后与流量改变前的流量比为相对流量,即:

　　利用前述得如下等式:

　　整理后得到耦合关系式:

　　上述两个方程表达了换热过程中各参数间的动态关系。
　　同时，换热过程有效度：

　　所以，换热过程实际换热量Qs为：

　　其中：c——为水的比热;
　　4 换热过程动态模拟与分析
　　4.1 考虑冷水侧流量G1为额定流量(即M1=1)，当废水流量G2发生变化时，换热参数(包括换热量)的变化：
　　废热水侧进口温度T1为30℃，设计流量G2=12t/h，T2=15℃;冷水侧流量按机组设计为34t/h，进水温度t1=10℃，出水温度t2=15℃，对数换热平均温差为△tm=9.1℃。
　　洗浴期间由于人数的变化引起废水流量G2发生变化。图3为相对流量M2分别为0.5、0.8、1.2、1.5、2.0时各参数的变化。

　　可以看出，在冷水侧流量不变且M1=1条件下，随着废热水侧流量的增大，废热水侧出口温度逐渐增大，最大达到20.7℃。很显然，这样高的排出温度不利于废热的回收。
　　同时，冷水侧出口温度也逐渐升高，当M2=2.0时，可以达到16.7℃。从温度变化过程来分析，整个变化幅度并不大，这主要是冷水侧流量保持设计状况不变，同时反映出冷水侧设计流量能够满足废水侧流量变化引起的换热要求。