引言为了实现我国提出的碳达峰、碳中和的目标，绿色低碳、节能减排成为我国当前社会发展的关键性任务。高校内洗浴中心目前大多数还在使用传统的燃气锅炉作为热源，这种热源能耗高，且会对环境造成污染。洗浴污水温度在30 ℃左右，仍含有较高的热量，特别是在高校等大型公共浴室，洗浴污水一般直接排入污水管网，造成了能量浪费[1-3]。如果能够对这部分污水的余热进行回收利用，不仅能够节约高校浴室的运行费用，而且可以减少燃料燃烧产生污染物的排放量，有利于提升经济效益和环保效益。针对公共浴室排放出的污水余热，采用污水源热泵对其进行回收，虽然热泵系统初投资成本较高，但后期投入使用后，系统运行稳定，运行维护成本低，使用寿命长。与传统燃气燃煤锅炉相比，一次能源利用率低，对提高资源利用率、发展循环经济、建设节约型社会具有十分重要的意义。1高校浴室废水余热回收与利用潜力分析沈阳某高校在校学生约20 000人，学校有1个大型公共浴室和2个小浴室，针对大型公共浴室改造，大型公共浴室供应人数大约15 000人，年运行时间为280 d。根据《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2019），公共浴室每顾客每次用热水定额为40~60 L，取50 L作为每顾客每次用热水定额。调查可知，日均用水量为373 m3。污水由30 ℃经过余热回收后降到10 ℃。每年可回收热量计算：Q=ρnCm(t1-t2) (1)式中：n——系统一年中运行的天数；C——水的定压比热容，取4.186 kJ/(kg∙℃)；m——日均用水量，取373 m3；t1、t2——污水温度；ρ——水的密度，kg/L。计算可得一年可以回收的热量为8.74×109 kJ，根据资料显示我国标准煤的热值为29 307 kJ/kg，通过换算可得每年节省298.2吨标准煤，相当于节省245 573.58 m3天然气。当前每立方米天然气市场价格约2~3元，这里取2.5元计算，则应用此太阳能—污水源热泵复合系统每年可以为此高校节约613 933.95元。应用此系统回收并利用洗浴废水的低温热能，能够为社会节能方面做出贡献。2浴室负荷计算（1）洗浴用水补水为自来水，选择沈阳市自来水年平均温度10 ℃作为此系统的补水温度[2]。（2）根据《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2019），卫生用水温度要求55~60 ℃，此系统选择55 ℃为卫生用水温度。（3）洗浴污水进入污水箱中的温度约为30 ℃，余热回收后温度降为10 ℃[3]。对该校学生洗浴用水量以及在不同季节工作日和周末洗浴次数情况进行调查，调查结果如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.011.T001表1学生洗浴用水量情况调查季节周一~周五人均洗澡次数/次周一~周五日均用水量/L周末人均洗澡次数/次周末日均用水量/L单次洗澡用水量/L全校人数/人夏季0.54405 0000.66495 0005015 000过渡季0.46345 0000.58435 0005015 000冬季0.42315 0000.52390 0005015 000根据下列公式计算：Q=cp(Te-Ti,n)Mρ3600 (2)式中：Q——热水负荷，kW；Ti,n——冷水的温度，℃；Te——卫生用水的温度，℃；M——日均用水量，L；cp——水定压比热容，取4.186 kJ/(kg∙℃)；ρ——水的密度，kg/L。计算可得，夏季工作日均负荷为21 191.63 kW，夏季周末日均负荷为25 900.88 kW，过渡季工作日均负荷为18 052.13 kW，过渡季周末日均负荷为22 761.39 kW，冬季工作日均负荷为16 482.38 kW，冬季周末日均负荷为20 406.75 kW[3]。3太阳能污水源热泵系统设计系统原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.011.F001图1太阳能—污水源热泵复合系统原理3.1系统运行模式此系统有4个水箱，即蓄热水箱（太阳能循环水箱）、热泵循环水箱、浴室储水箱、污水箱。太阳能集热器将蓄热水箱中的水不断加热并保证蓄热水箱中水温恒定。污水源热泵机组通过吸收污水余热利用污水端的低温热源加热热泵循环水箱中的水，使其保持一定温度。恒温水箱用来保证浴室用水的稳定性。污水箱收集洗浴污水作为低温热源，供污水源热泵机组使用。此系统主要有温差控制以及定温控制。通过温差以及定温控制对其分为四种不同的运行模式。（1）运行模式一。天气晴朗，太阳辐射充足时，通过太阳能集热系统生产热水足以供给浴室使用时，污水源热泵机组以及辅助热源停止运行，单一运行太阳能集热系统供给浴室热水，此时蓄热水箱中的水温应高于卫生用水温度55 ℃，阀门2关闭，阀门1、阀门3、阀门4、阀门5开启，其余阀门全部关闭。同时水泵1、水泵2、水泵6启动，水泵1将蓄热水箱中的热水输送到恒温水箱中。（2）运行模式二。蓄热水箱中水温低于卫生用水55 ℃、但高于自来水温10 ℃时，此时阀门2、阀门3、阀门4、阀门5开启，其余关闭。水泵2、水泵3、水泵6开启，其余关闭。自来水通过太阳能集热器加热后，进入污水源热泵机组循环水箱中，污水源热泵机组将水加热到55 ℃，热泵循环水箱中的水进入恒温水箱供给浴室使用。（3）运行模式三。蓄热水箱的水温低于自来水温度10 ℃时，此时污水量足够大，单一运行污水源热泵机组能稳定供给浴室用水，太阳能集热系统完全关闭，阀门6、阀门7、阀门8、阀门9、阀门12以及阀门13开启，其余关闭，水泵4、水泵5、水泵6开启，其余关闭。（4）运行模式四。太阳辐射弱且污水量不足时，前3种模式均不能满足浴室供水需求，此时需要启动辅助热源（燃气锅炉）。自来水首先通过污水源热泵机组对其进行加热，然后通过燃气锅炉对其进行再加热，直到满足卫生用水温度55 ℃，进入恒温水箱供给浴室。此时阀门6、阀门8、阀门9、阀门10、阀门11、阀门12、阀门13开启，其余关闭。水泵3、水泵4、水泵5、水泵6开启，其余关闭。3.2系统选型3.2.1污水源热泵机组选择污水源热泵机组时，以最大可回收的污水热量来计算，并根据制热量来选择[4]。洗浴废水首先通过过滤装置过滤掉杂质流入污水箱，此时污水的温度为30 ℃，随后进入热泵机组的蒸发侧。蒸发侧工质吸收废水的热量，废水温度下降到10 ℃后排入污水管网，实现废水余热回收。污水在污水源热泵机组蒸发侧的温降Δt设为15 ℃[3]。污水提供的热量计算：Q0=μρCG0ΔT3 600t (3)式中：Q0——低品位污水提供的热量，kW；μ——污水回收系数，取0.9；ρ——污水的密度，kg/L；C——污水的比热容，取4.186 kJ/(kg·℃)；t——污水热泵运行时间，取5 h；ΔT——污水进出热泵机组的温差，15 ℃；G0——最大洗浴污水量，取395 000 L。通过计算得Q0=1 240.10 kW，综合经济性、稳定性及制热量选择某公司RSL1190HW型污水源热泵机组，最大值热量为1 405 kW，COP为5.3，输入功率为265 kW。3.2.2太阳能集热系统太阳能作为可再生能源，具有取之不尽、用之不竭的特点，在我国已经应用多年，技术也相对较成熟。该校位于沈阳，沈阳属于太阳能资源较丰富区，全年平均太阳能辐射值约为15.87 MJ/(m2·d)。太阳能集热器总采光面积计算：Ac=QfJtηd(1-ηL) (4)式中：Ac——集热器总的采光面积（m2）；Q——系统平均每天负荷，W；Jt——年平均或月平均太阳辐射量，MJ/m2；f——太阳能保证率，取50％；ηd——年平均或月平均集热器效率，取0.5；ηL——管路及保温水箱热损失，取0.2。该高校位于沈阳市内，沈阳位于北纬41°，也是真空管集热器的安装角度[5]。根据《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB 50495—2009），太阳能集热器面积补偿比为95％，因此计算得到太阳能集热器的面积为236.4 m2。3.2.3辅助热源选取太阳能集热系统受天气影响很大，污水源热泵系统也受污水量的限制，为保证系统供热的稳定性，需要加入辅助热源。目前，太阳能热水系统中比较常见的辅助热源主要有燃气锅炉、燃油锅炉、直接电加热。从经济性、稳定性等方面综合考虑，本系统选用燃气锅炉作为辅助热源。此系统在运行模式四下工作时，需要辅助热源介入，考虑系统的运行稳定性，辅助热源应能够承担浴室最大负荷。综合考虑，选择1台25 900 kJ燃气锅炉作为此系统的辅助热源。4系统经济效益及环保效益分析4.1系统初投资估算通过与设备厂家联系，并且实地调研了一个类似的供热系统，估算出了系统初投资费用情况。预算费用如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.011.T002表2沈阳某高校浴室改造工程项目预算费用项目设备选择费用/万元总初投资—215污水源热泵机组选择某公司污水源热泵机组，机组理想状态下COP为5.3。150太阳能集热器太阳能集热器面积236.4 m225保温水箱5个60 m3的保温水箱20辅助热源1台燃气锅炉5相关辅助设备水泵、管道、阀门等5人工成本—104.2系统投资回收期计算对原浴室系统进行能源改造，必须对经济性进行分析。本研究对投资回收期进行计算分析，投资回收期在新系统与原系统对照的情况下进行。系统的总花费包括初投资与运行费用。新系统的初投资总花费大约为215万元。沈阳地区电价峰时段约为0.85 元/kWh，天然气价格大约2~3元，取2.5元计算，系统年运行时间为280 d。通过计算与调研，得出年运行费用约为25万元；原燃气锅炉系统运行年费用约为67万元。由上述数据可以得出投资回收期为5.12 a。太阳能-污水源热泵复合系统的运行费用相比燃气锅炉系统，大幅度减少，新系统较原系统在节能方面有较大优势。新系统的投资回收期为5.12 a，因此，从经济性层面分析，采用太阳能-污水源热泵复合系统代替燃气锅炉系统具有合理性。4.3系统排放污染物分析分析系统环保效益，主要是对新系统与原系统排放污染物情况进行对比。污染物主要指二氧化硫、二氧化碳、氮氧化合物、粉尘颗粒等对环境产生污染的物质[6-8]。燃烧1千克标准煤排放的污染物为：0.085 kg二氧化硫，2.6 kg二氧化碳，0.075 kg氮氧化合物，0.28 kg粉尘颗粒。我国规定每千克标准煤的含热量为29 304 kJ，查阅资料可得，1 kWh电能折算0.122 8千克标准煤，1 m3燃气（天然气）折算1.214 3千克标准煤。计算可得消耗电能和燃气（天然气）排放污染物的情况，如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.011.T003表3污染物排放情况能源类型污染物种类二氧化碳二氧化硫氮氧化物粉尘颗粒1 kWh电0.3190.0100.0090.0341 m3天然气3.1570.1030.0910.340kg对一年内原燃气锅炉系统以及新的太阳能-污水源热泵复合系统在供应浴室热水时产生的污染物排放情况进行汇总，如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.011.T004表4系统污染物排放情况污染物种类系统原系统新系统二氧化碳734.60264.30二氧化硫28.677.45氮氧化合物25.636.56粉尘颗粒101.5635.63t新系统与原系统污染物年排放量对比如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.011.F002图2新系统与原系统污染物年排放量对比5结语针对高校浴室以燃气锅炉为热源的系统提出了改造方案，设计了1套太阳能-污水源热泵复合系统对其浴室污水余热进行回收与利用。将此系统与原浴室燃气锅炉系统进行比较，采用问卷调查、理论计算、系统设计、方案对比等方法，得出该系统在经济效益及环保效益方面都优于原系统。该高校洗浴中心工作日用水量波动不大，周末会出现洗浴用水量高潮。学校直接将洗浴污水排入污水管网，没有设置热回收装置，造成了能源大量浪费。通过计算可以得出，污水一年可以回收的热量为8.74×109 kJ，相当于每年节省了298.2吨标准煤，相较于原系统，节省了245 573.58 m3天然气，约60万元。因此，洗浴污水具有很大的回收潜力。针对新系统和原系统，在经济效益及环保效益方面进行了分析，计算出投资回收期为5.12 a，说明设计的新系统在经济方面可行。又在污染物的排放方面进行了对比分析，污染物包括二氧化硫、二氧化碳、氮氧化合物、粉尘颗粒等，通过计算得出新系统一年内排放的污染物远小于原系统。因此，相比于原系统，新系统节能又环保。