高校浴室废水热回收水源热泵性能模拟与研究学位论文.doc

学 位 论 文 高校浴室废水热回收水源热泵性能模拟与研究 The performance simulation and research of heat pump on Heat Recovery of Waste Water in Universities Bathrooms 北京建筑工程学院硕士论文 1 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别 加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论 文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和 电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并 提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其 它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论 文的部分或全部内容 作者签名 日 期 北京建筑工程学院硕士论文 2 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 北京建筑工程学院硕士论文 3 注 意 事 项 1 设计 论文 的内容包括 1 封面 按教务处制定的标准封面格式制作 2 原创性声明 3 中文摘要 300 字左右 关键词 4 外文摘要 关键词 5 目次页 附件不统一编入 6 论文主体部分 引言 或绪论 正文 结论 7 参考文献 8 致谢 9 附录 对论文支持必要时 2 论文字数要求 理工类设计 论文 正文字数不少于 1 万字 不包括图 纸 程序清单等 文科类论文正文字数不少于 1 2 万字 3 附件包括 任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 4 文字 图表要求 1 文字通顺 语言流畅 书写字迹工整 打印字体及大小符合要求 无错 别字 不准请他人代写 2 工程设计类题目的图纸 要求部分用尺规绘制 部分用计算机绘制 所 有图纸应符合国家技术标准规范 图表整洁 布局合理 文字注释必须使用工 程字书写 不准用徒手画 3 毕业论文须用 A4 单面打印 论文 50 页以上的双面打印 4 图表应绘制于无格子的页面上 5 软件工程类课题应有程序清单 并提供电子文档 5 装订顺序 1 设计 论文 2 附件 按照任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 次序装 订 3 其它 北京建筑工程学院硕士论文 4 摘摘 要要 洗浴后的废水仍然具有较高的温度 回收潜力巨大 在能源紧缺 环境恶化的今天 采用水源热泵对洗浴后废水进行热量回收具有较高的经济价值和深远的社会意义 其中 高校浴室开放时间固定 用水流量大 洗浴后废水温度稳定 更加适合进行余热回收 我 国高校数量众多 分布广泛 高校浴室废热资源丰富 节能潜力明显 本文根据课题需要 选择北京市部分高校浴室作为调研对象进行实地调研工作 并进 行资料收集整理 得到课题相关重要参数 通过模拟解析法建立热泵数学模型 对洗浴废 水温度 流量和需要加热的自来水温度 流量进行模拟计算 根据计算结果对水源热泵设 备选型 论文通过实际运行的水源热泵参数验证模型 保证模型准确性 当设备确定后 使用模型求解实际运行过程中 废水温度 流量等外部参数在一定范围内改变时 系统性 能变化情况 通过对本校现有浴室进行改造 实现学校浴室废水热量回收 将理论应用于实际 目 前 项目正处在规划设计阶段 论文对项目改造进行设计 充分考虑了现有浴室占地 管 线布置 废水收集井等情况 并通过模型对改造工程的设备选型和系统运行进行模拟计算 分析系统运行中供热量及耗功率随废水温度 流量等外在参数之间的关系 以及各个主要 参数之间的影响 论文主要工作是前期社会调研 系统仿真模型建立以及模型验证 并利用验证后的模 型对本校浴室废水热量回收改造工程进行模拟计算和分析 为以后类似工程提供实用参数 和有利依据 主要结论是 建立的模型正确可靠 可以对水源热泵系统进行模拟计算 通 过模拟计算对设备进行选型以及分析系统运行工况 关键词 高校浴室 废水热回收 水源热泵 性能模拟 供热系数 北京建筑工程学院硕士论文 5 Abstract Waste water of bathroom is still own the higher temperature which has a great potential on saving energy At present day energy is scarce and environment is worsened it is using heat pump to recover the waste water of bathroom that has the high economic value and deep social sense Universities bathrooms have certain open time high water flow steady temperature as well as the proper temperature which is more suitable for heat recovery So many universities are extended widely on everywhere of China so the waste water source of universities bathrooms is abundant With advancing the project more heat recovery of waste water in universities bathroom will be fulfilled and potential energy saving will be more notable The article based on the needs of the title to research universities bathroom in Beijing getting the applied parameter related to the title through field survey and data collecting and arranging As per the research result mathematical model is established to calculate the equipment type selection of the project and simulatively calculate the running of the project And then through the solution of simultaneous equations and according to the need of a certain work situation it utilizes simulative calculation to select equipment type of heat pump After confirming the equipment the running of equipment on different work situations is calculated by the model It also analyses running of heat pump and coefficient of heat supply of heat pump on different work situations To combine with the title the actual operation is carried through in the bathroom of our university It is mainly to rebuild the present bathroom in the university and establish the heat recovery of waste water in the bathroom Now the project is in the stage of planning We ll utilize the model to select the equipment type for the actual project and also design it The thesis has thought that the now available bathroom takes up a field pipeline arrangement waste water collect sufficiently the well waits for condition to carry out design And run the analog computation being in progress by the fact that the model equipment to the reconstruction project chooses the type and system Analysis system runs the middle heating load and consumes power following the waste water temperature the substandard rate of flow relation between the parameter and the effect between one by one main parameter 北京建筑工程学院硕士论文 6 It is the main task of the article that processing earlier social research establishing and validating emulational model as well as simulatively calculating and analyzing heat recovery project of waste water of bathroom in our university by validated model which will provide practical parameter and available evidence for future similar projects The main conclusion is that the performance simulation is correct reliably It can carry out an analog computation on water source pump system Choose a suitable equipment for heat pump system and analysis system running condition by the fact of performance simulation KeyKey Words Words Universities Bathrooms wastewater heat recovery water source heat pump performance simulation H COP 北京建筑工程学院硕士论文 7 目录目录 摘摘 要要 1 ABSTRACT 2 1 绪论绪论 6 1 1 课题研究背景 6 1 1 1 国内外能源消耗现状 6 1 1 2 国内外建筑能耗现状 7 1 1 3 我国的节能措施和政策法规 9 1 2 课题研究意义 10 1 2 1 我国热水能耗现状 能耗高 费用高 10 1 2 2 热泵装置在我国日益普及 10 1 3 国内外研究和应用进展 11 1 3 1 国外研究与应用进展 11 1 3 2 国内研究与应用进展 12 1 4 本文的主要工作 14 2 前期社会调研与社会价值分析前期社会调研与社会价值分析 15 2 1 前期社会调查 15 2 2 社会价值分析 18 3 热泵循环工质 压缩机及换热器模型热泵循环工质 压缩机及换热器模型 20 3 1 热泵循环工质的数学模型 20 3 1 1 循环工质 R134a 的性质 20 3 1 2 循环工质 R134a 的热力性质参数 20 3 2 热泵压缩机的数学模型 23 3 2 1 活塞式压缩机的工作过程 24 3 2 2 活塞式压缩机的供热量和耗功率 27 3 2 3 影响活塞式压缩机性能的主要因素 29 3 3 冷凝器模型 29 3 4 蒸发器模型 31 4 程序编制与模型验证程序编制与模型验证 33 4 1 热泵机组模型的建立 33 4 1 1 热泵机组的理论循环 33 4 1 2 程序编制的方程 35 4 1 3 热泵系统程序编制 37 4 2 模型验证 38 5 浴室热回收改造工程分析浴室热回收改造工程分析 44 5 1 学校及学校浴室概况 44 5 1 1 学校概况 44 5 1 2 学校浴室概况 44 北京建筑工程学院硕士论文 8 5 2 项目初步设计 46 5 3 对本校浴室废水热量回收改造工程热泵系统进行模拟计算 49 5 4 使用效能 传热单元数法 法NTU 进行换热器的校核计算 50 5 5 对模拟计算结果进行分析 53 5 7 系统经济性分析 56 6 结论与展望结论与展望 58 6 1 论文工作总结 58 6 2 展望 58 参考文献参考文献 59 符号表符号表 62 在学研究成果在学研究成果 63 致致 谢谢 64 北京建筑工程学院硕士论文 9 1 绪论绪论 1 1 课题研究背景课题研究背景 在现代文明高度发展的今天 节能和环保已经成为可持续发展战略的重要课题 能源 是国民经济和社会发展的战略物质 是现代社会和生活的物质基础 随着世界人口和经济 的迅速增长 能源消耗问题日益严重 并导致环境污染的日益加剧 我国地大物博 资源 储量丰富 但是由于人口众多 人均资源量相对较少 煤的人均储量仅为世界平均水平的 1 5 石油的人均储量仅为世界平均水平的 1 8 天然气则仅为世界平均水平的 1 25 并且 我国能源利用率非常低 单位产值的能源消耗是美国和韩国的 6 倍 是日本的 12 倍 1 我 国的能源结构中 过分依赖煤炭的消耗 煤炭在一次能源消耗构成中占 75 大气污染的 主要特征是煤烟型污染 全国每年由于燃煤所排放的粉尘量约为 2 3 107吨 SO2约为 1 46 107吨 远远超过了全球陆地平均污染负荷量 2 由于过多的使用煤炭已经导致了严 重的环境污染 在全球大气污染最严重的前十座城市中 我国占了其中的 5 座 北京 沈 阳 西安 上海 广州 3 1 1 1 国内外能源消耗现状国内外能源消耗现状 1 能源结构及储量 在当今的世界能源结构中 人类所利用的能源主要是石油 天然气和煤炭等化石能源 1998 年世界一次能源 包括生物质能 消耗总量为 140 50 亿 tce 标准当量 吨 其消费 构成为 石油占 33 9 天然气 19 6 煤炭占 22 7 核电占 6 1 大中型水电占 3 9 新可再生能源占 2 0 传统生物质能占 11 8 随着经济的发展 人口的增加 社 会生活水平的提高 预计未来世界能源消耗量将以每年 3 的速度增长 到 2020 年世界一 次能源消耗总量将达到 200 亿 250 亿 tce 以上 4 根据 2001 年 6 月下旬 BPAmoco 公司公布的 BP 世界能源统计评述 2001 关于世界 能源证实储量的数据 到 2000 年底 石油为 1421 亿 t 可采 39 9 年 天然气为 150 19 万亿立方米 可采 61 年 煤炭为 9842 11 亿 tce 可采 227 年 4 我国的能源资源储量不 容乐观 根据最新资料报道 现有探明技术可开发能源总资源量超过 8230 亿 tce 探明经 济可开发剩余可采总储量为 1392 亿 tce 约占世界总量的 10 1 我国能源剩余可采总储 量的结构为 原煤占 58 8 原油占 3 4 天然气占 1 3 水能占 36 5 我国能源经济 可开发剩余可采储量的资源保证程度为 129 7 年 其中 原煤仅为 114 5 年 原油仅为 20 1 年 天然气仅为 49 3 年 4 我国人口众多 人均能源资源占有量非常低 据有关资料报道 我国人均能源资源探 明储量只有 135tce 仅相当于世界人均拥有量 264tce 的 51 其中 煤炭人均探明储量为 147t 是世界人均值 208t 的 70 石油为 2 9t 为世界人均值的 11 天然气为世界人均 值的 4 即使是水能资源 其人均值也低于世界平均水平 而我国所面临的确实能源需求 量成倍增长的严重挑战 如果 2050 年我国的人口总数为 15 亿的话 届时一次能源的需求 北京建筑工程学院硕士论文 10 量将为 30 37 5 亿 tce 约为目前美国能源消耗总量的 1 5 2 倍 为届时全世界一次能 源消耗总量的 16 22 4 2 伴随能源消耗产生的环境污染问题 传统石油能源的大量开发和利用 是造成大气和其他类型环境污染和生态破坏的主要 原因之一 如何在开发和使用能源的同时 保护好人类赖以生存的地球环境与生态 已经 成为一个全球性的大问题 全球气候变化是当前国际社会普遍关注的重大环境问题 它主 要是发达国家在其工业化过程中燃烧大量化石燃料产生的 CO2等温室气体的排放 已经成 为国际社会减缓全球气候变化的重要组成部分 自从工业革命以来 约 80 的温室气体造成的附加气体强迫是人类活动引起的 其中 CO2的作用约占 60 可见 CO2是大气中的主要温室气体类型 而化石燃料的燃烧是能源 活动中 CO2的主要排放源 1990 年全世界一次能源消费量 114 76 亿 tce 其中煤炭 石油 天然气分别占到 27 3 38 6 和 21 7 据政府间气候变化专门委员会 IPCC 第一工作 组 1992 年度工作报告报道 1990 年全球化石燃料向大气排放了约 61 亿吨 CO2 4 观测资料表明 在过去的 100 年中 全球平均气温上升了 0 3 0 6 全球海平面平 均上升了 10 25cm 如果不对温室气体采取减排措施 在未来几十年内 全球平均气温每 10 年将可能升高 0 2 到 2100 年全球平均气温将升高 1 3 5 4 我国的能源开发 利用对于环境造成的污染非常严重 我国是世界上少数几个能源结构以煤炭为主的国家 也是世界上最大的煤炭消耗国 2000 年全国能源生产总量为 10 9 亿 tce 其中煤炭占 67 2 能源消耗总量 12 8 亿 tce 其中煤炭占 67 0 若不包括我国 1999 年全球一次 能源结构中煤炭的比例已降到 20 2 远低于石油所占比例 也低于天然气所占 25 5 的比 例 煤炭燃烧产生的温室气体的排放量比燃烧同热值的天然气高 61 比燃油高 36 1999 年我国排放 6 69 亿吨 CO2 居世界的第 2 位 其中 85 是由燃煤排放的 2000 年我国排放 SO21995 万吨 居世界第 1 位 其中 91 是由燃煤排放的 排放烟尘 1165 万吨 其中 70 是由能源开发利用排放的 由于能源利用和其他污染源大量排放环境污染物 造成全国有 57 的城市颗粒物超过国家限制值 有 48 个城市的 SO2浓度超过国家二级排放标准 有 82 的城市出现酸雨 面积已达国土面积的 30 许多城市的 NO2有增无减 其中北京 广州 乌鲁木齐和鞍山超过国家二级排放标准 SO2和酸雨造成的经济损失已约占全国 GDP 的 2 4 1 1 2 国内外建筑能耗现状国内外建筑能耗现状 1 建筑能耗含义 建筑物所用建筑材料的生产制造要消耗能源 建筑物的建设施工要消耗能源 建筑的 使用过程中更要消耗能源 总的来说 建筑物从建设到使用都离不开能源 能源是建筑物 建设和使用全过程不可缺少的 最为重要的物质基础 建筑能耗有两种定义方法 一种是 广义建筑能耗 是指建筑材料生产制造 建筑物建设施工 一直到建筑物使用的全部过程 所消耗的能源 一种是狭义建筑能耗或称建筑使用能耗 是指建筑物在使用过程中所消耗 北京建筑工程学院硕士论文 11 的能源 包括照明 采暖 空调 降温 电梯 热水供应 炊事 家用电器以及办公设备 等消耗的能源 广义建筑能耗 既包括建筑材料生产和建筑施工的能耗 又包括建筑使用 过程的能耗 范围过宽 跨越了工业生产和民用生产等不同的领域 故国际上通常所谓的 建筑能耗指的是狭义建筑能耗 即建筑使用能耗 包括照明 采暖 空调 降温 电梯 热水供应 炊事 家用电器以及办公设备等消耗与工业 农业 交通运输等方面的能耗并 列 属于民生能耗 我国现在一般所谓的建筑能耗 已与发达国家的认识和统计口径相一 致 即建筑使用能耗 属狭义建筑能耗 5 8 2000 年 它在全社会能源消耗量的比重为 27 8 9 并且随着人们对热舒适性要求的不断提高以及各类家用电器的普及 这个比例成 持续上升的趋势 2 发达国家建筑能耗 图图 1 1 2000 年发达国家建筑能耗占全社会终端总能源消耗的比例年发达国家建筑能耗占全社会终端总能源消耗的比例 欧美等发达国家的建筑能耗 即居民和商业所构成的民生能耗之和占全社会终端总能 源消耗的比例 各个国家不尽相同 一般占到 30 45 如图 1 1 在有空调的建筑物中 空调消耗约占建筑物总能耗的 50 60 左右 居第一位 以美国为例 1995 年有房屋 9870 万栋 住宅用能 6 64 亿 tce 商业建筑用能 5 19 亿 tce 两项合计的建筑用能共达 11 83 亿 tce 占全美能源消耗总量的 36 并且所用能源基本上都是化石能源 这些建筑 用能污染物的排放量占全美总排放量的比例如下 CO2为 35 SO2为 47 NOx为 22 在 1987 1996 年间 CO2的排放量增长了 13 82 建筑用能及其服务 每年约消耗达 2200 亿 美元 住宅终端能耗主要用于空调 采暖 热水和冰箱等 占住宅终端总能耗的 67 商 业建筑终端能耗主要用于照明 采暖与空调 占商业建筑终端总能耗的 60 10 3 我国的建筑能耗 目前我国建筑能耗已约占全国能源消耗总量的 25 以上 成为能耗大户 1996 年全国 能源消费总量为 13 89 亿 tce 建筑能耗为 3 54 亿 tce 占全国商品能源消耗总量的 25 49 如果将全国建筑能耗加上农村用生物质能消耗 2 03 亿 tce 则我国生活用能消耗 北京建筑工程学院硕士论文 12 总量为 5 51 亿 tce 占全国商品能源和生物质能源消耗总量的 34 99 据统计 2000 年 我国建筑能耗共计 3 5tce 占当年全社会终端能源消耗量的 27 8 已接近发达国家建筑 用能占全社会能源消耗量的 1 3 左右水平 随着我国经济的发展 近年来 空调装置迅速 普及 空调能耗在我国建筑能耗中的比重大幅度提高 逐步发展成为建筑能耗中的一个主 要部分 调查显示 我国居民家庭空调的使用时间一般为 4 个月左右 其中大部分在 7 9 月间使用 按每天使用 3 4h 统计 全年空调使用时间约为 360 480h 之间 据统计 全 国城镇百户居民家庭的空调拥有量 从 1991 年的 0 71 台增加到 2000 年的 30 多台 在北 京市 上海市 重庆市和广东省等地 百户空调安装率已高达 80 左右 由于空调的迅速 普及 我国已成目前世界上空调销售量最多的国家 据建设部调查 1998 年全国空调 包 括中央空调 用电量已占全社会用电量的 6 7 约为 600 700 亿 kWh 空调住宅消耗约 为一般住宅能耗的 6 7 倍 在我国采暖能耗也占很大比例 目前我国单位建筑面积的采暖能耗约比发达国家高 2 倍以上 我国的严寒和寒冷地区为采暖区 包括东北 华北和西北地区的 14 个省 市 区 和 4 个省的部分地区 这一地区累计年平均温度低于或等于 5 的天数都在 90 天以上 最 长的满洲里达 211 天 这一地区的面积达 680 万 占国土面积的 72 人口达 5 5 亿 占全国人口的 45 到 1995 年底 这一地区城镇共有房屋建筑面积 37 4 亿 采暖能耗 约为 1 143 亿 tce 其中 集中采暖建筑 14 7 亿 采暖能耗 6230 万 tce 分散采暖建筑 面积 22 7 亿 采暖能耗 5200 万 tce 此外 估算北方农村采暖用商品能源约为 400 万 tce 10 11 近年来 我国建筑规模迅速扩大 本世纪的头 20 年 是我国建筑业的鼎盛时期 2020 年全国房屋建筑面积将接近 2000 年建筑面积的 2 倍 目前我国每年建成的房屋面积高达 16 20 亿 超过发达国家建成建筑面积的总和 但基本上都是高能耗建筑 12 预计到 2020 年底 全国房屋建筑面积将达到 686 亿 其中城市 261 亿 但是从总量上来看 到目前为止 不仅既有的 400 多亿 城乡建筑中的 99 为高能耗建筑 新建的数量巨大的 房屋建筑中 95 以上还是高能耗建筑 单位建筑面积采暖能耗高达气候条件相近的发达国 家新建建筑的 3 倍左右 13 1 1 3 我国的节能措施和政策法规我国的节能措施和政策法规 建国 50 年来 我国的能源建设取得了巨大的成就 1949 1999 年的 50 年里 一次能 源产量增长 45 倍 发电量增长 287 倍 居世界的位次由第 13 位和第 25 位上升到第 3 位和 第 2 位 成为世界能源大国 取得这一巨大成就的重要因素之一 是我国能源建设中实行 了一条 开发与节约并举 把节能放在首位 的正确能源发展战略方针 为贯彻这一方针 在节约能源方面 我国政府和有关部门 地方政府制定了一系列法律 方针政策和规章办 法 1986 年国务院颁发了 节约能源管理条理 1996 年国家计委 国家经贸委 国家科 委印发了 中国节能技术政策大纲 特别是 1997 年 11 月 1 日国家颁布了自 1998 年 1 月 1 日实行的 中华人民共和国节约能源法 使我国的节约能源工作有法可依 走上法制轨 北京建筑工程学院硕士论文 13 道 建筑领域是能源消耗大户 是节约能源工作的重要方面 为在建筑领域贯彻节约能源 的方针 1986 年建筑部制订了 民用建筑节能设计标准 采暖居住建筑部分 1995 年建 设部制订了 建筑节能 九五 计划和 2010 年规划 1996 年建设部印发了 建筑节能技 术政策 1997 年建设部印发了 1996 2000 年建筑技术政策 2000 年建设部印发了 民用建筑节能管理规定 2002 年建设部以建科 2002 175 号文件印发了 建设部建筑 节能 十五 计划纲要 建设部标准定额研究所承担的 十一五 国家科技支撑计划重大 项目 建筑节能标准体系研究 启动会于 2007 年 6 月 11 日在北京召开 会议提出 完善 工程建设标准体系 是 十一五 期间工程建设标准化的一项重要任务 也是国家 十一 五规划纲要 提出的明确要求 建筑节能标准体系是整个工程建设标准体系的重要组成部 分 完善建筑节能相关标准体系也是很重要的一项工作 加强标准的制定 大力推进建筑 节能 发展节能省地环保型建筑 是建设领域贯彻落实科学发展观 促进能源资源节约和 合理利用 实现经济社会可持续发展的一项重要工作 1 2 课题研究意义课题研究意义 1 2 1 我国热水能耗现状我国热水能耗现状 能耗高 费用高能耗高 费用高 根据 2000 年商业建筑的能耗调查统计 商业建筑每年的能耗总费用已经高达 225 亿人 民币 14 能耗费用已经成为主要经营成本之一 其中热水能耗是其最重要部分 各类商 业建筑能耗中 热水消耗比例为 写字楼 2 7 商场 10 7 饭店 31 医院 41 8 15 城市民用建筑仅洗澡热水用能就接近 20 16 而各类商业建筑热水能耗为其总能耗 10 40 15 目前我国商业建筑热水供应主要是燃煤 燃油 燃气 电锅炉等形式 城 镇居民建筑热水供应主要采取电热水器 燃气热水器等形式 太阳能热水器日益普及 但 目前城镇使用率尚不足 5 14 我国电力生产仍然以火电为主 火电厂平均电热转换效率 为 33 经过输配损失 终端效率大约为 30 14 虽然电热水器 燃气热水器技术已趋于 完善 并朝着方安全 小型 综合 中央化的方向发展 但是从能源消耗角度来讲 高能 耗是无法克服的缺憾 1 2 2 热泵装置在我国日益普及热泵装置在我国日益普及 众所周知 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置 热泵虽然 消耗了一定的高位能 但它所提供的热量却是所消耗的高位能和低位能之和 故采用热泵 装置可以节约高位能 特别是在夏季供冷冬季供暖的场所 尤其显得经济 当前环境污染 和能源紧张问题正成为世界各国共同面临的两大难题 而热泵工业相对于世界发达国家起 步较晚 但发展速度还是很快的 60 年代末 我国就有热泵产品在暖通空调中应用 80 年 代初到 90 年代末 我国暖通空调领域掀起了一股 热泵 热 热泵空调在我国的应用也日 渐广泛 发展速度很快 根据有关信息中心预测统计 2003 年我国房间空调器在北京 上 海 广州和深圳四大城市居民普及率高达 42 8 其中 1 3 是热泵型 16 北京建筑工程学院硕士论文 14 近年来 热泵作为既节能又环保的技术已经受到人们的重视 并逐步向大型热泵装置 发展 热泵是按照逆向热力循环 利用少量的高品位能去提取周围环境中的无直接用途的 热量 使其能位提升 从而获得更高的可利用能源 热泵可利用的低位热源的范围很广 如自然环境 空气 水 地热 太阳能等 生活中所排放的废热 如排水和排气的废热 生产中排放的排除物 废水 废气 废渣等 等等 热泵仅需要消耗较少的高品质能量就 可以获得相同的供热量 从而节约了大量燃料 热泵与地热资源相结合可以大大拓宽地热 的应用领域 使得我国的地热资源得到最大限度的开发利用 17 随着社会对能源需求的增加 对能源短缺的切身感受 新能源发展的缓慢 节能得到 前所未有的重视 在众多节能措施中 许多技术已经相当成熟 许多已经正处在研究阶段 还有一些正在等待人们的研究开发 近几年来 城市污水成为一种受人关注的低温余热源 是水 水热泵或水 空气热泵的理想低温热源 污水源热泵系统是水源热泵系统的一种 具 有许多优点 第一 水的比热容大 设备传热性能好 换热设备较紧凑 第二 水温的变 化较室外温度的变化要小 故污水源热泵的运行工况比空气源热泵的运行工况要稳定 第 三 采用污水作为水源热泵的热源 热汇 根据污水夏季温度低于室外温度 冬季高于室外 温度的特点 与以地下水为热源 热汇的水源热泵相比 污水源热泵在技术和经济上更具优 势 通过调查我们发现 集体浴室有大量的生活废热水 水温在 31 左右 许多企业的生 产过程中需要大量的热水 同时又产生更多的废热水 这些废热水产生后通常不会再次使 用 而是直接排放 作了相应要求的净化处理 这些废热不但不能利用 反而对环境产生 污染 应用热泵技术对洗浴后的热水进行热量回收具有相当明显的节能优势 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 社会的可持续发展做出一定的贡献 具有广阔的发展空间和市场前景 1 3 国内外研究和应用进展国内外研究和应用进展 迄今为止 人们对热泵已经进行了大量的研究工作 也取得了较为实用的研究成果 并广泛应用于实际工程中 1 3 1 国外研究与应用进展国外研究与应用进展 在西方发达国家 由于其能源结构和环保政策 污水水源热泵技术在这些国家中的研 究和应用较多 18 20 世纪 80 年代以来 在北欧诸国 美国 日本等国家相继建立了一批 大型城市污水源热泵系统 19 20 21 其中北欧一些国家 20 世纪 80 年代初就建造了一些以 工业污水为低温热源的大型热泵站 从开始时单机容量仅几兆瓦发展至今单机容量达 30MW 单个项目总装机容量达 160MW 22 例如 1954 年 牛津努菲尔德 Nuffield 学院 建造了污水源热泵装置 1980 年 挪威奥斯陆开始建造利用未处理污水作热源的热泵站在 瑞典的塞勒建成后 发展更快 1983 年又建成 8 个 目前 瑞典斯德哥尔摩有 40 的建筑 物采用热泵技术供热 其中 10 是利用污水处理厂的出水 日本对污水水源热泵技术也进 行了大量的研究 并且处于世界的领先地位 根据污水处理情况的不同 国外的污水水源 北京建筑工程学院硕士论文 15 热泵可以分为以未处理的污水作为热源的和以处理后的污水作为热源的污水水源热泵 从 1987 年开始 日本东京市政府启动城市污水热能回收项目 现有 11 个污水源热泵 系统在运行 日本东京的落合污水处理厂 把处理后的污水作为热源 利用热泵进行空调 和热水供应 供给对象是污水处理厂内部的西部管理事务所以及落合处理厂的管理楼 空 调面积为 2270 1986 年完成 23 使用的热交换器为壳管式换热器 与使用未处理污水 作为热源相比 该热泵系统减少了自动晒滤器等设备 同时换热器的材质也选用了暖通空 调换热器常用的铜 其设备费用大大降低 但缺点是只能就近在污水处理厂内部利用处理 后的污水 如果远距离输送 不但污水热量损失 而且增加投资费用 国外对浴室废水热 量的回收资料并不是很多 1 3 2 国内研究与应用进展国内研究与应用进展 我国城市污水源热泵技术推广应用刚刚起步 处于实验和研究阶段 但发展很快 吉 林建筑工程学院的王宏哲博士对污水源热泵在我国的可行性进行了理论分析 24 2002 年 北京市排水集团在高碑店污水处理厂开发了一套污水源热泵实验工程 建筑供热 900 该实验工程利用处理后的污水作为热源 将换热器沉浸在污水中 来提取污水中的冷热量 运转效果良好 继高碑店污水水源热泵实验工程后 北京市排水集团又在北小河污水处理 厂安装一套供 6000 建筑采暖与供冷的污水源热泵小型实验性项目 均取得了较好的效果 2004 年 10 月沈阳五里河污水处理厂处理后的二级污水作为水源系统 设备运行两年 使 用情况良好 据专家测算 沈阳市经过处理的污水为水源热泵所供水源 能为约 1000 万 的建筑采暖 因此可节省沈阳每年所需采暖煤炭 35 万 t 哈尔滨工业大学在污水源热泵系 统方面做了很多工作 对污水源热泵的原理和形式做了详尽的介绍 对污水源热泵和传统 的热泵空调进行了技术上的比较 提出了污水源热泵系统的设计计算 浴室的废水热量回收是废水热量回收的一个研究方向 相对于大众集体浴室和生产用 热的废热来说 高校浴室开放时间固定 用水流量大 温度 淋浴温度和排水温度 较稳定 并且淋浴温度适中 适合用热泵技术进行余热回收 这种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 经过初步的分析和论证显示 用热泵技术回收浴室排放废水的废热具有较高的经济性 较佳的节能与环保效果 25 南华大学机械工程学院对热泵技术在浴室废热回收上的应用做了研究 25 对浴室废热 回收热泵系统进行了详细的方案论证 从供热系数 能源利用系数 运行经济性等方面对 热泵浴室废热回收系统进行了分析 得出热泵技术在浴室废热回收上的应用系统具有较佳 的经济性和环保节能效果 具有广阔的市场前景 对热泵机组的供热系数 COP 值 热泵热 力完善度 制热季节性能系数 HSPF 一次能源利用系数 E 工质循环过程的火用损情况等 方面进行了详细的热力经济性分析 在系统投资 能耗情况 运行费用等方面 将热泵系 统与电锅炉 燃油 气 锅炉 燃煤锅炉进行了比较 根据计算分析绘制了相应的性能曲线 利用这些曲线对各种供热方式的运行费用及成本进行核算 如图 1 2 北京建筑工程学院硕士论文 16 a COP值与机组效率及蒸发温度的关系 b 热泵供热系数 COP 与一次能源利用率的关系 图图 1 2 并且国内研究给出了带有浴室废热水余热回收装置的浴室热泵热水器的组成和流程图 主要是对家用浴室的废水热回收的改造设计 借助lgp h 图和T s 图对其进行了理论分析 并计算了不同工况下的理论与实际供热系数 浴室热泵 实质上是一种以浴室废热水为低 位热源的水源热泵 理论计算表明 浴室热泵直接以温度较高的浴室废热水为低位热源 其 理论制热系数高达12 9 26 这是一般热泵无法与其相比拟的主要原因 文章给出结论是 用浴室热泵替代家用电热水器 可大幅度降低用户使用费用 必将产生显著的经济效益 至于浴室热泵热水器增加的制造成本 可通过节电在短期内回收 对浴室热泵的进一步研 究 将有助于其在我国的推广使用 以逐步取代电热水器和燃气热水器 可以预料 浴室 热泵有广阔的市场前景 北京建筑工程学院硕士论文 17 图图 1 3 浴室热泵构成图浴室热泵构成图 1 4 本文的主要工作本文的主要工作 目前国内外废水热量回收工作主要是集中在以城市原生污水 中水等为热源的研究中 作为废水热量回收的一种利用途径 浴室废水热量回收的研究工作也在进行 但是工作主 要集中在方案论证和理论分析基础上 缺乏足够的说服力 本论文借鉴已有的研究成果 建立模型对浴室废水热量回收做进一步分析 并对实际浴室废水热量改造工程进行设计 将从实际工程中对浴室废水热量回收工作进行分析 我国高校数量众多 分布广泛 浴室 废水资源丰富 节能潜力巨大 采用热泵系统对浴室的废水热量进行回收 是合理利用低 品味热源并且节能 环保 经济的供热方式 本文 主要通过对水源热泵机组的模拟及分 析 为浴室废水热量回收在我国应用提供理论依据 为工程设计 系统运行提供参考 本 文主要工作 1 通过对北京市部分高校进行的实地调研 得到高校浴室废水热量回收项目的相关重 要参数 分析项目节能潜力 2 选择合适的制冷剂 压缩机 蒸发器 冷凝器模型 建立热泵机组数学模型 用 VB 编程实现系统模拟 3 通过类似工程的实地数据测量 验证模型的正确性和准确性 4 对本校浴室废水热量回收改造工程进行设计 用建立的模型对热泵选型和系统运行 进行计算和分析 为项目的下一步实施提供参考和依据 北京建筑工程学院硕士论文 18 2 前期社会调研与社会价值分析前期社会调研与社会价值分析 2 1 前期社会调查前期社会调查 根据课题需要 选择北京市部分高校作为高校浴室废水热量回收的调研对象 北京作 为我们国家的首都 是全国政治 经济和科学文化的中心 北京既拥有北京大学 清华大 学 中国人民大学 北京航空航天大学 北京师范大学等全国顶尖级的大学 也拥有一大 批民办大学 高校的分布层次比较广 截止至 2006 年底 北京市 82 所高校约有 70 7 万名 在校生 其中 59 1 属于中央高校 40 9 的学生在市属高校 目前全市与教育有关的人 口总数已经超过了 200 万 这个是一个庞大的群体 可以看出 巨大的数字后面隐藏着客 观的节能潜力 课题选择高校浴室进行废水热量回收 也是看到其巨大的节能潜力和效果 切入重点 分析项目的社会价值和可行性 根据项目的前期调研和分析 依靠学校重点实 验室支持 将对本校的浴洗废水进行热量回收 工程一方面是从实际上来验证浴室废水热 量回收的巨大节能潜力 同时也是充分相信项目的应用前景 真正的将理论应用于实际 使学校和社会真正获益 根据课题的科研目标 对北京市部分高校进行了社会调研工作 调研重点是浴室废水 出口温度和污水流量等课题需要的实际数据 采用问卷形式实地调研 调研采用的问卷如 表 2 1 表表 2 2 1 1 浴室废水热量回收调查表浴室废水热量回收调查表 浴室废水热量回收调查表 年 月 日 高校名称 总人数 浴室数量 开放时 间 开放天 数 集中小 时数 淋浴进水温 度 洗浴后水温 度 废水温 度 室外温 度 燃烧值 燃料价 格 锅炉型号 燃 料 单位 单位 锅炉效 率 污水处理装 置 有 无热量回收 装置 有 无 备注 北京建筑工程学院硕士论文 19 在调研前 对项目的系统流程进行了简单的设计 如图 2 1 自来水 废水 水箱 热回 收装置 浴室 图图 2 1 系统流程图系统流程图 通常洗浴后废水从浴室流出后 经排污管道排走 仍然带有大量余热 这些热量被白 白浪费 目前北京市大部分高校洗浴后的废水都直接排放 浪费了大量的热量 但是 随 着节水措施的推行和水处理技术的发展 北京许多高校已经开始建立或是正在筹划建立浴 室废水的回收装置 废水回收装置建成后对下一步浴室废水热量的回收增加了极大的可行 性 当采取废水池回收废水时 可以通过水泵从污水池中抽取废水进行热量交换 并且 浴室出水在废水池经过一定的净化处理后 对系统换热器的换热工况 使用寿命等都有较 明显的提高 装置了污水回收池后 使得本来就比较集中的浴室废水流量得到有效调节 使热量得到最大限度的回收 但是 遗憾的是本校浴室未建立浴室废水回收装置 仍然是 直接排放到排污井中 这对于本校浴室废水热量回收项目改造的进行无疑有困难的 充分 考虑各种实际因素 文章最后在项目设计中考虑建立一个小型蓄水池 以达到污水简单处 理和调节水量的作用 整个系统的核心在于热回收装置 采用何种形式的系统对热量进行回收 所用系统的 性能系数 能源利用率等都是影响热回收的重要因素 热回收装置的一侧为浴室废水 另 一侧为自来水 简单的讲 就是将废水的热量通过热回收装置搬到冷水侧 用以达到节能 的效果 废水经过热交换后直接排走 自来水根据热交换过程进行的情况可以采取直接接 入储水箱或再进一步进行加热等处理 在换热工况较理想的情况下甚至可以直接进行淋浴 使用 废水和自来水经过热量交换后的温度由系统 换热器 换热工况等多种因素决定 可以根据实际情况进行选型匹配 以达到最佳的经济效果 浴室废水热量回收目前用