【正文】 O2的主要排放源。如果不對溫室氣體采取減排措施，在未來幾十年內(nèi)，全球平均氣溫每10 年將可能升高 ℃，到 2100 年全球平均氣溫將升高 1～℃ [4]。若不包括我國，1999 年全球一次能源結(jié)構(gòu)中煤炭的比例已降到 %，遠(yuǎn)低于石油所占比例，也低于天然氣所占 %的比例。由于能源利用和其他污染源大量排放環(huán)境污染物，造成全國有57%的城市顆粒物超過國家限制值；有 48 個城市的 SO2濃度超過國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)；有 82%的城市出現(xiàn)酸雨，面積已達(dá)國土面積的 30%；許多城市的 NO2有增無減，其中北京、廣州、烏魯木齊和鞍山超過國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)。廣義建筑能耗，既包括建筑材料生產(chǎn)和建筑施工的能耗，又包括建筑使用過程的能耗，范圍過寬，跨越了工業(yè)生產(chǎn)和民用生產(chǎn)等不同的領(lǐng)域，故國際上通常所謂的建筑能耗指的是狹義建筑能耗，即建筑使用能耗，包括照明、采暖、空調(diào)、降溫、電梯、熱水供應(yīng)、炊事、家用電器以及辦公設(shè)備等消耗與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)确矫娴哪芎牟⒘?，屬于民生能耗。在有空調(diào)的建筑物中，空調(diào)消耗約占建筑物總能耗的 50%～60%左右，居第一位。建筑用能及其服務(wù)，每年約消耗達(dá) 2200 億美元。如果將全國建筑能耗加上農(nóng)村用生物質(zhì)能消耗 億 tce，則我國生活用能消耗北京建筑工程學(xué)院碩士論文12總量為 億 tce，占全國商品能源和生物質(zhì)能源消耗總量的 %。據(jù)統(tǒng)計，全國城鎮(zhèn)百戶居民家庭的空調(diào)擁有量，從 1991 年的 臺增加到 2022 年的 30 多臺?？照{(diào)住宅消耗約為一般住宅能耗的 6～7 倍。這一地區(qū)的面積達(dá) 680 萬㎡，占國土面積的 72%；人口達(dá) 億，占全國人口的 45%。2020年全國房屋建筑面積將接近 2022 年建筑面積的 2 倍，目前我國每年建成的房屋面積高達(dá)16～20 億㎡，超過發(fā)達(dá)國家建成建筑面積的總和，但基本上都是高能耗建筑 [12]。1949～1999 年的 50 年里，一次能源產(chǎn)量增長 45 倍，發(fā)電量增長 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，成為世界能源大國。建筑領(lǐng)域是能源消耗大戶，是節(jié)約能源工作的重要方面。 課題研究意義 我國熱水能耗現(xiàn)狀能耗高，費(fèi)用高根據(jù) 2022 年商業(yè)建筑的能耗調(diào)查統(tǒng)計，商業(yè)建筑每年的能耗總費(fèi)用已經(jīng)高達(dá) 225 億人民幣 [14]。城鎮(zhèn)居民建筑熱水供應(yīng)主要采取電熱水器、燃?xì)鉄崴鞯刃问?，太陽能熱水器日益普及，但目前城?zhèn)使用率尚不足 5%[14]。當(dāng)前環(huán)境污染和能源緊張問題正成為世界各國共同面臨的兩大難題，而熱泵工業(yè)相對于世界發(fā)達(dá)國家起步較晚，但發(fā)展速度還是很快的。根據(jù)有關(guān)信息中心預(yù)測統(tǒng)計，2022 年我國房間空調(diào)器在北京、上海、廣州和深圳四大城市居民普及率高達(dá) %，其中 1/3 是熱泵型 [16]。熱泵僅需要消耗較少的高品質(zhì)能量就可以獲得相同的供熱量，從而節(jié)約了大量燃料。近幾年來，城市污水成為一種受人關(guān)注的低溫余熱源，是水/水熱泵或水/空氣熱泵的理想低溫?zé)嵩?。?yīng)用熱泵技術(shù)對洗浴后的熱水進(jìn)行熱量回收具有相當(dāng)明顯的節(jié)能優(yōu)勢。20 世紀(jì) 80 年代以來，在北歐諸國、美國、日本等國家相繼建立了一批大型城市污水源熱泵系統(tǒng) [19][20][21]。目前，瑞典斯德哥爾摩有 40%的建筑物采用熱泵技術(shù)供熱，其中 10%是利用污水處理廠的出水，日本對污水水源熱泵技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究，并且處于世界的領(lǐng)先地位。供給對象是污水處理廠內(nèi)部的西部管理事務(wù)所以及落合處理廠的管理樓，空調(diào)面積為 2270㎡，1986 年完成 [23]。 國內(nèi)研究與應(yīng)用進(jìn)展我國城市污水源熱泵技術(shù)推廣應(yīng)用剛剛起步，處于實驗和研究階段，但發(fā)展很快。據(jù)專家測算，沈陽市經(jīng)過處理的污水為水源熱泵所供水源，能為約 1000 萬㎡的建筑采暖，因此可節(jié)省沈陽每年所需采暖煤炭 35 萬 t。相對于大眾集體浴室和生產(chǎn)用熱的廢熱來說，高校浴室開放時間固定，用水流量大、溫度(淋浴溫度和排水溫度) 較穩(wěn)定，并且淋浴溫度適中，適合用熱泵技術(shù)進(jìn)行余熱回收。從供熱系數(shù)、能源利用系數(shù)、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等方面對熱泵浴室廢熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了分析。如圖 12。理論計算表明，浴室熱泵直接以溫度較高的浴室廢熱水為低位熱源,其理論制熱系數(shù)高達(dá)12. 9 [26]。對浴室熱泵的進(jìn)一步研究，將有助于其在我國的推廣使用，以逐步取代電熱水器和燃?xì)鉄崴?。采用熱泵系統(tǒng)對浴室的廢水熱量進(jìn)行回收，是合理利用低品味熱源并且節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的供熱方式。北京作為我們國家的首都，是全國政治、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)文化的中心。這個是一個龐大的群體，可以看出，巨大的數(shù)字后面隱藏著客觀的節(jié)能潛力。調(diào)研重點(diǎn)是浴室廢水出口溫度和污水流量等課題需要的實際數(shù)據(jù)。目前北京市大部分高校洗浴后的廢水都直接排放，浪費(fèi)了大量的熱量。但是，遺憾的是本校浴室未建立浴室廢水回收裝置，仍然是直接排放到排污井中，這對于本校浴室廢水熱量回收項目改造的進(jìn)行無疑有困難的，充分考慮各種實際因素，文章最后在項目設(shè)計中考慮建立一個小型蓄水池，以達(dá)到污水簡單處理和調(diào)節(jié)水量的作用。廢水和自來水經(jīng)過熱量交換后的溫度由系統(tǒng)、換熱器、換熱工況等多種因素決定，可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選型匹配，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效果。沒有發(fā)現(xiàn)使用燃煤鍋爐。在本次社會價值的分析中，也把節(jié)能與燃?xì)庀淖鳛橹饕容^指標(biāo)。（3）廢水溫度在 31℃左右。由于項目針對的對象是高校，有很多特性。在 5－10 個小時的開放時間中，又會有 3－4 個小時的洗浴人員集中時間。流量的最大值即可認(rèn)為是所有浴室水龍頭全部使用，當(dāng)然，有的時候即使這樣也滿足不了洗浴的要求，但是，流量的最大值卻不會改變。浴室是為學(xué)校服務(wù)的，浴室的容量必須能夠滿足學(xué)生日常生活所用。雖然本次調(diào)查是針對學(xué)校，但是，隨著項目應(yīng)用的逐步深入，也可以將項目應(yīng)用于公共浴室。1）每人每次的洗浴用水量，根據(jù)調(diào)查和文獻(xiàn)資料，在 80～120 L/人天（全年平均） 。選取天然氣、石油和電三種燃料進(jìn)行對比，北京的鍋爐大多采用天然氣，主要由于天然氣比石油和電的價格低，沒有采用煤，是因為北京限制采用燃煤鍋爐，實際意義不大。(8）北京市室外溫度。北京全年自來水由于是取自地下水，所以溫度比較穩(wěn)定，常年穩(wěn)定在 13～15℃左右，這對項目的進(jìn)行比較有利。假設(shè)廢水經(jīng)過換熱器后的溫度為 15℃，即回收溫差為 16℃，對冬季洗浴每人每天所產(chǎn)生的廢水進(jìn)行余熱回收，所回收的廢熱能量計算為：計算公式Q 回 = c 為每周的洗浴次數(shù)，.??100L 為每人每次洗浴用水量（洗浴次數(shù)和用水量均為冬季） ；Δt ——溫差, ℃，廢水經(jīng)過蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度的差值。表 23 ?年中不同季節(jié)洗浴所產(chǎn)生廢水熱量進(jìn)行回收，如改為加熱這部分水所消耗能源需要花費(fèi)的費(fèi)用。北京在校生遠(yuǎn)大于 70 萬人，僅高校浴室廢水熱量回收，每年就可以節(jié)約上千萬的能源，不能不說，本項目的節(jié)能潛力巨大，實際意義明顯。 循環(huán)工質(zhì) R134a 的性質(zhì) 近幾年來，CFC 對大氣臭氧層的破壞問題受到世界各國的普遍關(guān)注。選取環(huán)境友好型的工質(zhì)，是研究開發(fā)熱泵技術(shù)的首要問題。R134a 具有良好的遷移性質(zhì)，其液體及氣體的熱導(dǎo)率顯著高于 R12。工質(zhì) R134a 的性質(zhì)適用于離心式壓縮機(jī)，目前國外已有廠家生產(chǎn) R134a 配合離心式壓縮機(jī)的中高溫?zé)岜脵C(jī)組，最高供水溫度可達(dá)到 70℃。因此，R134a 循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)保持絕對干燥 [32]。另一類是簡化的多項式函數(shù)擬合方法。目前一般都是通過專業(yè)研究人員開發(fā)專業(yè)軟件供工程應(yīng)用，例如NIST（National Institute of Standard and Technology）開發(fā)的 PEFPROP 軟件。又如，裝置或過程的實時控制。這套制冷劑熱力性質(zhì)簡化模型簡單、實用、計算量小，得到了較多系統(tǒng)仿真研究者的青睞。在 IIR 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定 0℃時4＝202200J/kg。ae由飽和溫度計算估計飽和氣體焓的多項式采用 （3－4）31210981 Taahv ?? （3－5）2hv式中， 作為一個中間值，在后面計算過熱氣體焓時還將用到，而系數(shù) 反映了因基準(zhǔn)1v 12a點(diǎn)不同而造成的數(shù)值差異。SHT?考慮到 不能直接線性回歸，故用下式替代2v 21821721615214131/ TaTaTaah SHSHSHSHSHS ??????北京建筑工程學(xué)院碩士論文26（3－7） （3－8）12ahv??表 3－4 式（3—7）和（3—8）中的系數(shù))10(3??a)10(74?a)0(615??a）610(?a)10(??a)10(8?a(％)aeR134a 表中， 為 的擬合結(jié)果和參考數(shù)據(jù)源之間的最大相對誤差。ae 由 Chan 和 Haselden 程序的計算結(jié)果，Cleland 建議采用如下多項式形式計算過熱氣體焓。在以后的飽和氣體焓和過熱氣體焓計算中，也均采用 IIR 標(biāo)準(zhǔn)。 在制冷劑的熱力性質(zhì)計算中，飽和壓力和飽和溫度之間經(jīng)常要求可逆計算，Cleland借鑒了 Atoine 方程的形式，即 （3—1）)/(exp(321aT?? （3—2）2)/lnaT?針對 R134a 給出擬合系數(shù)和精度表 3－1 式（3—1）和（3—2）中的系數(shù)1a2aa (%)aeR134a 其中 (%)為擬合結(jié)果和參考數(shù)據(jù)源之間的最大相對誤差。因此，研究制冷劑熱力性質(zhì)的工程簡化計算方法具有重要的實際意義。例如，裝置的仿真和優(yōu)化計算 [36]。這里主要使用 Cleland 簡化計算模型的多項式函數(shù)擬合方法。對于熱力性質(zhì)的北京建筑工程學(xué)院碩士論文24計算，主要有兩類方法：一類是狀態(tài)方程（EOS）方法。在為 R134a 專門開發(fā)的諸多合成油中，主要是聚烯醇類油(Polyalkylene)、酯基油（Ester）和氨基油（Amides） 。R134a 的化學(xué)穩(wěn)定性較好，熱分解溫度較高。R134a 的化學(xué)分子式為 ,常壓下42FHC℃，無毒，不燃不爆。根據(jù)《蒙特利爾議定書》的規(guī)定，自 1999 年 7 月 1 日起發(fā)展中國家就進(jìn)入實質(zhì)性履約階段，將把氯氟烴（CFC）的生產(chǎn)和消費(fèi)凍結(jié)在 1995～1997 年 3 年平均水平上，并開始逐年淘汰，到 2022 年削減到 50%，到 2022 年以后完全停止生產(chǎn)。 熱泵循環(huán)工質(zhì)的數(shù)學(xué)模型工質(zhì)是熱泵循環(huán)的基礎(chǔ)，選擇合適的循環(huán)工質(zhì)是研究熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵。表 2—3 每人每年洗浴廢水熱回收可以節(jié)約的費(fèi)用燃料季節(jié)天然氣（元） 石油（元） 電（元）冬季 過渡季節(jié) 夏季 總計 從表中可以看出洗浴廢水熱量回收價值非?？捎^。計算得到Q 回 =1350 KJ如改為使用天然氣加熱自來水來供應(yīng)這么多熱量，所消耗費(fèi)用為：= 元。Δt （2—1）式中:c ——水的定壓比熱容,取 KJ/kg 社會價值分析在不同季節(jié)，所獲得的經(jīng)濟(jì)價值不同，以冬季為例。冬季（北京供暖天數(shù)）120 天，夏季（北京需要供冷天數(shù)）120 天，過渡季節(jié) 125 天。h）燃燒值 36533KJ/ 41868KJ/Kg 3600KJ/（KW（7）不同燃料生產(chǎn)熱水的費(fèi)用及鍋爐效率。全年平均為 2 次/周。（6）污水總量。200 個水龍頭開放 4 個小時，集中時間為 2 個小時，可以滿足一個規(guī)模為 6000 人的學(xué)校，依次類推。學(xué)校規(guī)模是很重要的數(shù)據(jù)。一般這個時候的學(xué)生結(jié)束了一天的辛苦學(xué)習(xí)，會進(jìn)行一些課外活動和休息，所以洗浴時間多集中在這個時間段。浴室熱水供應(yīng)不是全天 24 小時，而是有一段固定的服務(wù)時間，大多為 5－10 個小時左右。很多參考文獻(xiàn)中也把洗浴廢水的溫度定為 31℃ [25][27][28]。冬季設(shè)置在 40～42℃范圍內(nèi)，夏季設(shè)置在 36～38℃，由于不同學(xué)校的設(shè)備和管理不同，所設(shè)定的浴室洗浴用水溫度也有所差別，但是總的來說多集中在此范圍以內(nèi)。取而代之的是市政熱力、燃油、電、燃?xì)忮仩t。所以，所謂項目的經(jīng)濟(jì)性是相對而言的，即相對于廢水熱量不回收或是少回收而言的。熱回收裝置的一側(cè)為浴室廢水，另一側(cè)為自來水，簡單的講，就是將廢水的熱量通過熱回收裝置搬到冷水側(cè)，用以達(dá)到節(jié)能的效果。當(dāng)采取廢水池回收廢水時，可以通過水泵從污水池中抽取廢水進(jìn)行熱量交換，并且，浴室出水在廢水池經(jīng)過一定的凈化處理后，對系統(tǒng)換熱器的換熱工況、使用壽命等都有較明顯的提高。調(diào)研采用的問卷如表 2－1：表 2－1 浴室廢水熱量回收調(diào)查表浴室廢水熱量回收調(diào)查表 年 月 日高校名稱 　總?cè)藬?shù) 　 浴室數(shù)量 　 開放時間　 開放天數(shù)　 集中小時數(shù)　淋浴進(jìn)水溫度℃　 洗浴后水溫度℃　 廢水溫度℃　 室外溫度℃　 　燃燒值 　 燃料價格　鍋爐型號 　 燃 料 　單位 　 單位 　鍋爐效率　污水處理裝置□有□無 熱量回收裝置□有 □無　備注：北京建筑工程學(xué)院碩士論文19在調(diào)研前，對項目的系統(tǒng)流程進(jìn)行了簡單的設(shè)計，如圖 21。根據(jù)項目的前期調(diào)研和分析，依靠學(xué)校重點(diǎn)實驗室支持，將對本校的浴洗廢水進(jìn)行熱量回收，工程一方面是從實際上來驗證浴室廢水熱量回收的巨大節(jié)能潛力，同時也是充分相信項目的應(yīng)用前景，真正的將理論應(yīng)用于實際，使學(xué)校和社會真正獲益。截止至 2022 年底，北京市 82 所高校