洗浴廢水熱量循環再利用可行性研究及應用

王國芳 孫強 于水生

(青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266101)

1 引言

隨著中國的經濟發展和“城鎮化”進程的加快，消費者生活中對熱水的需求越來越大，提供熱水產生的能耗在普通消費者的日常生活中的能耗占比越來越大。熱水器的節能問題日益受到人們的重視。

通常，居民用熱水主要是通過熱水器來提供，熱水器目前主要有電熱水器、太陽能熱水器、燃氣熱水器和熱泵熱水器等多種產品，由于電能普及率高、電熱水器外形尺寸小、占用安裝空間小、安裝使用方便等多種原因，電熱水器的占比很大，根據相關數據測算目前中國電熱水器保有量在7000萬臺左右。在國家確定將低碳經濟作為發展新動力的背景下，節能、環保已經成為各行業的發展基礎。電熱水器行業已經開始向節能、環保方向轉型。

2 問題分析

傳統意義上，電熱水器的節能主要分三個方面，一是通過充分、動態和即時的加熱方式節能；二是降低損耗保溫過程中的節能；三是對用水情況分類，通過建模、程序設定節能。

(1)加熱過程中的節能

主要通過變換加熱管的加熱方式，如使用不同的功率組合，或者是改變加熱管的排布位置，如加熱管下潛式排布、分層式排布、出水口處排布等；即時加熱主要是邊使用邊加熱。

(2)降低損耗保溫過程中的節能

主要通過發泡技術、發泡材料選用和保溫層厚度的優化來達到節能的目的，目前普遍采用聚氨酯整體發泡技術，1級能效的發泡層的厚度也達到40mm，對于產品的散熱點實施二次保溫措施，如包裹保溫材料等，進一步提升的空間不大。

(3)對用水情況分類，通過建模、程序設定節能

主要是通過在熱水器上增加多種傳感器，根據消費者用水溫度和用水量，結合自來水水溫和洗浴時的流量，熱水器自動計算，選擇最優的加熱模式。如少量用水，可以選擇“生活熱水”模式；一人洗浴選擇“一人洗”模式；兩人洗浴選擇“兩人洗”模式；峰底電費低，可以選擇“夜電加熱”模式；等等。

除此之外，是否還有其他途徑節能？通過分析發現，消費者洗浴后排走的洗浴廢水溫度在36℃左右，如果能將洗浴廢水的熱量循環再利用，也可以節能。要實現洗浴廢水熱量循環再利用的目標，可行的技術方案有兩種：第一種方案是對洗浴廢水過濾回收，將洗浴廢水中的頭發、皮屑和洗浴污垢等過濾處理后再使用這部分熱水；第二種方案是將洗浴廢水的熱量再利用，通過熱交換來加熱洗浴冷水，由于兩種水的溫差很大，也為熱交換提供了必要條件，本文主要是探討第二種方案。

3 洗浴廢水熱量循環再利用產品設計原理

通常按照自來水溫度是15℃，用戶洗澡的熱水40±1℃為例，熱水經洗浴使用后，排走的洗浴廢水溫度仍然在35℃左右。也就是說，電熱水器將冷水從15℃加熱到40℃，溫升提高了25℃，但是人體其實只利用了其中的5℃（40℃-35℃=5℃），其余20℃水溫差的熱量就白白浪費了，浪費率高達80%。循環再利用產品就是遵循熱交換原理利用這部分浪費的熱量對洗浴冷水加熱，從而達到節能的效果,目前主要分為盤管式和板式換熱器兩種。板式換熱器主要用在鍋爐上面，換熱效率高，但工藝復雜，其組成如圖1所示。

循環再利用產品的設計原理是：按照熱交換的原理，當兩種存在溫差的物質在一起時，兩種不同溫度（自來水為15℃，洗浴廢水35℃）的物質將利用傳導、對流及輻射進行熱量交換，如果時間充裕，兩者將充分進行熱量交換，直至溫度相等為止。同時結合人體學設計，兼顧承重、美觀、安裝和質量可靠性的多個指標來設計循環再利用產品。

4 循環再利用產品應用原理及產品設計方案

4.1 循環再利用產品應用原理

通常，消費者洗浴時通過混水閥將熱水和冷水混合到適宜洗浴的溫度，混水閥熱水口直接接熱水器的熱水，混水閥的冷水口直接接自來水。使用該產品的熱水器需要將經該產品提升了一定溫度的冷水直接接到混水閥的冷水口，然后和熱水混合，連接原理圖如圖2所示。

通過圖2可以看出：洗浴時，洗浴廢水順著人體流到節能魔方上，冷水分成兩路，一路直接進入熱水器，在熱水器中進行加熱；另一路則是進入盤管式換熱器，經過換熱后，從換熱器中出來的水就變成了溫水。溫水通過混合閥與熱水器中的熱水進行混合，滿足洗浴要求。

表1 304不銹鋼性能表

4.2 循環再利用產品設計方案

結合專利號為ZL 2010 2 0672452.1的《廢水余熱回收產品及其熱水器》專利，余熱回收產品見圖3，該產品至少需要具備下述功能：

(1)可以將洗浴廢水充分收集在一起，有足夠的承重能力，且防滑。

(2)水路連接方便，安裝簡單、質量可靠。

(3)美觀、便于清潔和收納，最好可以折疊不占用空間。

(3)能夠充分換熱，有良好的換熱效果。

(4)外形可方可圓，也可以是異形，但要便于加工制造。

4.3 循環再利用產品的盤管式換熱器設計

循環再利用產品的換熱器是實現節能的核心部件，換熱器的具體結構實施方案有很多種，綜合考慮選用盤管式換熱器。盤管式換熱器內部是由304不銹鋼管盤繞而成，通過鑄鋁工藝外部用鋁完全覆蓋，在鑄鋁的表面采用凹凸設計，目的是為了最大限度的增加水與鋁之間熱交換的表面積，延長換熱時間，充分換熱，不銹鋼管按圖4所示進行盤繞。

304 不銹鋼是應用最為廣泛的一種鉻-鎳不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械特性。具有良好的加工性能，適合用于盤管式換熱器。其性能參數表如表1所示，之所以采用304不銹鋼，是因其最大的優點是良好的耐腐蝕性，可以適應中國不同地區不同水質的要求。

外部之所以采用鑄鋁的方式，是因為鋁的導熱能力強，比鐵大三倍，而且在金屬中，鋁的比熱容較高，為0.88×103 J/(kg·℃)。在同樣的溫差下，吸收的熱量多。與鐵相比，它還不易銹蝕，使用壽命較長。

表2 節能量測試結果

表3 加熱效率測試結果

5 循環再利用產品節能效果實驗驗證

為了測試此余熱回收產品的節能性能，特進行以下實驗，分別從省電量和加熱速度提升率兩個方面來進行測試。

5.1 省電量試驗方法

(1)將熱水器按照圖2所示連接好，帶余熱回收節能魔方模塊。環境溫度：20±1℃，濕度不高于85%。

(2)熱水器通入水溫度θ=5±1℃，熱水器通滿水后開機設置機器為一人洗狀態并開始加熱。

(3)加熱完畢后，在噴頭噴灑流量為7L/min情況下連續放水，并將放出的水收集起來，水溫保持在θ=41±1℃，當水溫無法達到θ=41±1℃時停止放水的收集，對收集到的水進行稱重記錄M(單位克g)。

(4)試驗同時用功率儀記錄整個過程中熱水器相應耗電量Q (單位千瓦時kWh)。

(5)將熱水器按不帶余熱回收模塊連接好，重復以上1、2、3、4測試，并記錄相應水的重量為M 、耗電量為Q。

(6)入水溫度分別更改為θr =15±1℃、θ=20±1℃，重復以上1、2、3、4、5步驟測試。

(7)電節省量計算公式：

式中：

E :θ入水情況下節省電量，單位為千瓦時（kWh）；

φ：水的比熱容，單位焦耳每克攝氏度(J/g.℃)，取值4.2J/g.℃。

電節省率計算公式：

式中：

μ ：θ為入水情況下省電率，以百分數表示（%）。

通過以上計算公式，對帶和不帶余熱回收模塊的耗電量分別測試，結合實驗數據，可以得出測試結果如表2所示。

通過表2可以看出，在平均進水溫度為5.1℃，15.2℃和20.1℃的不同進水溫度下，帶余熱回收模塊的測試結果都明顯優于不帶余熱回收模塊的普通熱水器的測試結果。由此可以證明，余熱回收模塊可以有效地節省電量，而且最高電節省率高達18.7%，節能效果顯著。

5.2 加熱速度提升率

5.2.1 試驗方法

(1)將熱水器按照不帶余熱回收模塊的方式連接好，環境溫度：20±1℃，濕度不高于85%。

(2)熱水器通入水溫度θr =5±1℃，熱水器通滿水后開機設置機器為三人洗狀態，并開始加熱。

(3)加熱完畢后，記錄整個加熱過程所需要的時間T ，在噴頭噴灑流量為7L/min情況下連續放水，并將放出的水收集起來，水溫保持在θ=40±1℃，當水溫無法達到θ=40±1℃時停止放水的收集，對收集到的水進行稱重記錄M (單位千克kg)。

(4)將熱水器按照圖2所示帶余熱回收模塊連接好。

(5)熱水器通入水溫度θ=5±1℃，熱水器通滿水后開機設置機器為三人洗狀態并開始加熱。

(6)當加熱溫度到某一溫度時記錄整個加熱過程所需要的時間T （單位分鐘min）,在噴頭噴灑流量為7L/min情況下連續放水，并將放出的水收集起來，水溫保持在θ=40±1℃，當水溫無法達到θ=40±1℃時停止放水的收集，對收集到的水進行稱重記錄M （單位千克kg）。

(7)當M= M ±5kg時，取此時T值。

(8)將入水溫度設置為θ=15±1℃、θ=20±1℃，重復以上1、2、3、4、5、6、7步驟測試。

(9)加熱速度提升率計算公式：

式中：

ψ ：入水溫度θ下加熱速度提升率，以百分數表示（%）。

通過以上實驗方法，對有余熱回收模塊和無余熱回收模塊的熱水輸出量的測試，以及對其加熱時間的測量，得出實驗結果如表3所示。

通過表3的測試結果可以看出，余熱回收模塊可以有效地提高加熱速度，最高可達23.9%。

6 結束語

通過以上實驗驗證可以證明，該產品具有明顯的節能優勢，最高電節省率高達18.7%；同時可以有效地提高加熱速度，最高可以提升23.9%。因此無論從環保、節能減排角度還是從使用便利性角度來看，余熱回收技術都具有明顯的優勢。電熱水器與余熱回收技術的結合也將是未來的發展趨勢之一。同時，隨著技術的不斷進步，可以預見，在不久的將來，配套使用洗浴廢水循環再利用產品的熱水器會越來越多，并推動整個熱水產品行業進一步實現節能減排。