洗澡水余熱收集利用裝置

羅舒楊，曹 青

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 研究背景及意義

目前，由于過(guò)度的能源消耗所導(dǎo)致的能源短缺以及環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重。開(kāi)發(fā)新能源、提高能源利用效率是當(dāng)前解決該問(wèn)題的重要途徑。污水廢熱回收是一項(xiàng)既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的技術(shù)，受到了人們的廣泛關(guān)注。早在20 世紀(jì)80 年代，日本、挪威以及瑞典等國(guó)便利用熱回收技術(shù)回收污水中的廢熱為小區(qū)供熱/暖[1]。20 世紀(jì)90 年代末，在中國(guó)關(guān)于污水源熱回收系統(tǒng)工程應(yīng)用與研究的文獻(xiàn)越來(lái)越多，但這些文獻(xiàn)大部分以城市污水廢熱回收工程為研究對(duì)象。這些廢熱源主要有：城市干渠污水、污水處理廠原生污水或者污水處理廠處理后的污水。然而，在冬季，城市污水以及處理后的污水溫度較低，這就增加了廢熱回收的費(fèi)用。也有人曾對(duì)洗碗機(jī)排放的廢水進(jìn)行廢熱回收，實(shí)驗(yàn)表明節(jié)能效果顯著。與以上污水不同，從浴室所排放的洗浴廢水有以下特點(diǎn)：①洗浴廢水相對(duì)清潔，全年水溫溫度較高，是一種優(yōu)質(zhì)的熱源；②洗浴中心污水排放量、排放時(shí)間與熱能需求量、需求時(shí)間相匹配。

近年來(lái)，關(guān)于洗浴廢水廢熱回收的研究較多，但多集中于洗浴中心、酒店等大型集中用戶，對(duì)于適用于單獨(dú)小型家庭的洗浴廢水廢熱系統(tǒng)的研究較少。經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，從規(guī)范設(shè)計(jì)要求以及人們洗浴習(xí)慣角度而言，洗浴熱水溫度一般為42 ℃左右，淋浴出水溫度為40 ℃，地漏處洗浴廢水的溫度是36 ℃，洗浴污水池的溫度能達(dá)到29～32 ℃，自來(lái)水冷水水溫為14 ℃[2]，廢水里蘊(yùn)藏著大量的低品位熱能（很難利用的熱能），且浴室每天排放的洗浴廢水量較為穩(wěn)定，可以通過(guò)換熱裝置將洗浴廢水里低品位熱能回收利用。因此，有必要結(jié)合家庭洗浴廢水的排放特點(diǎn)及建筑中用戶的使用習(xí)慣，開(kāi)發(fā)適合于家用的洗浴廢水廢熱回收再利用裝置。

熱泵系統(tǒng)在低品位能源轉(zhuǎn)換為高品位能源時(shí)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但是熱泵系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)往往受到低溫?zé)嵩吹南拗坪椭萍s，導(dǎo)致效率普遍偏低。而且熱泵系統(tǒng)中，不同的換熱系統(tǒng)以及不同的水溫對(duì)整體性能的影響還沒(méi)有詳細(xì)的研究[3]。本文提出了一種適用于小型家庭單戶使用的洗浴污水源廢熱回收再利用系統(tǒng)，可充分利用家庭淋浴過(guò)程中洗浴廢水的熱量為需要加熱的冷水預(yù)熱，做到能量的即取即用。

2 設(shè)計(jì)方案

該裝置由機(jī)械和控制部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1.1 收集部分

收集部分表面均勻分布著大量集水孔，整體平鋪于浴室地面，上表面以一定的角度向中心傾斜，出水口通過(guò)管道與蓄水部分的總進(jìn)水口相連。洗浴用水由熱水器的花灑噴出，經(jīng)人體洗浴后降落至地面，收集部分通過(guò)集水孔將未降溫的洗浴廢水收集，并由出水口通過(guò)管道將這部分洗浴廢水送至蓄水部分。

2.1.2 蓄水部分

蓄水部分如圖2 所示，由多個(gè)間隔分布的方形扁平狀蓄水片構(gòu)成。蓄水片內(nèi)部中空，用于積蓄未降溫的洗澡廢水；不同的蓄水片之間依次連通，便于洗浴廢水的進(jìn)出流動(dòng)。蓄水部分有一個(gè)總進(jìn)水口和一個(gè)總出水口，未降溫的洗澡廢水由總進(jìn)水口流入蓄水部分，冷卻后的洗澡廢水由總出水口流出蓄水部分。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

圖2 蓄水部分

2.1.3 冷水管部分

冷水管部分如圖3 所示，將傳統(tǒng)直水管改造為多次彎曲的曲管，不同層曲管的間距與蓄水片的厚度相關(guān)，曲管彎曲分布于不同蓄水片之間的空隙。自來(lái)水供水管道的自來(lái)水經(jīng)由該部進(jìn)入電熱水器。

2.1.4 熱管部分

熱管部分如圖4 所示，由多個(gè)間隔分布的弧形熱管構(gòu)成，熱管充分利用了熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的熱傳遞性質(zhì)，能迅速地將發(fā)熱物體的熱量傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。該部分分布于蓄水部分與冷水管部分之間，并與蓄水部分中未降溫的洗浴廢水和冷水管中的冷水均接觸，以便于將蓄水部分洗浴廢水的熱量及時(shí)高效地傳遞給冷水管部分的冷水，對(duì)蓄水部分中的洗浴廢水進(jìn)行降溫，對(duì)冷水管中的冷水提前預(yù)熱，起到熱量交換作用。

圖3 冷水管部分

圖4 熱管部分

2.2 控制部分

在蓄水部分的總進(jìn)水口和總出水口分別分布有一個(gè)電磁閥，用于控制洗澡廢水的流入流出，保證蓄水部分中的洗浴廢水始終處于動(dòng)態(tài)蓄滿的狀態(tài)中，以保障對(duì)冷水管中冷水的加熱效率。系統(tǒng)的主控芯片選用STC89C52 單片機(jī)，供電電路通過(guò)變壓穩(wěn)壓模塊接入熱水器電路。

2.3 工作原理

洗澡時(shí)，蓄水部分總進(jìn)水口的電磁閥打開(kāi)，總出水口的電磁閥關(guān)閉，洗澡廢水經(jīng)地面收集裝置收集后逐漸流入蓄水部分；待洗澡廢水蓄滿蓄水部分后，總出水口的電磁閥適當(dāng)打開(kāi)，讓蓄水部分的進(jìn)水速率始終與出水速率保持一致，保證蓄水部分始終流動(dòng)平衡中處于蓄滿狀態(tài)。與此同時(shí)，會(huì)有冷水自來(lái)水供水管道經(jīng)冷水管道部分進(jìn)入熱水器。在這個(gè)過(guò)程中，蓄水部分中積蓄的未降溫的洗澡廢水的熱量被熱管源源不斷地傳導(dǎo)至冷水管部分中的冷水，以提高冷水的溫度，對(duì)冷水進(jìn)行提前預(yù)熱。洗浴廢水的熱量被導(dǎo)出后，被冷卻的洗浴廢水排入下水管道；經(jīng)初步預(yù)熱后的冷水隨后進(jìn)入熱水器。整體的工作流程圖如圖5 所示。

圖5 工作流程圖

3 節(jié)能效益分析

人們對(duì)生活舒適性的要求日益提高，居民使用熱水的用量逐級(jí)加大，2011 年在北京的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，北京住宅居民單次淋浴熱水用量為41.5 升/人。近10 年來(lái)，北京以年均不足21 億立方米的水資源，維持著36 億立方米的用水需求，每年水資源缺口已達(dá)15 億立方米，是我國(guó)嚴(yán)重缺水城市。隨之而來(lái)的是城市天然氣的使用量逐年上升。在2018-12-13舉行的2019 國(guó)際能源發(fā)展高峰論壇上，北京燃?xì)饧瘓F(tuán)董事長(zhǎng)、國(guó)際燃?xì)饴?lián)盟2021—2024 任期主席李雅蘭表示，2018年天然氣消費(fèi)量將達(dá)到180 億立方米，比去年增加了20 億立方米。同比增幅為12.5%，增速高于去年約10 個(gè)百分點(diǎn)。顯然，天然氣的供需矛盾已經(jīng)十分尖銳了。洗浴廢水水溫約為32.5 ℃，水量較大，利用熱管系統(tǒng)回收洗浴廢水切實(shí)可行，熱能回收潛力巨大，洗浴廢水儲(chǔ)水箱水溫分布均勻，可深度提取廢熱后排放。

4 應(yīng)用前景

現(xiàn)今家庭每天都需要消耗大量的熱水用于洗浴，浴室的洗浴用水未經(jīng)處理就直接排入下水管道，因洗浴廢水中含有一定量的熱能和洗浴用化學(xué)物質(zhì)，不可避免地造成了一定程度的能源浪費(fèi)與環(huán)境污染。

由于浴室每天排放的洗浴廢水量較為穩(wěn)定，可以通過(guò)本裝置將洗浴廢水里低品位熱能回收利用。通過(guò)對(duì)未降溫的洗澡廢水中熱量的回收，一方面給冷水提前預(yù)熱，減少用戶家庭電費(fèi)開(kāi)支；一方面給污水降溫，防止細(xì)菌滋生。在迎合消費(fèi)者消費(fèi)心理的同時(shí)達(dá)到了節(jié)能減排的效果。