太陽能熱水洗浴系統(tǒng)與余熱利用研究

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001）

1 太陽能熱水洗浴系統(tǒng)注意要點(diǎn)

1.1 真空管爆炸

真空管爆炸問題是太陽能熱水器使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，尤其是在各大高校的公共浴室中，每天都會(huì)有學(xué)生進(jìn)行洗浴，一旦真空管爆炸，就會(huì)影響學(xué)生們的正常洗浴。真空管爆炸的主要原因?yàn)樗涫遗c樓頂之間形成不同的高度差，熱水器在工作的過程中水壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致集熱器缺水，造成爆炸。因此，在設(shè)計(jì)太陽熱水系統(tǒng)時(shí)，要注意保持水壓，而且真空水管自身的質(zhì)量也是導(dǎo)致爆炸的原因之一，因此在采購時(shí)選擇可靠的品牌，保證學(xué)生們洗浴安全。

1.2 冬季防凍措施

北方冬季寒冷，太陽能熱水器是在樓頂存放。如果不能采取適當(dāng)?shù)谋卮胧┚蜁?huì)出現(xiàn)設(shè)備凍裂問題，不僅會(huì)影響設(shè)備的壽命，也會(huì)影響人們的生活。所以需要通過合理的方法提高設(shè)備的抗凍能力，除了上文提到的伴熱裝置，還會(huì)在管道上包裹保溫材料，以此降低伴熱裝置的電量消耗。其中低溫循環(huán)加電伴熱裝置是目前效益最好的裝置，在溫度低于5℃時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，有效地減少電量的消耗。為了保證冬季熱水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要借助輔助熱源進(jìn)行熱量的補(bǔ)充。當(dāng)熱水器溫度低于固定值時(shí)自動(dòng)補(bǔ)充熱水，供應(yīng)人們的正常需求。

1.3 水溫恒定

水溫恒定是我們良好洗浴體驗(yàn)的保證條件之一，如果不能保持溫度的穩(wěn)定將會(huì)影響人們的洗浴。在高校中，一般將水溫設(shè)置在50℃，但是太陽能系統(tǒng)要達(dá)到這個(gè)水溫是需要經(jīng)過混水實(shí)現(xiàn)恒定。實(shí)現(xiàn)混水的設(shè)備為恒溫水箱，不管洗浴人數(shù)多少都能控制水溫。但是，這種調(diào)節(jié)水溫的方法需要較大的面積進(jìn)行恒溫水箱的建設(shè)，也需要資金的支持。這就需要技術(shù)人員加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的研究，提高水溫恒定的效率[1]。

2 太陽能熱水洗浴系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 太陽能集熱器選擇

在上文中也提到真空會(huì)出現(xiàn)爆炸問題，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要選擇防炸管，而且需要設(shè)立多個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)，避免因?yàn)橐粋€(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問題影響整個(gè)系統(tǒng)。一般情況下，太陽能的安放地點(diǎn)都是在屋面、樓頂，在設(shè)計(jì)的過程中還應(yīng)當(dāng)根據(jù)地理位置，考慮集熱效率、太陽能造價(jià)等，使得太陽能熱水洗浴系統(tǒng)能夠以最低的成本獲得最大的效益。

2.2 集熱器的擺放數(shù)量以及方式

集熱器產(chǎn)生的熱量跟地理緯度以及地形有很大的關(guān)系，而且集熱器品牌不同也會(huì)導(dǎo)致其集熱能力不同。而且根據(jù)太陽位置的變化，集熱的效果也會(huì)不同，因此像是學(xué)校這種全年都要應(yīng)用到浴室的地方，平板型集熱器的采光面與水平面的夾角是當(dāng)?shù)氐木暥冉?。?duì)于U 型真空管因?yàn)槠淠軌蜃詣?dòng)調(diào)節(jié)，可以水平放置[2]。該文以北京某高校為例，其所處位置在北緯40°，根據(jù)學(xué)校人口洗浴用水需求，選擇全玻璃真空管集熱器180 塊，全玻璃真空管9 870 支，采光面積為656 m2。

2.3 太陽能產(chǎn)熱

太陽能的產(chǎn)熱水量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 太陽能的產(chǎn)熱水量計(jì)算結(jié)果

2.4 輔助加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)校的輔助加熱系統(tǒng)將整體的溫度控制在50℃左右。要想在短時(shí)間內(nèi)提升加熱速度，可以在熱水儲(chǔ)水箱中設(shè)置熱水盤管，在水溫降低時(shí)，可以通過回水管進(jìn)行熱水的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)水溫的平衡。

2.5 恒溫?zé)崴到y(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了3 個(gè)方案。1）多個(gè)電磁閥調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)冷熱水的混合，但是這種方法會(huì)使得水溫不能實(shí)現(xiàn)完美控制。2）智能電動(dòng)控制，利用電腦系統(tǒng)控制水溫的調(diào)節(jié)，水溫控制的精確度得到了提升但是成本較高。3）恒溫閥與恒溫水箱相結(jié)合的方法，冷熱水在恒溫水箱的調(diào)節(jié)后，水溫得到了控制，而且在溫度不會(huì)受到洗浴人數(shù)的影響。綜合考量之下決定應(yīng)用第三種方案，恒溫閥與恒溫水箱相結(jié)合的方法，滿足學(xué)生們洗浴的需求。

2.6 系統(tǒng)運(yùn)行情況介紹

在光照充足的條件下，水溫上升到水溫設(shè)定值55℃時(shí)，冷水閥門會(huì)自動(dòng)開啟，冷水進(jìn)入集熱器進(jìn)行加熱。水箱將熱量達(dá)標(biāo)的熱水傳輸?shù)降叵聝?chǔ)水箱中，為了保持洗浴溫度的恒定（我們將溫度設(shè)置在45℃左右），需要在恒溫水箱中實(shí)現(xiàn)將熱水與涼水進(jìn)行混合。如果遇到陰天天氣，需要鍋爐進(jìn)行輔助加熱，系統(tǒng)自動(dòng)鍋爐中的熱水補(bǔ)充到儲(chǔ)熱水箱。當(dāng)儲(chǔ)水箱中的溫度降低時(shí)，利用換熱盤管加熱水溫，溫度到達(dá)45℃時(shí)，加熱裝置自動(dòng)關(guān)閉。太陽能系統(tǒng)在初始運(yùn)行時(shí)還需要技術(shù)人員對(duì)其設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，以保證系統(tǒng)的安全性。

3 太陽能熱水洗浴余熱回收技術(shù)

3.1 余熱回收現(xiàn)狀

公共浴室的開放有嚴(yán)格的時(shí)間限制，這就導(dǎo)致洗浴廢水的排除時(shí)間是固定的，大量污水一般是順著管線進(jìn)入到污水處理廠，在此過程中余熱會(huì)散發(fā)掉一部分，進(jìn)入污水廠的水經(jīng)過處理后其熱量就會(huì)散失。但是因?yàn)榧夹g(shù)、資金等問題導(dǎo)致公共浴室中的洗浴廢水余熱并沒有得到真正的利用。我國(guó)人口眾多，會(huì)產(chǎn)生很多的洗浴廢水，余熱就白白流失，不僅不能節(jié)約資源還增加了公共浴室的經(jīng)營(yíng)成本。因此，有必要采取合理的措施，加強(qiáng)對(duì)余熱的回收利用。

3.2 運(yùn)行原理

運(yùn)行的基本原理就是在洗浴后產(chǎn)生的廢水經(jīng)過管道流向污水箱，污水熱源泵運(yùn)行利用余熱加熱樓頂?shù)膬?chǔ)熱水箱，然后儲(chǔ)熱水箱的水與冷水進(jìn)行混合后就能正常進(jìn)行洗浴。具體的原理如圖1 所示。

圖1 余熱回收流程圖

3.3 廢水回收水質(zhì)

公共浴室進(jìn)行廢水余熱集中目的是提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，所以，在廢水余熱利用設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)廢水的性質(zhì)對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行預(yù)判。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要有2 種方案。1）將廢水當(dāng)作污水，利用污水設(shè)備進(jìn)行處理。2）將其當(dāng)作干凈的水源，利用清水設(shè)備進(jìn)行處理。我們選擇不同的設(shè)備對(duì)某一季的污水進(jìn)行處理分析，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用清水設(shè)備處理污水，所獲得的經(jīng)濟(jì)效益更好。因?yàn)槎鄶?shù)的污水的水質(zhì)還算是較好的，可以經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理就能投入循環(huán)利用，不需要用到污水處理設(shè)備。

3.4 廢水回收水溫

洗浴廢水在回收的過程中有2 個(gè)主要的熱量流失環(huán)節(jié)。1）管道中的熱損失。2）就是廢水池中的熱量散失[3]。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過保溫處理后的管道以及廢水池其保溫效果要明顯優(yōu)于沒有經(jīng)過保溫處理的管道。因此，學(xué)校相關(guān)部門在進(jìn)行管道的處理時(shí)，要對(duì)管道以及廢水池進(jìn)行保溫。

3.5 具體的余熱回收實(shí)例

以北京某學(xué)校為例，選取其在秋季廢水1 000 m3，洗浴溫度為42℃，污水溫度為30.8℃。進(jìn)入廢水池后為30℃，經(jīng)過廢水余熱收集系統(tǒng)進(jìn)行余熱的利用，與市場(chǎng)煤炭?jī)r(jià)錢以及電費(fèi)進(jìn)行比算。利用30℃的廢水對(duì)自來水進(jìn)行預(yù)熱，經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)太陽能設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的費(fèi)用明顯降低，平均水費(fèi)由一天18 元降低到10.5 元。給學(xué)生們的生活提供了諸多的便利，同時(shí)提升了學(xué)校設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。但是設(shè)備在運(yùn)行的過程中難免會(huì)造成磨損，需要工作人員定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)以及污垢清理，尤其要注意廢水管道中的頭發(fā)處理，熱泵環(huán)熱泵每半年清洗一次，延長(zhǎng)設(shè)備的壽命。

4 結(jié)語

余熱利用是今后太陽能熱水洗浴系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)方向之一，我們?cè)谶@方面的應(yīng)用仍然處于起步階段，有很多的技術(shù)還不夠成熟，需要技術(shù)人員進(jìn)行深入的研究。尤其是嚴(yán)寒地區(qū)公共浴池在冬季的需求量是最大的，產(chǎn)生的洗浴廢水余熱如果得不到利用也會(huì)造成很大的污染，因此我們要在節(jié)約資源理念的指導(dǎo)下，通過合理的設(shè)計(jì)提高余熱的回收能力，促進(jìn)資源的循環(huán)利用。余熱利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要注意經(jīng)濟(jì)效益，通過對(duì)余熱、環(huán)境的充分考量，選成本較低的方案。