洗浴余熱回收器實驗及應(yīng)用研究

0引言 　　能源的日益緊缺使得節(jié)能成為當前全球的焦點，此外能源的回收利用（如廢水、余熱、余壓等）也愈發(fā)受到重視，公共建筑的洗浴廢水就具有很大的熱回收潛力，這些衛(wèi)浴用水余熱若得不到有效利用，不僅造成能源浪費，也對室外環(huán)境造成熱污染，增加了排污費用。有分析表明，我國公共浴室廢水余熱年熱損失可達20多億元人民幣[4]。 　　針對上述洗浴余熱亟需回收利用的現(xiàn)狀，有研究人員采用熱泵熱回收技術(shù)開展了一些研究[1-6]，取得了很好的節(jié)能效果，但目前尚未廣泛應(yīng)用。本文應(yīng)用一種簡便易用的余熱回收器實現(xiàn)洗浴用水余熱的部分回收，探索其在洗浴節(jié)能方面的應(yīng)用前景。 　　1余熱回收器原理 　　實驗用高效節(jié)能型淋浴余熱回收器是將高導(dǎo)熱金屬材料設(shè)計成弧形面的板狀容器，配置了上下兩層換熱器，可以直接安裝在淋浴房的地板上，其原理如圖1所示。 　　沐浴廢水淋到過濾網(wǎng)上后滲透到上層換熱器表面并流向兩側(cè)，此后淋到下層換熱器表面并最終排出。自來水首先流入下層換熱器并沿內(nèi)腔的導(dǎo)流線連續(xù)流向換熱器出水口，隨即分兩路由兩側(cè)進入上層換熱器，并通過其出水口與熱水器或混水閥連通。 　　由于廢水與冷水間存在溫差，熱能通過換熱器的板壁傳導(dǎo)到內(nèi)腔的冷水，冷水不斷地從熱水吸收熱能而溫度升高，該過程連續(xù)地循環(huán)進行，可以降低熱水器的加熱功率或減少混水閥中的熱水使用量，達到有效利用淋浴余熱的目的。 　　過濾網(wǎng)的作用是為了增加人體洗浴的舒適度，但同時作為一層熱阻對淋浴廢水起一定的緩沖作用，對系統(tǒng)的換熱效果有一定的負面影響，實驗表明其對節(jié)能率（用以表征余熱回收效果，見下文）數(shù)值的影響在1%~2%之間。 　　2實驗系統(tǒng) 　　為了得到該余熱回收器的余熱回收效果并分析其性能，設(shè)計了圖2所示的實驗系統(tǒng)。 　　余熱回收器置于浴室地面上，沐浴噴頭距回收器上表面中心區(qū)域1.5米，并可進行垂直噴灑。余熱回收器入口冷水溫度T1可通過另一套系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，在此不再贅述。 　　系統(tǒng)采用六個熱電偶均勻分布在余熱回收器上層換熱器的上表面，以預(yù)測其平均溫度；用一個放置于噴頭正下方小容器內(nèi)的熱電偶測量噴灑到余熱回收器表面的“廢水”溫度T4，以評價淋浴過程的熱損失；一個溫度傳感器（圖中未畫出）置于余熱回收器上方用以測量實驗時浴室內(nèi)的溫度；兩個壓力傳感器和兩個溫度傳感器分別安裝在余熱回收器的進出口，用以測量其進出口的壓力和溫度；流量傳感器用以測量系統(tǒng)水流量；用熱水器出口的溫度傳感器測量實際淋浴熱水溫度T3。各傳感器的數(shù)據(jù)均通過Agilent數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并處理。 　　3實驗及結(jié)果分析 　　3.1節(jié)能實驗 　　實驗前對各溫度傳感器進行標定，實驗過程中通過空調(diào)保持室內(nèi)溫度恒定，通過分別調(diào)節(jié)T1和熱水器的設(shè)定出口溫度，根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算不同工況下系統(tǒng)的節(jié)能率η，用以表征系統(tǒng)的余熱利用效果。由于在調(diào)節(jié)冷水溫度的過程中其比熱容變化很小，故將η的計算簡化為如下公式： 　　其中T2為余熱回收器出口溫度，其余參數(shù)同前。 　　實驗結(jié)果如圖3至圖5所示。 　　圖3中T3平均值為45.4℃，可見η最高值為51.2%(T1=5.4℃)，最低值為48%(T1=20.19℃)，隨T1的降低而增 大，原因是T1越低時換熱器內(nèi)部的冷水從外部淋浴廢水中吸收的熱量越多，使得節(jié)能率越高。由圖3還可看出T2隨T1的增大而近似線性增大。 　　考慮淋浴過程中向周圍環(huán)境的散熱，設(shè)其占理論淋浴耗能的比率為η;，用σ表征單位質(zhì)量的冷卻水流過余熱回收器后能夠吸收的余熱熱量，同時引入換熱有效度ε的概念[7]，ε可以表示余熱回收器實際回收噴淋到換熱器上的熱能的比率，即： 　　可見，存在關(guān)系： 　　圖4為實驗所得的η;、ε和σ隨T1變化的曲線。 　　由圖4可以看出：①η和ε隨著T1的增大而增大，可以到達60%以上；②σ隨著T1的增大而減小，即天氣越冷（冷水入口溫度越低），余熱回收器回收熱能的效率越高，因此σ比η更能用以計算應(yīng)用該余熱回收器所能帶來的經(jīng)濟效益。以電熱水器為例，當冬天入口水較冷（T1和T3分別按4.5℃和45℃計算），洗澡一人次用水50kg時，可節(jié)約用電1.2度/(人次)，夏天（T1按20℃計算）則只可節(jié)約電0.7度/(人次)，不同入口水溫下的節(jié)電量與圖4中的σ-T1曲線成正比。 　　圖5為不同T3工況下η與T1的關(guān)系曲線。 　　由圖可以看出η隨T3的降低而增大，兩種工況下η的數(shù)值相差約3%。這是因為隨著T3的升高，淋浴水在淋浴過程中向環(huán)境的散熱越多，使得η´較大。值得說明的是，盡管較低洗浴水溫的節(jié)能率更高，但節(jié)約的總能量（如電能、燃氣等）卻比高洗浴水溫小。 　　3.2換熱實驗 　　為了得到上層換熱器的平均換熱系數(shù)，在進行換熱實驗前首先將下層換熱器去除，并假設(shè)換熱器只從淋浴廢水中吸熱，忽略空氣對流換熱。平均對流換熱系數(shù)h應(yīng)用牛頓冷卻公式得到[7]：   　　其中q為換熱器表面的平均熱流密度，可由淋浴流量和淋浴沖擊換熱器表面的平均溫度得到；tw和tf分別為所測換熱器表面平均溫度和換熱器內(nèi)流體的平均溫度，且tf=(T1+T2)/2。 　　實驗結(jié)果表明，當T3保持恒定時，h隨T1的升高而稍有增大，如下圖6所示： 　　由圖6可以看出，系統(tǒng)的換熱系數(shù)達到水強制對流所能達到的換熱系數(shù)范圍（1000-15000W/(m2K)），隨冷水溫度T1和淋浴水溫T3的升高而增大。實際淋浴過程中，由于淋浴廢水大多會隨人體緩慢淌下，不具有噴灑沖擊換熱的效果，并且一部分水會發(fā)生飛濺，因此換熱系數(shù)可能會有所降低。 　　4討論 　　節(jié)能實驗表明，余熱回收器的節(jié)能效果非常明顯，普通洗浴工況下的節(jié)能率都接近甚至超過50%。該余熱回收器內(nèi)部包含三個濾芯（圖1未畫出），可以在去除重金屬的同時將水礦化，并起抑制和殺菌作用。濾芯的存在使得余熱回收器冷水入口和預(yù)熱水出口之間的壓差ΔP較大，約為0.07MPa，而當三個濾芯去掉后ΔP約為0.035MPa，可見濾芯的存在使得整個回收器內(nèi)流阻較大，因此有必要分析濾芯對余熱回收器節(jié)能效果的影響。實驗結(jié)果如圖7所示。   　　由圖可以看出濾芯的存在使系統(tǒng)的節(jié)能率η稍有提高，原因是濾芯使得冷水在換熱器內(nèi)部的流速減慢，使其吸收廢水余熱的時間和熱量相對增長，因此能更有效地回收余熱。 　　對只包含上層換熱器的系統(tǒng)進行的節(jié)能分析結(jié)果表明，上層換熱器的余熱回收效果顯著，其節(jié)能率占總節(jié)能率的70%-80%，因此設(shè)計改進具有單層換熱器的高效余熱回收器具有更廣闊的應(yīng)用前景，實際上最新型的余熱回收器確實只具有單層換熱器。 　　應(yīng)用于淋浴余熱回收的熱泵熱回收技術(shù)可以回收大量的洗浴廢熱，可能是解決此類系統(tǒng)的最佳技術(shù)方案[4]，且已經(jīng)有一些實際工程應(yīng)用，但由于熱泵系統(tǒng)所需資金投入較大，維護費用較高，而且具有完善淋浴系統(tǒng)的用戶采用該技術(shù)時必須對已有系統(tǒng)做較大改動才能重新使用，因此熱泵技術(shù)未必是最好的產(chǎn)品方案。本研究所用的余熱回收器小巧輕便、性價比高、安全環(huán)保，不需要對用戶已有的系統(tǒng)做多大改動即可應(yīng)用，可以廣泛應(yīng)用于酒店、學(xué)校等公共建筑以及家庭的浴室中起到節(jié)能作用。 　　5結(jié)語 　　人們在洗浴過程中大量的廢水余熱得不到充分回收，尤其是在公共建筑中，余熱利用措施尚不完善。實驗采用的快速高效余熱回收器簡便易用，余熱回收效果明顯，可以回收超過50%的淋浴余熱，其社會效益和經(jīng)濟效益明顯。盡管如此，仍有大量的余熱可供回收，因此可以通過改進系統(tǒng)設(shè)計使得系統(tǒng)的余熱回收性能更進一步提高。另一方面，需要考慮如何減小回收器對水壓造成的損失。作者：郭永獻 蔡應(yīng)麟 梁世強