洗浴余热回收器实验及应用研究

0引言 　　能源的日益紧缺使得节能成为当前全球的焦点，此外能源的回收利用（如废水、余热、余压等）也愈发受到重视，公共建筑的洗浴废水就具有很大的热回收潜力，这些卫浴用水余热若得不到有效利用，不仅造成能源浪费，也对室外环境造成热污染，增加了排污费用。有分析表明，我国公共浴室废水余热年热损失可达20多亿元人民币[4]。 　　针对上述洗浴余热亟需回收利用的现状，有研究人员采用热泵热回收技术开展了一些研究[1-6]，取得了很好的节能效果，但目前尚未广泛应用。本文应用一种简便易用的余热回收器实现洗浴用水余热的部分回收，探索其在洗浴节能方面的应用前景。 　　1余热回收器原理 　　实验用高效节能型淋浴余热回收器是将高导热金属材料设计成弧形面的板状容器，配置了上下两层换热器，可以直接安装在淋浴房的地板上，其原理如图1所示。 　　沐浴废水淋到过滤网上后渗透到上层换热器表面并流向两侧，此后淋到下层换热器表面并最终排出。自来水首先流入下层换热器并沿内腔的导流线连续流向换热器出水口，随即分两路由两侧进入上层换热器，并通过其出水口与热水器或混水阀连通。 　　由于废水与冷水间存在温差，热能通过换热器的板壁传导到内腔的冷水，冷水不断地从热水吸收热能而温度升高，该过程连续地循环进行，可以降低热水器的加热功率或减少混水阀中的热水使用量，达到有效利用淋浴余热的目的。 　　过滤网的作用是为了增加人体洗浴的舒适度，但同时作为一层热阻对淋浴废水起一定的缓冲作用，对系统的换热效果有一定的负面影响，实验表明其对节能率（用以表征余热回收效果，见下文）数值的影响在1%~2%之间。 　　2实验系统 　　为了得到该余热回收器的余热回收效果并分析其性能，设计了图2所示的实验系统。 　　余热回收器置于浴室地面上，沐浴喷头距回收器上表面中心区域1.5米，并可进行垂直喷洒。余热回收器入口冷水温度T1可通过另一套系统在一定范围内调节，在此不再赘述。 　　系统采用六个热电偶均匀分布在余热回收器上层换热器的上表面，以预测其平均温度；用一个放置于喷头正下方小容器内的热电偶测量喷洒到余热回收器表面的“废水”温度T4，以评价淋浴过程的热损失；一个温度传感器（图中未画出）置于余热回收器上方用以测量实验时浴室内的温度；两个压力传感器和两个温度传感器分别安装在余热回收器的进出口，用以测量其进出口的压力和温度；流量传感器用以测量系统水流量；用热水器出口的温度传感器测量实际淋浴热水温度T3。各传感器的数据均通过Agilent数据采集系统采集并处理。 　　3实验及结果分析 　　3.1节能实验 　　实验前对各温度传感器进行标定，实验过程中通过空调保持室内温度恒定，通过分别调节T1和热水器的设定出口温度，根据实测数据计算不同工况下系统的节能率η，用以表征系统的余热利用效果。由于在调节冷水温度的过程中其比热容变化很小，故将η的计算简化为如下公式： 　　其中T2为余热回收器出口温度，其余参数同前。 　　实验结果如图3至图5所示。 　　图3中T3平均值为45.4℃，可见η最高值为51.2%(T1=5.4℃)，最低值为48%(T1=20.19℃)，随T1的降低而增 大，原因是T1越低时换热器内部的冷水从外部淋浴废水中吸收的热量越多，使得节能率越高。由图3还可看出T2随T1的增大而近似线性增大。 　　考虑淋浴过程中向周围环境的散热，设其占理论淋浴耗能的比率为η;，用σ表征单位质量的冷却水流过余热回收器后能够吸收的余热热量，同时引入换热有效度ε的概念[7]，ε可以表示余热回收器实际回收喷淋到换热器上的热能的比率，即： 　　可见，存在关系： 　　图4为实验所得的η;、ε和σ随T1变化的曲线。 　　由图4可以看出：①η和ε随着T1的增大而增大，可以到达60%以上；②σ随着T1的增大而减小，即天气越冷（冷水入口温度越低），余热回收器回收热能的效率越高，因此σ比η更能用以计算应用该余热回收器所能带来的经济效益。以电热水器为例，当冬天入口水较冷（T1和T3分别按4.5℃和45℃计算），洗澡一人次用水50kg时，可节约用电1.2度/(人次)，夏天（T1按20℃计算）则只可节约电0.7度/(人次)，不同入口水温下的节电量与图4中的σ-T1曲线成正比。 　　图5为不同T3工况下η与T1的关系曲线。 　　由图可以看出η随T3的降低而增大，两种工况下η的数值相差约3%。这是因为随着T3的升高，淋浴水在淋浴过程中向环境的散热越多，使得η´较大。值得说明的是，尽管较低洗浴水温的节能率更高，但节约的总能量（如电能、燃气等）却比高洗浴水温小。 　　3.2换热实验 　　为了得到上层换热器的平均换热系数，在进行换热实验前首先将下层换热器去除，并假设换热器只从淋浴废水中吸热，忽略空气对流换热。平均对流换热系数h应用牛顿冷却公式得到[7]：   　　其中q为换热器表面的平均热流密度，可由淋浴流量和淋浴冲击换热器表面的平均温度得到；tw和tf分别为所测换热器表面平均温度和换热器内流体的平均温度，且tf=(T1+T2)/2。 　　实验结果表明，当T3保持恒定时，h随T1的升高而稍有增大，如下图6所示： 　　由图6可以看出，系统的换热系数达到水强制对流所能达到的换热系数范围（1000-15000W/(m2K)），随冷水温度T1和淋浴水温T3的升高而增大。实际淋浴过程中，由于淋浴废水大多会随人体缓慢淌下，不具有喷洒冲击换热的效果，并且一部分水会发生飞溅，因此换热系数可能会有所降低。 　　4讨论 　　节能实验表明，余热回收器的节能效果非常明显，普通洗浴工况下的节能率都接近甚至超过50%。该余热回收器内部包含三个滤芯（图1未画出），可以在去除重金属的同时将水矿化，并起抑制和杀菌作用。滤芯的存在使得余热回收器冷水入口和预热水出口之间的压差ΔP较大，约为0.07MPa，而当三个滤芯去掉后ΔP约为0.035MPa，可见滤芯的存在使得整个回收器内流阻较大，因此有必要分析滤芯对余热回收器节能效果的影响。实验结果如图7所示。   　　由图可以看出滤芯的存在使系统的节能率η稍有提高，原因是滤芯使得冷水在换热器内部的流速减慢，使其吸收废水余热的时间和热量相对增长，因此能更有效地回收余热。 　　对只包含上层换热器的系统进行的节能分析结果表明，上层换热器的余热回收效果显著，其节能率占总节能率的70%-80%，因此设计改进具有单层换热器的高效余热回收器具有更广阔的应用前景，实际上最新型的余热回收器确实只具有单层换热器。 　　应用于淋浴余热回收的热泵热回收技术可以回收大量的洗浴废热，可能是解决此类系统的最佳技术方案[4]，且已经有一些实际工程应用，但由于热泵系统所需资金投入较大，维护费用较高，而且具有完善淋浴系统的用户采用该技术时必须对已有系统做较大改动才能重新使用，因此热泵技术未必是最好的产品方案。本研究所用的余热回收器小巧轻便、性价比高、安全环保，不需要对用户已有的系统做多大改动即可应用，可以广泛应用于酒店、学校等公共建筑以及家庭的浴室中起到节能作用。 　　5结语 　　人们在洗浴过程中大量的废水余热得不到充分回收，尤其是在公共建筑中，余热利用措施尚不完善。实验采用的快速高效余热回收器简便易用，余热回收效果明显，可以回收超过50%的淋浴余热，其社会效益和经济效益明显。尽管如此，仍有大量的余热可供回收，因此可以通过改进系统设计使得系统的余热回收性能更进一步提高。另一方面，需要考虑如何减小回收器对水压造成的损失。作者：郭永献 蔡应麟 梁世强