洗浴废水热量循环再利用可行性研究及应用

王国芳 孙强 于水生

(青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101)

1 引言

随着中国的经济发展和“城镇化”进程的加快，消费者生活中对热水的需求越来越大，提供热水产生的能耗在普通消费者的日常生活中的能耗占比越来越大。热水器的节能问题日益受到人们的重视。

通常，居民用热水主要是通过热水器来提供，热水器目前主要有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器和热泵热水器等多种产品，由于电能普及率高、电热水器外形尺寸小、占用安装空间小、安装使用方便等多种原因，电热水器的占比很大，根据相关数据测算目前中国电热水器保有量在7000万台左右。在国家确定将低碳经济作为发展新动力的背景下，节能、环保已经成为各行业的发展基础。电热水器行业已经开始向节能、环保方向转型。

2 问题分析

传统意义上，电热水器的节能主要分三个方面，一是通过充分、动态和即时的加热方式节能；二是降低损耗保温过程中的节能；三是对用水情况分类，通过建模、程序设定节能。

(1)加热过程中的节能

主要通过变换加热管的加热方式，如使用不同的功率组合，或者是改变加热管的排布位置，如加热管下潜式排布、分层式排布、出水口处排布等；即时加热主要是边使用边加热。

(2)降低损耗保温过程中的节能

主要通过发泡技术、发泡材料选用和保温层厚度的优化来达到节能的目的，目前普遍采用聚氨酯整体发泡技术，1级能效的发泡层的厚度也达到40mm，对于产品的散热点实施二次保温措施，如包裹保温材料等，进一步提升的空间不大。

(3)对用水情况分类，通过建模、程序设定节能

主要是通过在热水器上增加多种传感器，根据消费者用水温度和用水量，结合自来水水温和洗浴时的流量，热水器自动计算，选择最优的加热模式。如少量用水，可以选择“生活热水”模式；一人洗浴选择“一人洗”模式；两人洗浴选择“两人洗”模式；峰底电费低，可以选择“夜电加热”模式；等等。

除此之外，是否还有其他途径节能？通过分析发现，消费者洗浴后排走的洗浴废水温度在36℃左右，如果能将洗浴废水的热量循环再利用，也可以节能。要实现洗浴废水热量循环再利用的目标，可行的技术方案有两种：第一种方案是对洗浴废水过滤回收，将洗浴废水中的头发、皮屑和洗浴污垢等过滤处理后再使用这部分热水；第二种方案是将洗浴废水的热量再利用，通过热交换来加热洗浴冷水，由于两种水的温差很大，也为热交换提供了必要条件，本文主要是探讨第二种方案。

3 洗浴废水热量循环再利用产品设计原理

通常按照自来水温度是15℃，用户洗澡的热水40±1℃为例，热水经洗浴使用后，排走的洗浴废水温度仍然在35℃左右。也就是说，电热水器将冷水从15℃加热到40℃，温升提高了25℃，但是人体其实只利用了其中的5℃（40℃-35℃=5℃），其余20℃水温差的热量就白白浪费了，浪费率高达80%。循环再利用产品就是遵循热交换原理利用这部分浪费的热量对洗浴冷水加热，从而达到节能的效果,目前主要分为盘管式和板式换热器两种。板式换热器主要用在锅炉上面，换热效率高，但工艺复杂，其组成如图1所示。

循环再利用产品的设计原理是：按照热交换的原理，当两种存在温差的物质在一起时，两种不同温度（自来水为15℃，洗浴废水35℃）的物质将利用传导、对流及辐射进行热量交换，如果时间充裕，两者将充分进行热量交换，直至温度相等为止。同时结合人体学设计，兼顾承重、美观、安装和质量可靠性的多个指标来设计循环再利用产品。

4 循环再利用产品应用原理及产品设计方案

4.1 循环再利用产品应用原理

通常，消费者洗浴时通过混水阀将热水和冷水混合到适宜洗浴的温度，混水阀热水口直接接热水器的热水，混水阀的冷水口直接接自来水。使用该产品的热水器需要将经该产品提升了一定温度的冷水直接接到混水阀的冷水口，然后和热水混合，连接原理图如图2所示。

通过图2可以看出：洗浴时，洗浴废水顺着人体流到节能魔方上，冷水分成两路，一路直接进入热水器，在热水器中进行加热；另一路则是进入盘管式换热器，经过换热后，从换热器中出来的水就变成了温水。温水通过混合阀与热水器中的热水进行混合，满足洗浴要求。

表1 304不锈钢性能表

4.2 循环再利用产品设计方案

结合专利号为ZL 2010 2 0672452.1的《废水余热回收产品及其热水器》专利，余热回收产品见图3，该产品至少需要具备下述功能：

(1)可以将洗浴废水充分收集在一起，有足够的承重能力，且防滑。

(2)水路连接方便，安装简单、质量可靠。

(3)美观、便于清洁和收纳，最好可以折叠不占用空间。

(3)能够充分换热，有良好的换热效果。

(4)外形可方可圆，也可以是异形，但要便于加工制造。

4.3 循环再利用产品的盘管式换热器设计

循环再利用产品的换热器是实现节能的核心部件，换热器的具体结构实施方案有很多种，综合考虑选用盘管式换热器。盘管式换热器内部是由304不锈钢管盘绕而成，通过铸铝工艺外部用铝完全覆盖，在铸铝的表面采用凹凸设计，目的是为了最大限度的增加水与铝之间热交换的表面积，延长换热时间，充分换热，不锈钢管按图4所示进行盘绕。

304 不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性。具有良好的加工性能，适合用于盘管式换热器。其性能参数表如表1所示，之所以采用304不锈钢，是因其最大的优点是良好的耐腐蚀性，可以适应中国不同地区不同水质的要求。

外部之所以采用铸铝的方式，是因为铝的导热能力强，比铁大三倍，而且在金属中，铝的比热容较高，为0.88×103 J/(kg·℃)。在同样的温差下，吸收的热量多。与铁相比，它还不易锈蚀，使用寿命较长。

表2 节能量测试结果

表3 加热效率测试结果

5 循环再利用产品节能效果实验验证

为了测试此余热回收产品的节能性能，特进行以下实验，分别从省电量和加热速度提升率两个方面来进行测试。

5.1 省电量试验方法

(1)将热水器按照图2所示连接好，带余热回收节能魔方模块。环境温度：20±1℃，湿度不高于85%。

(2)热水器通入水温度θ=5±1℃，热水器通满水后开机设置机器为一人洗状态并开始加热。

(3)加热完毕后，在喷头喷洒流量为7L/min情况下连续放水，并将放出的水收集起来，水温保持在θ=41±1℃，当水温无法达到θ=41±1℃时停止放水的收集，对收集到的水进行称重记录M(单位克g)。

(4)试验同时用功率仪记录整个过程中热水器相应耗电量Q (单位千瓦时kWh)。

(5)将热水器按不带余热回收模块连接好，重复以上1、2、3、4测试，并记录相应水的重量为M 、耗电量为Q。

(6)入水温度分别更改为θr =15±1℃、θ=20±1℃，重复以上1、2、3、4、5步骤测试。

(7)电节省量计算公式：

式中：

E :θ入水情况下节省电量，单位为千瓦时（kWh）；

φ：水的比热容，单位焦耳每克摄氏度(J/g.℃)，取值4.2J/g.℃。

电节省率计算公式：

式中：

μ ：θ为入水情况下省电率，以百分数表示（%）。

通过以上计算公式，对带和不带余热回收模块的耗电量分别测试，结合实验数据，可以得出测试结果如表2所示。

通过表2可以看出，在平均进水温度为5.1℃，15.2℃和20.1℃的不同进水温度下，带余热回收模块的测试结果都明显优于不带余热回收模块的普通热水器的测试结果。由此可以证明，余热回收模块可以有效地节省电量，而且最高电节省率高达18.7%，节能效果显著。

5.2 加热速度提升率

5.2.1 试验方法

(1)将热水器按照不带余热回收模块的方式连接好，环境温度：20±1℃，湿度不高于85%。

(2)热水器通入水温度θr =5±1℃，热水器通满水后开机设置机器为三人洗状态，并开始加热。

(3)加热完毕后，记录整个加热过程所需要的时间T ，在喷头喷洒流量为7L/min情况下连续放水，并将放出的水收集起来，水温保持在θ=40±1℃，当水温无法达到θ=40±1℃时停止放水的收集，对收集到的水进行称重记录M (单位千克kg)。

(4)将热水器按照图2所示带余热回收模块连接好。

(5)热水器通入水温度θ=5±1℃，热水器通满水后开机设置机器为三人洗状态并开始加热。

(6)当加热温度到某一温度时记录整个加热过程所需要的时间T （单位分钟min）,在喷头喷洒流量为7L/min情况下连续放水，并将放出的水收集起来，水温保持在θ=40±1℃，当水温无法达到θ=40±1℃时停止放水的收集，对收集到的水进行称重记录M （单位千克kg）。

(7)当M= M ±5kg时，取此时T值。

(8)将入水温度设置为θ=15±1℃、θ=20±1℃，重复以上1、2、3、4、5、6、7步骤测试。

(9)加热速度提升率计算公式：

式中：

ψ ：入水温度θ下加热速度提升率，以百分数表示（%）。

通过以上实验方法，对有余热回收模块和无余热回收模块的热水输出量的测试，以及对其加热时间的测量，得出实验结果如表3所示。

通过表3的测试结果可以看出，余热回收模块可以有效地提高加热速度，最高可达23.9%。

6 结束语

通过以上实验验证可以证明，该产品具有明显的节能优势，最高电节省率高达18.7%；同时可以有效地提高加热速度，最高可以提升23.9%。因此无论从环保、节能减排角度还是从使用便利性角度来看，余热回收技术都具有明显的优势。电热水器与余热回收技术的结合也将是未来的发展趋势之一。同时，随着技术的不断进步，可以预见，在不久的将来，配套使用洗浴废水循环再利用产品的热水器会越来越多，并推动整个热水产品行业进一步实现节能减排。