校园宿舍洗浴隔间热环境测试及洗浴用水热损失分析

贾 焘,吕留根,张文连,贾前前,吕 瑾,夏珍珍,张宇帆,李放放,谷志攀

(嘉兴学院建筑工程学院,浙江 嘉兴 314001)

校园宿舍洗浴隔间热环境测试及洗浴用水热损失分析

贾 焘,吕留根,张文连,贾前前,吕 瑾,夏珍珍,张宇帆,李放放,谷志攀

(嘉兴学院建筑工程学院,浙江 嘉兴 314001)

南方地区宿舍广泛使用空气源热泵热水器生产洗浴热水,在此，对学生宿舍洗浴隔间热环境和洗浴热水温度在两个工况下的情况进行了测试,结果表明：洗澡过程中洗浴用水的热散失对室内热环境有显著改善,但同时洗浴用水存在大量的无效热损失。

南方地区；学生宿舍建筑；洗浴热环境；洗浴热损失

能源消耗过度是当今世界发展的一个重大问题,尤其是在如今社会经济的快速发展,及人们生活品质的不断提高背景下,为满足舒适的要求,人们对于生活热水需求也在不断增加,建筑热水能耗也越来越大[1-5]。随着科技创新和全球绿色发展理念的提出,空气源热泵热水器作为继燃气、电能、太阳能之后的第四代热水器具有低能耗、高效率、安全环保等优点[2]。空气源热泵热水器吸收空气中的低品位能,每年可节约60%～70%的能源[6]。一般来说,燃气热水器的能效比为0.85,电热水器的能效比为0.95,而空气源热水器的能效比可达到3.5～4,加之空气源热泵热水器在日常使用中不受空气温度的影响,其应用范围十分广泛,发展前景十分可观[7-8]。

南方地区的校园宿舍建筑广泛采用空气源热泵热水器生产洗浴热水,洗浴后热水仍具有较高温度,但大多直接排放,造成能源浪费。学生宿舍空气源热泵热水系统由电控系统、空气源热泵机组、储水箱、一次泵循环系统、供水系统、回水系统组成。系统运行时,电控系统中温感器测量水箱中水温,若低于用户所需水温,则通过循环水泵将水箱中低温水送入热泵机组,生产的热水进入储水箱,用户打开淋浴开关即可获得所需的热水。本文对某高校学生宿舍空气源热泵热水器洗澡热水温度和洗浴隔间空气及壁面温度进行实验测试,利用实测结果对洗浴时热环境进行分析,并根据各测点的热水温度分析洗浴用水的热损失。

1 实验设计

1.1 实验概况与实验工况

学生在洗浴时一般根据热感觉调节洗浴热水流量,因此本实验测试根据学生洗澡时的习惯选择两个典型流量作为测试工况,以了解不同洗浴水流量下隔间热环境与热损失,实测工况见表1。学生宿舍洗浴隔间热环境测点布置见图1,经测试,洗浴龙头打开2～5 min,各测点温度达到稳定状态。在两个不同流量工况下,对洗澡时隔间空气与壁面温度、各测点洗浴水温度进行测试。其中3个热环境空气温度,分别是浴室外空气温度tw,浴室隔间上部空气温度ts,下部空气温度tx；5个浴室隔间壁面温度,分别是浴室左隔板温度t1,后壁面温度t2,右隔板温度t3,前壁面温度t4,地板温度t5,由以上3个空气温度和5个壁面温度分析洗浴隔间热环境。5个热水温度分别是出水温度T1、水刚接触身体时温度T2、脚上温度T3、地面水温度T4、地漏水温度T5(下文提到各温度均由以上温度符号表示),由5个热水温度分析得到洗浴热水各个过程的热损失状况。

表1 实测工况描述

图1 洗浴隔间热环境温度测点布置图

1.2 热损失分析方法

由洗浴用水各阶段的水温测试值,分析其在使用过程的热利用情况。自来水温度通过空气源热泵热水器加热至洗浴温度,洗浴用水相对自来水温度获得热量Qz如式(1)所示：

Qz=MCP(T1-T6)

(1)

式(1)中：M为热水出水流量,kg/s；Cp为水的比热,取Cp=4.2 kJ/(kg·℃)；T1为空气源热泵加热得到热水温度,℃；T6为自来水温度,℃。

洗澡时洗浴热水的热量散失可分为4个阶段,分别为出水到水刚接触到身体、水接触身体到流至地板、地板水到流至地漏、水流入地漏。各个阶段洗浴用水热损失Qs可由各个阶段初始和结束时温度计算,如式(2)所示：

Qs=MCP(Ti-Ti+1)

(2)

式(2)中：Ti、Ti+1为热水流经各阶段始末温度,℃。

洗浴热水各个过程的热损失率R通过热水的出水后各个阶段的散热量Qs以及出水总热量Qz计算获得,如式(3)所示：

R=Qs/Qz

(3)

2 研究结果及分析

2.1 洗浴隔间热环境测试及分析

对2个工况下洗浴隔间的空气温度和壁面温度测试结果见图2。由图2可知：洗澡时洗浴隔间空气温度明显高于隔间外空气温度。工况1时洗浴隔间外空气温度tw为9 ℃,而隔间内上部空气温度ts为16 ℃,下部空气温度tx为20 ℃；工况2时洗浴隔间外空气温度tw为11 ℃,而隔间内上部空气温度ts为16 ℃,下部空气温度tx为20 ℃。说明洗澡时洗浴热水的热散发对室内热环境有显著改善,从而提高了洗浴隔间的热舒适,其中隔间内下部空气温度高于上部空气温度,说明了热水在浴室下部热散失更多。

同时,由图2可以看出：洗浴隔间壁面温度相差不大,地板温度比壁面的平均温度高5.9 ℃。工况1时洗浴隔间壁面温度平均为18.8 ℃,地板温度t5为23 ℃；工况2时洗浴隔间壁面平均温度为18.4 ℃,地板温度t5为26 ℃。这是由于洗澡时热水流到地面后对地面传热的热散失高于热水向下流出时对周围隔间壁面传热的热散失。

2.2 洗浴用水温度测试及分析

洗浴时热水流出后各个位置水温测试结果见图3,由图3可知：从出水点开始直至流入地漏,各个测点水温逐渐降低。工况1时洗浴用水出水温度T1为41 ℃,洗浴过程中水温由刚接触身体时的温度T2为39.5 ℃降至脚上水温T3为35 ℃,而水流经地面时由温度T4为32 ℃降至地漏处水温T5为30 ℃；同样,工况2时洗浴用水出水温度T1为41℃,洗浴过程中水温由刚接触身体时的温度T2为39 ℃降至脚上水温T3为35 ℃,而水流经地面时由温度T4为32 ℃降至地漏处水温T5为29.5 ℃。由以上数据可以看出洗浴用水从出水流至地漏的过程中各阶段热水温度变化,进而可以分析洗浴用水在各个阶段的有效利用情况及热损失。

图2 浴室隔间热环境温度各测点实测结果

图3 洗澡热水出水后温度各测点实测结果

2.3 洗浴用水热损失分析

对于采用空气源热泵热水器的浴室,在各阶段的散热量及相应的散热率见表2。

如表2所示,在两个不同工况下,洗浴热水从出水至接触身体的阶段,其平均散热量为0.744 kJ·s-1,平均散热率为5.6%；水接触身体流至地板的阶段,其平均散热量为3.266 kJ·s-1,平均散热率为23.0%；地板水到流至地漏的阶段其平均散热量为0.966 kJ·s-1,平均散热率为7.2%；水流入地漏的阶段, 其平均散热量为9.051 kJ·s-1, 平均散

表2 洗浴用水各个阶段散热量及散热率计算分析

热率为64.3%。从以上结果分析看出,在洗浴热水从出水到水刚接触到身体的阶段,其散热率较小,其热量散失为洗浴提供较舒适热环境；在水接触身体到流至地板的阶段, 热水热量散失为对人体洗浴的有利散失,其散热量较大；在地板水到流入地漏的阶段,热水热量散失为无效热散失,其散热量最大。因此洗浴热水热量的有效利用率不高,洗浴系统仍存在节能和改进空间。

3 研究结论及建议

以某高校学生宿舍热水供应系统作为研究对象,通过实验方法对学生宿舍空气源热泵热水器洗澡热水和洗浴隔间热环境进行实测。在两个工况下,洗浴隔间内环境温度明显高于隔间外空气温度,洗浴热水的热散失对隔间内热环境有显著改善,提高了热舒适度。同时,洗浴热水从出水接触身体至流至地面的阶段热量散失率平均约为29%,此阶段洗浴热水热量散失是无法避免的,其中约6%的热量散失到洗浴环境,改善了洗浴环境的舒适度,约23%的热量散失为人体洗浴提供舒适温度；热水从地面流入地漏后的阶段热量散失率平均约为71%,其中约7%为地面流至地漏的不利热散失,约64%是流入地漏后的完全不利热散失,表明热水大部分热量并未得到有效利用,其热水热散失量较高。

从以上分析比较可以得出,宿舍洗浴用水的热量损失较大,故结合宿舍用空气源热泵热水器的特点,改善提高洗浴用水的热量利用效率具有现实意义。可考虑的改进方向或措施有：一是目前校园宿舍洗浴隔间大多为敞开式,对洗浴隔间进行适当密闭处理,可以减少洗浴热水的散热损失同时提高热舒适度；二是约64%的洗浴热水直接流入地漏排放,热损失严重,可以考虑对热源进行改造,采用水源热泵提取直接排放热水中余热,空气源热泵与水源热泵联合运行生产洗浴热水,将会显著降低洗浴热水的热量损失。

[1] 单洪浩,杨露露.重庆地区某学生公寓空气源热泵热水系统应用与分析[J].制冷与空调,2014,28(l):46- 48．

[2] 於慧姝,陆春林,金苏敏.热泵热水器蓄热水箱的漏热损失分析[J].流体机械,2010,38(11):81- 84．

[3] J Zhang,R Z Wang,J Y Wu.System optimization and experimental research on air source heat pump water heater[J]. Applied Thermal Engineering,2007,27(5- 6):1029- 1035．

[4] J J Guo,J Y Wu,R Z Wang, et al.Experimental research and operation optimization of an air-source heat pump water heater[J].Applied Energy,2011,88(11):4128- 4138.

[5] Z S Chen,W Q. Tao,Y W. Zhu,et al.Performance analysis of air-water dual source heat pump water heater with heat recovery[J]. Science China Technological Sciences,2009,55(8):2148- 2156．

[6] 周峰,马国远.空气源热泵热水器的现状及展望[J].节能,2006(7):13- 16．

[7] 鄢嘉明,马立李,洪凤,等.学生宿舍空气源热泵热水机组全年能效实测及经济性分析[J].制冷与空调,2016,30(3): 283- 286．

[8] 郝吉波,王志华,姜宇光,等. 空气源热泵热水器系统性能分析[J].制冷与空调,2013,13(1): 59- 62．

Thermal Enviroment Test of Bath Compartment and Heat Lost Analysis of Bath Water for Compus Dormitory

JIATao,LYULiugen,ZHANGWenlian,JIAQianqian,LYUJin,XIAZhenzhen,ZHANGYufan,LIFangfang,GUZhipan

2017- 03- 16

嘉兴市科技计划项目(2016AY13019),嘉兴学院校级科研基金项目(70516003)

贾 焘(1996—),男,浙江金华人,本科在读。

TU111.4

A

1008- 3707(2017)04- 0054- 04