洗澡水余熱收集利用裝置

羅舒楊，曹 青

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

1 研究背景及意義

目前，由于過度的能源消耗所導致的能源短缺以及環境污染等問題日益嚴重。開發新能源、提高能源利用效率是當前解決該問題的重要途徑。污水廢熱回收是一項既經濟又環保的技術，受到了人們的廣泛關注。早在20 世紀80 年代，日本、挪威以及瑞典等國便利用熱回收技術回收污水中的廢熱為小區供熱/暖[1]。20 世紀90 年代末，在中國關于污水源熱回收系統工程應用與研究的文獻越來越多，但這些文獻大部分以城市污水廢熱回收工程為研究對象。這些廢熱源主要有：城市干渠污水、污水處理廠原生污水或者污水處理廠處理后的污水。然而，在冬季，城市污水以及處理后的污水溫度較低，這就增加了廢熱回收的費用。也有人曾對洗碗機排放的廢水進行廢熱回收，實驗表明節能效果顯著。與以上污水不同，從浴室所排放的洗浴廢水有以下特點：①洗浴廢水相對清潔，全年水溫溫度較高，是一種優質的熱源；②洗浴中心污水排放量、排放時間與熱能需求量、需求時間相匹配。

近年來，關于洗浴廢水廢熱回收的研究較多，但多集中于洗浴中心、酒店等大型集中用戶，對于適用于單獨小型家庭的洗浴廢水廢熱系統的研究較少。經調查研究發現，從規范設計要求以及人們洗浴習慣角度而言，洗浴熱水溫度一般為42 ℃左右，淋浴出水溫度為40 ℃，地漏處洗浴廢水的溫度是36 ℃，洗浴污水池的溫度能達到29～32 ℃，自來水冷水水溫為14 ℃[2]，廢水里蘊藏著大量的低品位熱能（很難利用的熱能），且浴室每天排放的洗浴廢水量較為穩定，可以通過換熱裝置將洗浴廢水里低品位熱能回收利用。因此，有必要結合家庭洗浴廢水的排放特點及建筑中用戶的使用習慣，開發適合于家用的洗浴廢水廢熱回收再利用裝置。

熱泵系統在低品位能源轉換為高品位能源時具有很強的優勢，但是熱泵系統在應用時往往受到低溫熱源的限制和制約，導致效率普遍偏低。而且熱泵系統中，不同的換熱系統以及不同的水溫對整體性能的影響還沒有詳細的研究[3]。本文提出了一種適用于小型家庭單戶使用的洗浴污水源廢熱回收再利用系統，可充分利用家庭淋浴過程中洗浴廢水的熱量為需要加熱的冷水預熱，做到能量的即取即用。

2 設計方案

該裝置由機械和控制部分組成，整體結構如圖1 所示。

2.1 機械結構

2.1.1 收集部分

收集部分表面均勻分布著大量集水孔，整體平鋪于浴室地面，上表面以一定的角度向中心傾斜，出水口通過管道與蓄水部分的總進水口相連。洗浴用水由熱水器的花灑噴出，經人體洗浴后降落至地面，收集部分通過集水孔將未降溫的洗浴廢水收集，并由出水口通過管道將這部分洗浴廢水送至蓄水部分。

2.1.2 蓄水部分

蓄水部分如圖2 所示，由多個間隔分布的方形扁平狀蓄水片構成。蓄水片內部中空，用于積蓄未降溫的洗澡廢水；不同的蓄水片之間依次連通，便于洗浴廢水的進出流動。蓄水部分有一個總進水口和一個總出水口，未降溫的洗澡廢水由總進水口流入蓄水部分，冷卻后的洗澡廢水由總出水口流出蓄水部分。

圖1 整體結構

圖2 蓄水部分

2.1.3 冷水管部分

冷水管部分如圖3 所示，將傳統直水管改造為多次彎曲的曲管，不同層曲管的間距與蓄水片的厚度相關，曲管彎曲分布于不同蓄水片之間的空隙。自來水供水管道的自來水經由該部進入電熱水器。

2.1.4 熱管部分

熱管部分如圖4 所示，由多個間隔分布的弧形熱管構成，熱管充分利用了熱傳導原理與相變介質的熱傳遞性質，能迅速地將發熱物體的熱量傳遞到熱源外，其導熱能力遠遠超過任何已知金屬的導熱能力。該部分分布于蓄水部分與冷水管部分之間，并與蓄水部分中未降溫的洗浴廢水和冷水管中的冷水均接觸，以便于將蓄水部分洗浴廢水的熱量及時高效地傳遞給冷水管部分的冷水，對蓄水部分中的洗浴廢水進行降溫，對冷水管中的冷水提前預熱，起到熱量交換作用。

圖3 冷水管部分

圖4 熱管部分

2.2 控制部分

在蓄水部分的總進水口和總出水口分別分布有一個電磁閥，用于控制洗澡廢水的流入流出，保證蓄水部分中的洗浴廢水始終處于動態蓄滿的狀態中，以保障對冷水管中冷水的加熱效率。系統的主控芯片選用STC89C52 單片機，供電電路通過變壓穩壓模塊接入熱水器電路。

2.3 工作原理

洗澡時，蓄水部分總進水口的電磁閥打開，總出水口的電磁閥關閉，洗澡廢水經地面收集裝置收集后逐漸流入蓄水部分；待洗澡廢水蓄滿蓄水部分后，總出水口的電磁閥適當打開，讓蓄水部分的進水速率始終與出水速率保持一致，保證蓄水部分始終流動平衡中處于蓄滿狀態。與此同時，會有冷水自來水供水管道經冷水管道部分進入熱水器。在這個過程中，蓄水部分中積蓄的未降溫的洗澡廢水的熱量被熱管源源不斷地傳導至冷水管部分中的冷水，以提高冷水的溫度，對冷水進行提前預熱。洗浴廢水的熱量被導出后，被冷卻的洗浴廢水排入下水管道；經初步預熱后的冷水隨后進入熱水器。整體的工作流程圖如圖5 所示。

圖5 工作流程圖

3 節能效益分析

人們對生活舒適性的要求日益提高，居民使用熱水的用量逐級加大，2011 年在北京的調研數據顯示，北京住宅居民單次淋浴熱水用量為41.5 升/人。近10 年來，北京以年均不足21 億立方米的水資源，維持著36 億立方米的用水需求，每年水資源缺口已達15 億立方米，是我國嚴重缺水城市。隨之而來的是城市天然氣的使用量逐年上升。在2018-12-13舉行的2019 國際能源發展高峰論壇上，北京燃氣集團董事長、國際燃氣聯盟2021—2024 任期主席李雅蘭表示，2018年天然氣消費量將達到180 億立方米，比去年增加了20 億立方米。同比增幅為12.5%，增速高于去年約10 個百分點。顯然，天然氣的供需矛盾已經十分尖銳了。洗浴廢水水溫約為32.5 ℃，水量較大，利用熱管系統回收洗浴廢水切實可行，熱能回收潛力巨大，洗浴廢水儲水箱水溫分布均勻，可深度提取廢熱后排放。

4 應用前景

現今家庭每天都需要消耗大量的熱水用于洗浴，浴室的洗浴用水未經處理就直接排入下水管道，因洗浴廢水中含有一定量的熱能和洗浴用化學物質，不可避免地造成了一定程度的能源浪費與環境污染。

由于浴室每天排放的洗浴廢水量較為穩定，可以通過本裝置將洗浴廢水里低品位熱能回收利用。通過對未降溫的洗澡廢水中熱量的回收，一方面給冷水提前預熱，減少用戶家庭電費開支；一方面給污水降溫，防止細菌滋生。在迎合消費者消費心理的同時達到了節能減排的效果。