太陽能熱水洗浴系統與余熱利用研究

（河北農業大學，河北 保定 071001）

1 太陽能熱水洗浴系統注意要點

1.1 真空管爆炸

真空管爆炸問題是太陽能熱水器使用過程中經常出現的問題，尤其是在各大高校的公共浴室中，每天都會有學生進行洗浴，一旦真空管爆炸，就會影響學生們的正常洗浴。真空管爆炸的主要原因為水箱室與樓頂之間形成不同的高度差，熱水器在工作的過程中水壓不穩定，導致集熱器缺水，造成爆炸。因此，在設計太陽熱水系統時，要注意保持水壓，而且真空水管自身的質量也是導致爆炸的原因之一，因此在采購時選擇可靠的品牌，保證學生們洗浴安全。

1.2 冬季防凍措施

北方冬季寒冷，太陽能熱水器是在樓頂存放。如果不能采取適當的保溫措施就會出現設備凍裂問題，不僅會影響設備的壽命，也會影響人們的生活。所以需要通過合理的方法提高設備的抗凍能力，除了上文提到的伴熱裝置，還會在管道上包裹保溫材料，以此降低伴熱裝置的電量消耗。其中低溫循環加電伴熱裝置是目前效益最好的裝置，在溫度低于5℃時自動啟動，有效地減少電量的消耗。為了保證冬季熱水系統的正常運行，需要借助輔助熱源進行熱量的補充。當熱水器溫度低于固定值時自動補充熱水，供應人們的正常需求。

1.3 水溫恒定

水溫恒定是我們良好洗浴體驗的保證條件之一，如果不能保持溫度的穩定將會影響人們的洗浴。在高校中，一般將水溫設置在50℃，但是太陽能系統要達到這個水溫是需要經過混水實現恒定。實現混水的設備為恒溫水箱，不管洗浴人數多少都能控制水溫。但是，這種調節水溫的方法需要較大的面積進行恒溫水箱的建設，也需要資金的支持。這就需要技術人員加強對系統的研究，提高水溫恒定的效率[1]。

2 太陽能熱水洗浴系統設計

2.1 太陽能集熱器選擇

在上文中也提到真空會出現爆炸問題，因此，在系統設計時要選擇防炸管，而且需要設立多個運行系統，避免因為一個系統出現問題影響整個系統。一般情況下，太陽能的安放地點都是在屋面、樓頂，在設計的過程中還應當根據地理位置，考慮集熱效率、太陽能造價等，使得太陽能熱水洗浴系統能夠以最低的成本獲得最大的效益。

2.2 集熱器的擺放數量以及方式

集熱器產生的熱量跟地理緯度以及地形有很大的關系，而且集熱器品牌不同也會導致其集熱能力不同。而且根據太陽位置的變化，集熱的效果也會不同，因此像是學校這種全年都要應用到浴室的地方，平板型集熱器的采光面與水平面的夾角是當地的緯度角。對于U 型真空管因為其能夠自動調節，可以水平放置[2]。該文以北京某高校為例，其所處位置在北緯40°，根據學校人口洗浴用水需求，選擇全玻璃真空管集熱器180 塊，全玻璃真空管9 870 支，采光面積為656 m2。

2.3 太陽能產熱

太陽能的產熱水量計算結果見表1。

表1 太陽能的產熱水量計算結果

2.4 輔助加熱系統設計

學校的輔助加熱系統將整體的溫度控制在50℃左右。要想在短時間內提升加熱速度，可以在熱水儲水箱中設置熱水盤管，在水溫降低時，可以通過回水管進行熱水的補充，實現水溫的平衡。

2.5 恒溫熱水系統的設計

該系統的設計提出了3 個方案。1）多個電磁閥調節，實現冷熱水的混合，但是這種方法會使得水溫不能實現完美控制。2）智能電動控制，利用電腦系統控制水溫的調節，水溫控制的精確度得到了提升但是成本較高。3）恒溫閥與恒溫水箱相結合的方法，冷熱水在恒溫水箱的調節后，水溫得到了控制，而且在溫度不會受到洗浴人數的影響。綜合考量之下決定應用第三種方案，恒溫閥與恒溫水箱相結合的方法，滿足學生們洗浴的需求。

2.6 系統運行情況介紹

在光照充足的條件下，水溫上升到水溫設定值55℃時，冷水閥門會自動開啟，冷水進入集熱器進行加熱。水箱將熱量達標的熱水傳輸到地下儲水箱中，為了保持洗浴溫度的恒定（我們將溫度設置在45℃左右），需要在恒溫水箱中實現將熱水與涼水進行混合。如果遇到陰天天氣，需要鍋爐進行輔助加熱，系統自動鍋爐中的熱水補充到儲熱水箱。當儲水箱中的溫度降低時，利用換熱盤管加熱水溫，溫度到達45℃時，加熱裝置自動關閉。太陽能系統在初始運行時還需要技術人員對其設備進行維護，以保證系統的安全性。

3 太陽能熱水洗浴余熱回收技術

3.1 余熱回收現狀

公共浴室的開放有嚴格的時間限制，這就導致洗浴廢水的排除時間是固定的，大量污水一般是順著管線進入到污水處理廠，在此過程中余熱會散發掉一部分，進入污水廠的水經過處理后其熱量就會散失。但是因為技術、資金等問題導致公共浴室中的洗浴廢水余熱并沒有得到真正的利用。我國人口眾多，會產生很多的洗浴廢水，余熱就白白流失，不僅不能節約資源還增加了公共浴室的經營成本。因此，有必要采取合理的措施，加強對余熱的回收利用。

3.2 運行原理

運行的基本原理就是在洗浴后產生的廢水經過管道流向污水箱，污水熱源泵運行利用余熱加熱樓頂的儲熱水箱，然后儲熱水箱的水與冷水進行混合后就能正常進行洗浴。具體的原理如圖1 所示。

圖1 余熱回收流程圖

3.3 廢水回收水質

公共浴室進行廢水余熱集中目的是提升企業的經濟效益，所以，在廢水余熱利用設計時，要根據廢水的性質對其經濟效益進行預判。在系統設計時主要有2 種方案。1）將廢水當作污水，利用污水設備進行處理。2）將其當作干凈的水源，利用清水設備進行處理。我們選擇不同的設備對某一季的污水進行處理分析，發現運用清水設備處理污水，所獲得的經濟效益更好。因為多數的污水的水質還算是較好的，可以經過簡單的處理就能投入循環利用，不需要用到污水處理設備。

3.4 廢水回收水溫

洗浴廢水在回收的過程中有2 個主要的熱量流失環節。1）管道中的熱損失。2）就是廢水池中的熱量散失[3]。經過實驗發現經過保溫處理后的管道以及廢水池其保溫效果要明顯優于沒有經過保溫處理的管道。因此，學校相關部門在進行管道的處理時，要對管道以及廢水池進行保溫。

3.5 具體的余熱回收實例

以北京某學校為例，選取其在秋季廢水1 000 m3，洗浴溫度為42℃，污水溫度為30.8℃。進入廢水池后為30℃，經過廢水余熱收集系統進行余熱的利用，與市場煤炭價錢以及電費進行比算。利用30℃的廢水對自來水進行預熱，經過計算發現太陽能設備在運行過程中產生的費用明顯降低，平均水費由一天18 元降低到10.5 元。給學生們的生活提供了諸多的便利，同時提升了學校設備運行的經濟效益。但是設備在運行的過程中難免會造成磨損，需要工作人員定期對設備進行維護以及污垢清理，尤其要注意廢水管道中的頭發處理，熱泵環熱泵每半年清洗一次，延長設備的壽命。

4 結語

余熱利用是今后太陽能熱水洗浴系統研發的重點方向之一，我們在這方面的應用仍然處于起步階段，有很多的技術還不夠成熟，需要技術人員進行深入的研究。尤其是嚴寒地區公共浴池在冬季的需求量是最大的，產生的洗浴廢水余熱如果得不到利用也會造成很大的污染，因此我們要在節約資源理念的指導下，通過合理的設計提高余熱的回收能力，促進資源的循環利用。余熱利用系統的設計還要注意經濟效益，通過對余熱、環境的充分考量，選成本較低的方案。