淋浴熱水余熱回收的應(yīng)用與研究

一、序言 

隨著人們居住條件的改善，越來越多的家庭擁有自己的衛(wèi)生間和浴室，各類家用熱水器快速在城市家庭和先富裕起來的農(nóng)村得到普及，更多的人們在自己家里洗澡，其中淋浴占較高比例。 

當(dāng)人們以淋浴方式進(jìn)行洗浴時，洗浴熱水（大約為40~43℃）從上至*經(jīng)人體或直接墜落到地板上，隨即變?yōu)橄丛�廢水（大約為30~35℃）直接流入下水道。值得注意的是，這一過程所造成的浪費(fèi)不容忽視：在年平均氣溫為16.6℃的中國，直接將30℃左右的洗浴廢水排放到下水道，隨之流走的不僅是水，同時還有相當(dāng)可觀的熱能。這只是一個簡單的物理題，按洗浴用水流量為每分鐘4升計算，廢水水溫為30℃，進(jìn)水水溫為15℃，那么每分鐘浪費(fèi)的能量就相當(dāng)于4.2Kw；若進(jìn)水溫度為5℃，則相當(dāng)于7Kw的熱能隨洗浴廢水流逝。那么能否回收這些能量呢？ 

試想，若能以簡單而高效的方法回收利用洗浴廢水所蘊(yùn)涵的部分熱能，不僅可以極大地有利于節(jié)能、環(huán)保，同時，由于可以循環(huán)使用回收的能量，因此功率較小的熱水器可以達(dá)到大功率熱水器相同的洗浴效果，人們將更愿意擇較購買和使用小功率（或容量）的熱水器，同樣生產(chǎn)、銷售小功率熱水器可降低其生產(chǎn)成本和銷售價格。 

二、開發(fā)思路 

換熱器，在石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域的使用已經(jīng)有超過100年的歷史了。但要想將換熱器搬進(jìn)家庭浴室中使用還存在諸多的限制。 

首先，由于家庭浴室空間的限制，淋浴換熱器必須只能占用較小空間； 

第二，洗浴廢水的溫度一般在30~35℃，而自來水的溫度從0℃~25℃之間，因此淋浴換熱器必須能進(jìn)行低溫差換熱；同時還具有水流量較小的特點，每分鐘4L左右的流量； 

第三，如果將每分鐘4L流量的自來水與30℃的洗浴廢水通過熱交換，能夠使0℃的自來水經(jīng)換熱后達(dá)到25℃，那么換熱器的換熱效率/功率應(yīng)達(dá)到或超過7KW；假設(shè)換熱器的換熱面積為一平方米（能放置于普通淋浴房底座下），則換熱器的傳熱系數(shù)應(yīng)超過1400W/(m2*k)； 

第四，洗浴廢水中含有毛發(fā)、皮屑、油脂等污漬，容易形成污垢，會降低換熱器的水道，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低甚至失效。因此，換熱器應(yīng)有相應(yīng)的過濾功能，且容易拆卸清洗； 

第五，同時，該換熱器售價必須足夠低，能吸引人們僅從經(jīng)濟(jì)角度考慮也愿意購買。 

事實上，現(xiàn)有的涉及浴室使用的換熱器，大多屬將現(xiàn)有的普通工業(yè)換熱器結(jié)構(gòu)照搬進(jìn)入浴室，其中，由螺旋盤管換熱器變形而來的最為常見。比較具有代表性的是專利號為03263228.2的《可帶電加熱的余熱回收裝置》屬螺旋盤管換熱器的變形；而專利號為99203188.5的《墊板式廢熱水余熱回收器》則使用了盤管加套管式換熱器原理。這些選用螺旋盤管式設(shè)計換熱器的換熱效率較低，難以滿足冬季環(huán)境溫度較低的洗浴環(huán)境。專利號為01249608.1的《薄板換熱器》的設(shè)計則過于復(fù)雜，使用了過多的材料，卻沒有能相應(yīng)地增加有效的換熱面積，并且該設(shè)計的換熱器加工難度大、成本高。 

顯然，若只是簡單地將工業(yè)上應(yīng)用的換熱器照搬進(jìn)家庭浴室中使用，很難同時滿足上述約束條件。這個“家用淋浴換熱器”必須是一個創(chuàng)新的設(shè)計。 

而本文涉及的家用淋浴交換器，不僅兼具了板式換熱器、螺旋板式換熱器、螺旋盤管式換熱器的特點，而且體積小、換熱效率高，可進(jìn)行逆流換熱、能滿足低溫差換熱的需要；同時，帶模塊化結(jié)構(gòu)的過濾器、容易拆卸清洗；并且本新型換熱器具有易于模塊化加工和裝配生產(chǎn)，制造成本低等特點。 

三、新型換熱器 

1.工作原理 

本文涉及的換熱器，核心部件是一塊由高熱導(dǎo)率的金屬薄板通過沖壓方式制成，在金屬薄板兩面形成從里到外凹凸相間的螺旋形凹槽（見圖一）。通過在該帶螺旋形凹槽的金屬薄板兩面，分別覆蓋金屬或塑料板，在該帶螺旋形凹槽的金屬薄板兩面形成上下兩層、相互隔離的兩個螺旋形流體通道，讓初始溫度較低的液體從上層螺旋形流體通道邊緣流入、至中間流出，而初始溫度較高的液體從下層螺旋形流體通道的中間流進(jìn)、至邊緣流出，從而以逆流的方式實現(xiàn)低溫差換熱。（見圖二） 

帶螺旋形凹槽的金屬薄板的整體中間略為凹陷，周邊略高，呈鈍角錐臺平底鍋形，中間預(yù)留一部分空間面積，在換熱器中間位置放置一個模塊化的過濾器，以減低換熱器的污垢形成。 

本換熱器與現(xiàn)有換熱器的設(shè)計比較有以下優(yōu)點： 

（1）兩個上冷下熱分層的螺旋形流體通道，增強(qiáng)換熱過程中水的對流以及紊流（強(qiáng)制對流），有效提高換熱效率；螺旋形流體通道也有效減低了液體流動的阻力；可逆流換熱，能夠滿足低溫差換熱的應(yīng)用環(huán)境。 

（2）換熱面是一整塊金屬薄板制成，加強(qiáng)傳熱效果的同時，還起到均衡傳熱的效果；例如，在家庭淋浴的洗浴環(huán)境，能有效抑制由于洗浴廢水的水流溫度間歇變化、流量流速等因素導(dǎo)致被預(yù)熱的清潔水水溫度明顯波動、時冷時熱的情況發(fā)生。 

（3）換熱面整體呈鍋底形的設(shè)計，保證了人們在洗浴過程中偶爾間斷熱水使用時，仍然繼續(xù)保持了對清潔自來水的預(yù)熱，減低重新開啟熱水時水溫的波動。 

（4）洗浴廢水在換熱器中的流動壓差可設(shè)計成靠出水口處設(shè)置的虹吸管產(chǎn)生，或由安全電壓驅(qū)動的電磁泵產(chǎn)生，還可以參考汽車發(fā)動機(jī)廢氣渦輪增壓的原理和思路，專門設(shè)計一個由自來水驅(qū)動的增壓器驅(qū)動廢水的排放。 

（5）*的模塊化過濾器，可以減低換熱器的污垢形成，同時也方便過濾器的技術(shù)升級。 

（6）以沖壓方式在一平方米面積內(nèi)制成兩個15~20m長（甚至達(dá)30m以上）的螺旋型水道，比使用15~20m長金屬管（圓管或方槽管等）制作螺旋盤管成本更底，更容易加工。 

本設(shè)計已申請并獲得國家發(fā)明專利證書，專利（申請）號為200710077926.0。 

2.設(shè)計計算效果 

在各種類型換熱器中，傳熱系數(shù)最高的為板式換熱器。板式換熱器的傳熱系數(shù)一般在2000~7000W/m2k，即為每平方米換熱面積、一度溫差可傳遞2~7千瓦功率。本換熱器與之不同之處在于，常見的小型板式換熱器換熱流體的流程僅幾十厘米至一百多厘米，本換熱器中流體的流程達(dá)1500厘米（15米），根據(jù)熱傳遞原理，則其換熱效率顯著優(yōu)于板式換熱器，逆流換熱的效果更佳。 

將本換熱器的熱轉(zhuǎn)換按板式換熱器計算，即使按較低傳熱系數(shù)2000W/m2k，一平方米的換熱面積，5度溫差則可達(dá)到10kw的換熱功率，能滿足每分鐘4L流量的0℃自來水與30℃的洗浴廢水通過熱交換，經(jīng)換熱后自來水升至25℃所需7KW，換熱器的傳熱系數(shù)須超過1400W/(m2*k)的要求。（還具備30%的冗余） 

3.實際使用節(jié)能計算 

根據(jù)實際情況，按平均每人每周洗澡3次，每次洗澡耗電2度電（1元電費(fèi)），則每人每年洗澡約150次，耗電300度，150元電費(fèi)；戶均按3人計算，每個家庭每年洗澡的能耗近900度，根據(jù)現(xiàn)在的電價，則為450元錢。若淋浴換熱器的售價控制在每臺300元左右，同時考慮當(dāng)使用淋浴換熱器后所需熱水器的功率可降低1/3，則實際購買淋浴設(shè)備的總費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一年的電價。 

從長遠(yuǎn)來看，由于淋浴換熱器節(jié)能50%，家庭使用一年半即收回在淋浴換熱器上的投資，使用6年所節(jié)省的能源費(fèi)用超過1350元。從整個國家來講，中國熱水器（包括燃?xì)�、電熱水器）市場�?guī)模約有近1500萬臺的容量，金額超過180億。未來淋浴換熱器獲得普及推廣時，市場容量應(yīng)接近熱水器，金額將達(dá)到30億規(guī)模/年。