王國(guó)芳 孫強(qiáng) 于水生

(青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101)

1 引言

隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和“城鎮(zhèn)化”進(jìn)程的加快，消費(fèi)者生活中對(duì)熱水的需求越來越大，提供熱水產(chǎn)生的能耗在普通消費(fèi)者的日常生活中的能耗占比越來越大。熱水器的節(jié)能問題日益受到人們的重視。

通常，居民用熱水主要是通過熱水器來提供，熱水器目前主要有電熱水器、太陽能熱水器、燃?xì)鉄崴骱蜔岜脽崴鞯榷喾N產(chǎn)品，由于電能普及率高、電熱水器外形尺寸小、占用安裝空間小、安裝使用方便等多種原因，電熱水器的占比很大，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)算目前中國(guó)電熱水器保有量在7000萬臺(tái)左右。在國(guó)家確定將低碳經(jīng)濟(jì)作為發(fā)展新動(dòng)力的背景下，節(jié)能、環(huán)保已經(jīng)成為各行業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)。電熱水器行業(yè)已經(jīng)開始向節(jié)能、環(huán)保方向轉(zhuǎn)型。

2 問題分析

傳統(tǒng)意義上，電熱水器的節(jié)能主要分三個(gè)方面，一是通過充分、動(dòng)態(tài)和即時(shí)的加熱方式節(jié)能；二是降低損耗保溫過程中的節(jié)能；三是對(duì)用水情況分類，通過建模、程序設(shè)定節(jié)能。

(1)加熱過程中的節(jié)能

主要通過變換加熱管的加熱方式，如使用不同的功率組合，或者是改變加熱管的排布位置，如加熱管下潛式排布、分層式排布、出水口處排布等；即時(shí)加熱主要是邊使用邊加熱。

(2)降低損耗保溫過程中的節(jié)能

主要通過發(fā)泡技術(shù)、發(fā)泡材料選用和保溫層厚度的優(yōu)化來達(dá)到節(jié)能的目的，目前普遍采用聚氨酯整體發(fā)泡技術(shù)，1級(jí)能效的發(fā)泡層的厚度也達(dá)到40mm，對(duì)于產(chǎn)品的散熱點(diǎn)實(shí)施二次保溫措施，如包裹保溫材料等，進(jìn)一步提升的空間不大。

(3)對(duì)用水情況分類，通過建模、程序設(shè)定節(jié)能

主要是通過在熱水器上增加多種傳感器，根據(jù)消費(fèi)者用水溫度和用水量，結(jié)合自來水水溫和洗浴時(shí)的流量，熱水器自動(dòng)計(jì)算，選擇最優(yōu)的加熱模式。如少量用水，可以選擇“生活熱水”模式；一人洗浴選擇“一人洗”模式；兩人洗浴選擇“兩人洗”模式；峰底電費(fèi)低，可以選擇“夜電加熱”模式；等等。

除此之外，是否還有其他途徑節(jié)能？通過分析發(fā)現(xiàn)，消費(fèi)者洗浴后排走的洗浴廢水溫度在36℃左右，如果能將洗浴廢水的熱量循環(huán)再利用，也可以節(jié)能。要實(shí)現(xiàn)洗浴廢水熱量循環(huán)再利用的目標(biāo)，可行的技術(shù)方案有兩種：第一種方案是對(duì)洗浴廢水過濾回收，將洗浴廢水中的頭發(fā)、皮屑和洗浴污垢等過濾處理后再使用這部分熱水；第二種方案是將洗浴廢水的熱量再利用，通過熱交換來加熱洗浴冷水，由于兩種水的溫差很大，也為熱交換提供了必要條件，本文主要是探討第二種方案。

3 洗浴廢水熱量循環(huán)再利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理

通常按照自來水溫度是15℃，用戶洗澡的熱水40±1℃為例，熱水經(jīng)洗浴使用后，排走的洗浴廢水溫度仍然在35℃左右。也就是說，電熱水器將冷水從15℃加熱到40℃，溫升提高了25℃，但是人體其實(shí)只利用了其中的5℃（40℃-35℃=5℃），其余20℃水溫差的熱量就白白浪費(fèi)了，浪費(fèi)率高達(dá)80%。循環(huán)再利用產(chǎn)品就是遵循熱交換原理利用這部分浪費(fèi)的熱量對(duì)洗浴冷水加熱，從而達(dá)到節(jié)能的效果,目前主要分為盤管式和板式換熱器兩種。板式換熱器主要用在鍋爐上面，換熱效率高，但工藝復(fù)雜，其組成如圖1所示。

循環(huán)再利用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理是：按照熱交換的原理，當(dāng)兩種存在溫差的物質(zhì)在一起時(shí)，兩種不同溫度（自來水為15℃，洗浴廢水35℃）的物質(zhì)將利用傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射進(jìn)行熱量交換，如果時(shí)間充裕，兩者將充分進(jìn)行熱量交換，直至溫度相等為止。同時(shí)結(jié)合人體學(xué)設(shè)計(jì)，兼顧承重、美觀、安裝和質(zhì)量可靠性的多個(gè)指標(biāo)來設(shè)計(jì)循環(huán)再利用產(chǎn)品。

4 循環(huán)再利用產(chǎn)品應(yīng)用原理及產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

4.1 循環(huán)再利用產(chǎn)品應(yīng)用原理

通常，消費(fèi)者洗浴時(shí)通過混水閥將熱水和冷水混合到適宜洗浴的溫度，混水閥熱水口直接接熱水器的熱水，混水閥的冷水口直接接自來水。使用該產(chǎn)品的熱水器需要將經(jīng)該產(chǎn)品提升了一定溫度的冷水直接接到混水閥的冷水口，然后和熱水混合，連接原理圖如圖2所示。

通過圖2可以看出：洗浴時(shí)，洗浴廢水順著人體流到節(jié)能魔方上，冷水分成兩路，一路直接進(jìn)入熱水器，在熱水器中進(jìn)行加熱；另一路則是進(jìn)入盤管式換熱器，經(jīng)過換熱后，從換熱器中出來的水就變成了溫水。溫水通過混合閥與熱水器中的熱水進(jìn)行混合，滿足洗浴要求。

表1 304不銹鋼性能表

4.2 循環(huán)再利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

結(jié)合專利號(hào)為ZL 2010 2 0672452.1的《廢水余熱回收產(chǎn)品及其熱水器》專利，余熱回收產(chǎn)品見圖3，該產(chǎn)品至少需要具備下述功能：

(1)可以將洗浴廢水充分收集在一起，有足夠的承重能力，且防滑。

(2)水路連接方便，安裝簡(jiǎn)單、質(zhì)量可靠。

(3)美觀、便于清潔和收納，最好可以折疊不占用空間。

(3)能夠充分換熱，有良好的換熱效果。

(4)外形可方可圓，也可以是異形，但要便于加工制造。

4.3 循環(huán)再利用產(chǎn)品的盤管式換熱器設(shè)計(jì)

循環(huán)再利用產(chǎn)品的換熱器是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的核心部件，換熱器的具體結(jié)構(gòu)實(shí)施方案有很多種，綜合考慮選用盤管式換熱器。盤管式換熱器內(nèi)部是由304不銹鋼管盤繞而成，通過鑄鋁工藝外部用鋁完全覆蓋，在鑄鋁的表面采用凹凸設(shè)計(jì)，目的是為了最大限度的增加水與鋁之間熱交換的表面積，延長(zhǎng)換熱時(shí)間，充分換熱，不銹鋼管按圖4所示進(jìn)行盤繞。

304 不銹鋼是應(yīng)用最為廣泛的一種鉻-鎳不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性。具有良好的加工性能，適合用于盤管式換熱器。其性能參數(shù)表如表1所示，之所以采用304不銹鋼，是因其最大的優(yōu)點(diǎn)是良好的耐腐蝕性，可以適應(yīng)中國(guó)不同地區(qū)不同水質(zhì)的要求。

外部之所以采用鑄鋁的方式，是因?yàn)殇X的導(dǎo)熱能力強(qiáng)，比鐵大三倍，而且在金屬中，鋁的比熱容較高，為0.88×103 J/(kg·℃)。在同樣的溫差下，吸收的熱量多。與鐵相比，它還不易銹蝕，使用壽命較長(zhǎng)。

表2 節(jié)能量測(cè)試結(jié)果

表3 加熱效率測(cè)試結(jié)果

5 循環(huán)再利用產(chǎn)品節(jié)能效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了測(cè)試此余熱回收產(chǎn)品的節(jié)能性能，特進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)，分別從省電量和加熱速度提升率兩個(gè)方面來進(jìn)行測(cè)試。

5.1 省電量試驗(yàn)方法

(1)將熱水器按照?qǐng)D2所示連接好，帶余熱回收節(jié)能魔方模塊。環(huán)境溫度：20±1℃，濕度不高于85%。

(2)熱水器通入水溫度θ=5±1℃，熱水器通滿水后開機(jī)設(shè)置機(jī)器為一人洗狀態(tài)并開始加熱。

(3)加熱完畢后，在噴頭噴灑流量為7L/min情況下連續(xù)放水，并將放出的水收集起來，水溫保持在θ=41±1℃，當(dāng)水溫?zé)o法達(dá)到θ=41±1℃時(shí)停止放水的收集，對(duì)收集到的水進(jìn)行稱重記錄M(單位克g)。

(4)試驗(yàn)同時(shí)用功率儀記錄整個(gè)過程中熱水器相應(yīng)耗電量Q (單位千瓦時(shí)kWh)。

(5)將熱水器按不帶余熱回收模塊連接好，重復(fù)以上1、2、3、4測(cè)試，并記錄相應(yīng)水的重量為M 、耗電量為Q。

(6)入水溫度分別更改為θr =15±1℃、θ=20±1℃，重復(fù)以上1、2、3、4、5步驟測(cè)試。

(7)電節(jié)省量計(jì)算公式：

式中：

E :θ入水情況下節(jié)省電量，單位為千瓦時(shí)（kWh）；

φ：水的比熱容，單位焦耳每克攝氏度(J/g.℃)，取值4.2J/g.℃。

電節(jié)省率計(jì)算公式：

式中：

μ ：θ為入水情況下省電率，以百分?jǐn)?shù)表示（%）。

通過以上計(jì)算公式，對(duì)帶和不帶余熱回收模塊的耗電量分別測(cè)試，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出測(cè)試結(jié)果如表2所示。

通過表2可以看出，在平均進(jìn)水溫度為5.1℃，15.2℃和20.1℃的不同進(jìn)水溫度下，帶余熱回收模塊的測(cè)試結(jié)果都明顯優(yōu)于不帶余熱回收模塊的普通熱水器的測(cè)試結(jié)果。由此可以證明，余熱回收模塊可以有效地節(jié)省電量，而且最高電節(jié)省率高達(dá)18.7%，節(jié)能效果顯著。

5.2 加熱速度提升率

5.2.1 試驗(yàn)方法

(1)將熱水器按照不帶余熱回收模塊的方式連接好，環(huán)境溫度：20±1℃，濕度不高于85%。

(2)熱水器通入水溫度θr =5±1℃，熱水器通滿水后開機(jī)設(shè)置機(jī)器為三人洗狀態(tài)，并開始加熱。

(3)加熱完畢后，記錄整個(gè)加熱過程所需要的時(shí)間T ，在噴頭噴灑流量為7L/min情況下連續(xù)放水，并將放出的水收集起來，水溫保持在θ=40±1℃，當(dāng)水溫?zé)o法達(dá)到θ=40±1℃時(shí)停止放水的收集，對(duì)收集到的水進(jìn)行稱重記錄M (單位千克kg)。

(4)將熱水器按照?qǐng)D2所示帶余熱回收模塊連接好。

(5)熱水器通入水溫度θ=5±1℃，熱水器通滿水后開機(jī)設(shè)置機(jī)器為三人洗狀態(tài)并開始加熱。

(6)當(dāng)加熱溫度到某一溫度時(shí)記錄整個(gè)加熱過程所需要的時(shí)間T （單位分鐘min）,在噴頭噴灑流量為7L/min情況下連續(xù)放水，并將放出的水收集起來，水溫保持在θ=40±1℃，當(dāng)水溫?zé)o法達(dá)到θ=40±1℃時(shí)停止放水的收集，對(duì)收集到的水進(jìn)行稱重記錄M （單位千克kg）。

(7)當(dāng)M= M ±5kg時(shí)，取此時(shí)T值。

(8)將入水溫度設(shè)置為θ=15±1℃、θ=20±1℃，重復(fù)以上1、2、3、4、5、6、7步驟測(cè)試。

(9)加熱速度提升率計(jì)算公式：

式中：

ψ ：入水溫度θ下加熱速度提升率，以百分?jǐn)?shù)表示（%）。

通過以上實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)有余熱回收模塊和無余熱回收模塊的熱水輸出量的測(cè)試，以及對(duì)其加熱時(shí)間的測(cè)量，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

通過表3的測(cè)試結(jié)果可以看出，余熱回收模塊可以有效地提高加熱速度，最高可達(dá)23.9%。

6 結(jié)束語

通過以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以證明，該產(chǎn)品具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，最高電節(jié)省率高達(dá)18.7%；同時(shí)可以有效地提高加熱速度，最高可以提升23.9%。因此無論從環(huán)保、節(jié)能減排角度還是從使用便利性角度來看，余熱回收技術(shù)都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。電熱水器與余熱回收技術(shù)的結(jié)合也將是未來的發(fā)展趨勢(shì)之一。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以預(yù)見，在不久的將來，配套使用洗浴廢水循環(huán)再利用產(chǎn)品的熱水器會(huì)越來越多，并推動(dòng)整個(gè)熱水產(chǎn)品行業(yè)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。