淋浴熱水余熱回收的應用與研究

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。 

當人們以淋浴方式進行洗浴時，洗浴熱水（大約為40~43℃）從上至*經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℃，進水水溫為15℃，那么每分鐘浪費的能量就相當于4.2Kw；若進水溫度為5℃，則相當于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、銷售小功率熱水器可降低其生產成本和銷售價格。 

二、開發(fā)思路 

換熱器，在石油、化工等工業(yè)領域的使用已經有超過100年的歷史了。但要想將換熱器搬進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℃的自來水經換熱后達到25℃，那么換熱器的換熱效率/功率應達到或超過7KW；假設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應超過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，導致換熱效率降低甚至失效。因此，換熱器應有相應的過濾功能，且容易拆卸清洗； 

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

事實上，現有的涉及浴室使用的換熱器，大多屬將現有的普通工業(yè)換熱器結構照搬進入浴室，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》的設計則過于復雜，使用了過多的材料，卻沒有能相應地增加有效的換熱面積，并且該設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)上應用的換熱器照搬進家庭浴室中使用，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，可進行逆流換熱、能滿足低溫差換熱的需要；同時，帶模塊化結構的過濾器、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，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、至邊緣流出，從而以逆流的方式實現低溫差換熱。（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。 

本換熱器與現有換熱器的設計比較有以下優(yōu)點： 

（1）兩個上冷下熱分層的螺旋形流體通道，增強換熱過程中水的對流以及紊流（強制對流），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用環(huán)境。 

（2）換熱面是一整塊金屬薄板制成，加強傳熱效果的同時，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、流量流速等因素導致被預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計成靠出水口處設置的虹吸管產生，或由安全電壓驅動的電磁泵產生，還可以參考汽車發(fā)動機廢氣渦輪增壓的原理和思路，專門設計一個由自來水驅動的增壓器驅動廢水的排放。 

（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升級。 

（6）以沖壓方式在一平方米面積內制成兩個15~20m長（甚至達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.設計計算效果 

在各種類型換熱器中，傳熱系數最高的為板式換熱器。板式換熱器的傳熱系數一般在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1500厘米（15米），根據熱傳遞原理，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。 

將本換熱器的熱轉換按板式換熱器計算，即使按較低傳熱系數2000W/m2k，一平方米的換熱面積，5度溫差則可達到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，經換熱后自來水升至25℃所需7KW，換熱器的傳熱系數須超過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），則每人每年洗澡約150次，耗電300度，150元電費；戶均按3人計算，每個家庭每年洗澡的能耗近900度，根據現在的電價，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，則實際購買淋浴設備的總費用遠遠低于一年的電價。 

從長遠來看，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)省的能源費用超過1350元。從整個國家來講，中國熱水器（包括燃氣、電熱水器）市場規(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，市場容量應接近熱水器，金額將達到30億規(guī)模/年。