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一种卫生间综合型即热供热水系统设计研究

作者:未知

  摘 要:针对普通家庭卫生间用水的“热等待”和多点热水使用问题,在保留厨房原燃气式热水器基础上,通过增加“小卫宝”、冷热水混合控制器及少许管道,设计出一种综合型即热供热水系统方案,搭建了模拟实验模型,并对节水量、小卫宝参数及改造成本进行了计算分析,表明该系统合理可行,经济节省地解决了该问题,实现了水资源的有效利用。
  关键词:卫生间;综合型;即热;供热;水系统设计
  中图分类号:TM925.12 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2019)09-0144-03
  0 引言
  目前,在我国广大地区家庭中普遍存在这样的现象,燃气式热水器安装在厨房中,通过预埋在墙体内的给排水管道与卫生间的洗漱盆、淋浴器和浴缸等卫浴洁具相连接,提供卫生间洗漱所需的热水,尤其是在我国北方地区的冬天非常必要。由于部分居民建筑的厨房距离卫生间较远,可能相隔一个或以上的房间,使得卫生间每次使用热水时会有一个冷水到热水的“热等待”过程(等待时间跟排水管的长短成正比),使得热水体验感差,并导致水资源浪费。本文针对“热等待”问题,在对国内相关研究现状调研基础上,提出一种卫生间综合型即热供热水系统设计方案,同时根据卫生间用水量的多少对多点用水进行综合考虑,并搭建了模拟实验模型,并对节水量、小卫宝参数及改造成本进行了计算分析。
  1 现状分析
  通过文献和市场调研,针对卫生间用水的“热等待”问题,主要有以下几种解决方法:
  (1)卫生间直接安装燃气式热水器。燃气式热水器使用过程中需要消耗大量氧气,而卫生间是相对封闭的空间,容易形成卫生间缺氧,可导致人员在洗澡过程的昏厥意外,因此这种方案不符合安全标准。
  (2)卫生间直接安装即热式电热水器。该方法具有方便、省时、不占空间、安全等优点,最大限度地减少热损耗,但是价格昂贵,尤其是对电表、电线的技术要求较高。即热式电热水器的功率通常在5KW-10KW左右(南方地区洗澡一般用5KW就足够了,北方则要8KW以上),再加上家中其它用电器,至少需要40A-50A的电流。因此必须铺设截面积不小于4平方毫米的专线和安装大额定电流的电表,这对一般家庭而言特别繁琐。
  (3)换用即热式燃气热水器。目前,即热式热水器主要有烟道式、强排式、恒温式和冷凝式。烟道式热水器能效等级为3级,现处于淘汰期。强排式热水器燃烧效率较高,能效等级为2级。恒温式热水器可以在小水量、低水压情况下正常启动工作,节约了水和燃气,现为主流机型。冷凝式热水器高效节能,能效等级为1级。以上方式都能提升热水器效能,加快热水出水速度,但由于未直接涉及余水管的处理,因此不能真正解决热等待问题。
  (4)换用“即开即热”式燃气热水器。这种燃气热水器可采用两种技术方案。一种是在原燃气热水器出水口处安装出水管、循环水泵和回水管的闭合回路,将管中的余水送回热水器二次加热,但新装管道会浪费室内空间,比较繁琐。另一种是将特制的水泵预设于燃气热水器内部,将管道内的余水循环回热水器内,进行加热再送回管道。以上两种方案都解决了热等待问题,但是价格昂贵,从6千到1万多。当然,也可单独购买一个水循环泵,但要求必须与原燃气热水器能配合安装使用。
  (5)2015年黎剑豪等人提出《一种零冷水即热供热水系统》的专利,该专利未对卫生间日常生活各种类型的热水使用需求进行综合考量。
  (6)2017年华北理工大学研究生创新项目提出一种浴室热水器恒温延时节水PLC控制系统方案,该方案需新装水箱,存在浪费卫生间空间的问题。
  2 水系统设计方案
  2.1 小卫宝概念
  基于本文提出的一种卫生间综合型即热供热水系统设计方案,“小卫宝”就是一种安装在卫生间的小容积贮水式电热水器,结合给排水管道和冷热水混合控制器,与安装在厨房的燃气式热水器配合使用,解决热等待和卫生间多点热水使用问题。小卫宝可提供三種工作模式,满足不同家庭需求。(1)全天模式:适用于每天随时都有热水使用的家庭。选择该模式时,小卫宝会对内部的水温可进行实时监测,一旦低于设定温度,就会启动工作,重新加热,保证水温恒定。(2)定时模式:适用于每天热水使用需求比较固定的家庭。选择该模式时,小卫宝会根据设定时段每天定时启动工作,保证该时段每天都有热水使用。(3)单次模式:适用于每天热水使用需求不固定的家庭。选择该模式时,每次使用热水时提前开启小卫宝,热水使用完毕后关闭小卫宝。这种模式更随性,随开随用。
  2.2 水系统设计方案
  本文提出的一种卫生间综合型即热供热水系统设计方案见图1。该水系统由安装在厨房的燃气式热水器(1)卫生间的小卫宝;(2)洗漱盆;(3)冷热水混合控制器;(4)淋浴花洒;(5)冷/热给排水管组成。其中,小卫宝给水管与热水器给水管和洗漱盆冷水给水管相连通。小卫宝排水管与洗漱盆和混合控制器热水给水管相连通。热水器排水管与混合控制器给水管相连通。混合控制器排水管与淋浴花洒给水管相连通,提供洗澡所需热水。图2为该水系统方案的模拟实验模型。
  2.3 水系统工作原理
  根据图1,当卫生间洗澡需要使用热水时,打开开关K1和K2,并开启小卫宝和厨房的燃气式热水器。当小卫宝内水温达到设定温度时,同时打开开关K4和K6,此时,小卫宝排水管提供的热水通过A端流入混合控制器。热水器排水管中的余水(冷水)经中转房间通过B端流入混合控制器。当开启淋浴花洒时,上述两股水混合成为温水经淋浴花洒流出供洗澡使用。此时厨房中的燃气式热水器已经启动工作,当燃气热水器工作一段时间后,B端流入的水由冷水变成热水,此时,混合控制器内部的温度传感器感应到B端流入的水达到设定温度时带动滑动模块关闭A端的进水,仅由热水器提供洗澡所用的热水,由此实现洗澡用水时的即开即热功能。
  当卫生间洗漱盆需要少量热水进行简单的洗漱行为,如洗头、洗脸、洗手、漱口、刷牙和小件衣物清洗时,只需小卫宝工作即可,不需启动远处厨房的燃气式热水器,达到方便快捷和节能节水目的。   2.4 计算分析
  (1)余水体积及节水量计算。余水体积与水管外径、壁厚和长度有关。设热水器排水管外径为D,单位mm;水管壁厚为t,单位mm;水管长度为l,单位m,余水体积为V0,单位L,则V0可按(1)式进行近似计算。
  (1)
  假设热水器排水管规格为DN20,外径为20mm,壁厚为3.4mm,根据(1)式计算,表1给出不同水管长度时余水体积计算结果。
  根据热水器排水管内的余水体积计算结果,以某普通家庭为例,对每年可节约的水量进行计算。考虑淋浴管长度,取水管总长度为20m,假定某家庭平均每周使用热水器次数为n次,每年为52周,表2给出某家庭每周使用热水器不同次数时,平均周节水量与年节水量的计算结果。
  (2)小卫宝性能参数计算。根据本文提出的水系统设计方案及上面的计算分析,小卫宝选择一种小容积全封闭贮水式电热水器,其主要性能参数有贮水容积、最高水温及功率,下面就这几项参数进行分析计算。
  综合考虑普通居民住宅厨房与卫生间的结构布局,设热水器排水管的长度为20m,由表1知余水体积为2.74L。同时,考虑洗澡过程中的间歇式停顿和同一时段多人次洗澡等因素影响,确定小卫宝的贮水容积为6L左右比较合适。
  结合图1,设小卫宝排水管的水温为TA,热水器排水管的水温为TB,冷热水混合控制器排水管的水温为TC,在不考虑热损耗情况下,冷热水混合后热水放出的热量等于冷水吸收的热量,因此,有下面的计算公式:
  (2)
  公式(2)中,vA为小卫宝排水管的水流速度;vB为热水器排水管的水流速度;SA为小卫宝排水管的内截面积;SB为热水器排水管的内截面积。
  假定洗澡时人体最舒适的温度为40℃,且小卫宝和热水器排水管的内径及水流速度相同,根据公式(2)计算,表3给出小卫宝内热水温度TA与热水器排水管内冷水温度TB计算结果。因此,小卫宝的最高加热温度选择为75℃较合适。
  小卫宝内冷水加热成一定温度热水所吸收的热量Q吸可按(3)式进行计算:
  Q吸=c水ρ水V(T1-T2)                          (3)
  公式(3)中,c水为水的比热容,取值为4.2×103J/(kg·℃);ρ水为水的密度,取值为1.0×103kg/m3;V为小卫宝贮水容积,单位为L;T1为热水温度;T2为冷水温度。
  假定热水温度T1=75℃,冷水温度T2=5℃,小卫宝贮水容积V=6L,根据(3)式计算可得Q吸为1.764×106J。若选用功率为1500W的小卫宝,计算可得所需加热时间为1.764×106/(1500×60)=19.6分钟。因此,选择1500W的小卫宝比较合理。
  (3)可行性及经济性分析。该水系統方案可在原燃气式热水器基础上,通过在卫生间增加小卫宝、冷热水混合控制器及少量水管进行简单改装,即可实现。系统各部件可全部通过市场采购解决,且所有部件均采用水暖标准件,具体价格预算见表4。
  因此,该解决方案经济节省,成本累计在1000元以内。
  3 结语
  本文针对“热等待”问题,在对国内相关研究现状调研基础上,提出一种卫生间综合型即热供热水系统设计方案,同时根据卫生间用水量的多少对多点用水进行综合考虑,并搭建了模拟实验模型。结果表明该项目经济节省地解决普通家庭卫生间“热等待”和多点热水使用问题,实现了有效利用水资源,让节能减排进社区以追求低碳环保的生活方式。这对相关类似问题的研究与解决具有一定的参考价值和指导意义。
  参考文献
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论文来源:《中国科技纵横》 2019年9期
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