一種衛生間綜合型即熱供熱水系統設計研究
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摘 要：針對普通家庭衛生間用水的“熱等待”和多點熱水使用問題，在保留廚房原燃氣式熱水器基礎上，通過增加“小衛寶”、冷熱水混合控制器及少許管道，設計出一種綜合型即熱供熱水系統方案，搭建了模擬實驗模型，并對節水量、小衛寶參數及改造成本進行了計算分析，表明該系統合理可行，經濟節省地解決了該問題，實現了水資源的有效利用。
關鍵詞：衛生間;綜合型;即熱;供熱;水系統設計
中圖分類號：TM925.12 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0144-03
0 引言
目前，在我國廣大地區家庭中普遍存在這樣的現象，燃氣式熱水器安裝在廚房中，通過預埋在墻體內的給排水管道與衛生間的洗漱盆、淋浴器和浴缸等衛浴潔具相連接，提供衛生間洗漱所需的熱水，尤其是在我國北方地區的冬天非常必要。由于部分居民建筑的廚房距離衛生間較遠，可能相隔一個或以上的房間，使得衛生間每次使用熱水時會有一個冷水到熱水的“熱等待”過程（等待時間跟排水管的長短成正比），使得熱水體驗感差，并導致水資源浪費。本文針對“熱等待”問題，在對國內相關研究現狀調研基礎上，提出一種衛生間綜合型即熱供熱水系統設計方案，同時根據衛生間用水量的多少對多點用水進行綜合考慮，并搭建了模擬實驗模型，并對節水量、小衛寶參數及改造成本進行了計算分析。
1 現狀分析
通過文獻和市場調研，針對衛生間用水的“熱等待”問題，主要有以下幾種解決方法：
?。?）衛生間直接安裝燃氣式熱水器。燃氣式熱水器使用過程中需要消耗大量氧氣，而衛生間是相對封閉的空間，容易形成衛生間缺氧，可導致人員在洗澡過程的昏厥意外，因此這種方案不符合安全標準。
?。?）衛生間直接安裝即熱式電熱水器。該方法具有方便、省時、不占空間、安全等優點，最大限度地減少熱損耗，但是價格昂貴，尤其是對電表、電線的技術要求較高。即熱式電熱水器的功率通常在5KW-10KW左右（南方地區洗澡一般用5KW就足夠了，北方則要8KW以上），再加上家中其它用電器，至少需要40A-50A的電流。因此必須鋪設截面積不小于4平方毫米的專線和安裝大額定電流的電表，這對一般家庭而言特別繁瑣。
?。?）換用即熱式燃氣熱水器。目前，即熱式熱水器主要有煙道式、強排式、恒溫式和冷凝式。煙道式熱水器能效等級為3級，現處于淘汰期。強排式熱水器燃燒效率較高，能效等級為2級。恒溫式熱水器可以在小水量、低水壓情況下正常啟動工作，節約了水和燃氣，現為主流機型。冷凝式熱水器高效節能，能效等級為1級。以上方式都能提升熱水器效能，加快熱水出水速度，但由于未直接涉及余水管的處理，因此不能真正解決熱等待問題。
?。?）換用“即開即熱”式燃氣熱水器。這種燃氣熱水器可采用兩種技術方案。一種是在原燃氣熱水器出水口處安裝出水管、循環水泵和回水管的閉合回路，將管中的余水送回熱水器二次加熱，但新裝管道會浪費室內空間，比較繁瑣。另一種是將特制的水泵預設于燃氣熱水器內部，將管道內的余水循環回熱水器內，進行加熱再送回管道。以上兩種方案都解決了熱等待問題，但是價格昂貴，從6千到1萬多。當然，也可單獨購買一個水循環泵，但要求必須與原燃氣熱水器能配合安裝使用。
（5）2015年黎劍豪等人提出《一種零冷水即熱供熱水系統》的專利，該專利未對衛生間日常生活各種類型的熱水使用需求進行綜合考量。
（6）2017年華北理工大學研究生創新項目提出一種浴室熱水器恒溫延時節水PLC控制系統方案，該方案需新裝水箱，存在浪費衛生間空間的問題。
2 水系統設計方案
2.1 小衛寶概念
基于本文提出的一種衛生間綜合型即熱供熱水系統設計方案，“小衛寶”就是一種安裝在衛生間的小容積貯水式電熱水器，結合給排水管道和冷熱水混合控制器，與安裝在廚房的燃氣式熱水器配合使用，解決熱等待和衛生間多點熱水使用問題。小衛寶可提供三種工作模式，滿足不同家庭需求。（1）全天模式：適用于每天隨時都有熱水使用的家庭。選擇該模式時，小衛寶會對內部的水溫可進行實時監測，一旦低于設定溫度，就會啟動工作，重新加熱，保證水溫恒定。（2）定時模式：適用于每天熱水使用需求比較固定的家庭。選擇該模式時，小衛寶會根據設定時段每天定時啟動工作，保證該時段每天都有熱水使用。（3）單次模式：適用于每天熱水使用需求不固定的家庭。選擇該模式時，每次使用熱水時提前開啟小衛寶，熱水使用完畢后關閉小衛寶。這種模式更隨性，隨開隨用。
2.2 水系統設計方案
本文提出的一種衛生間綜合型即熱供熱水系統設計方案見圖1。該水系統由安裝在廚房的燃氣式熱水器（1）衛生間的小衛寶;（2）洗漱盆;（3）冷熱水混合控制器;（4）淋浴花灑;（5）冷/熱給排水管組成。其中，小衛寶給水管與熱水器給水管和洗漱盆冷水給水管相連通。小衛寶排水管與洗漱盆和混合控制器熱水給水管相連通。熱水器排水管與混合控制器給水管相連通。混合控制器排水管與淋浴花灑給水管相連通，提供洗澡所需熱水。圖2為該水系統方案的模擬實驗模型。
2.3 水系統工作原理
根據圖1，當衛生間洗澡需要使用熱水時，打開開關K1和K2，并開啟小衛寶和廚房的燃氣式熱水器。當小衛寶內水溫達到設定溫度時，同時打開開關K4和K6，此時，小衛寶排水管提供的熱水通過A端流入混合控制器。熱水器排水管中的余水（冷水）經中轉房間通過B端流入混合控制器。當開啟淋浴花灑時，上述兩股水混合成為溫水經淋浴花灑流出供洗澡使用。此時廚房中的燃氣式熱水器已經啟動工作，當燃氣熱水器工作一段時間后，B端流入的水由冷水變成熱水，此時，混合控制器內部的溫度傳感器感應到B端流入的水達到設定溫度時帶動滑動模塊關閉A端的進水，僅由熱水器提供洗澡所用的熱水，由此實現洗澡用水時的即開即熱功能。
當衛生間洗漱盆需要少量熱水進行簡單的洗漱行為，如洗頭、洗臉、洗手、漱口、刷牙和小件衣物清洗時，只需小衛寶工作即可，不需啟動遠處廚房的燃氣式熱水器，達到方便快捷和節能節水目的。 2.4 計算分析
（1）余水體積及節水量計算。余水體積與水管外徑、壁厚和長度有關。設熱水器排水管外徑為D，單位mm;水管壁厚為t，單位mm;水管長度為l，單位m，余水體積為V0，單位L，則V0可按（1）式進行近似計算。
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假設熱水器排水管規格為DN20，外徑為20mm，壁厚為3.4mm，根據（1）式計算，表1給出不同水管長度時余水體積計算結果。
根據熱水器排水管內的余水體積計算結果，以某普通家庭為例，對每年可節約的水量進行計算?？紤]淋浴管長度，取水管總長度為20m，假定某家庭平均每周使用熱水器次數為n次，每年為52周，表2給出某家庭每周使用熱水器不同次數時，平均周節水量與年節水量的計算結果。
（2）小衛寶性能參數計算。根據本文提出的水系統設計方案及上面的計算分析，小衛寶選擇一種小容積全封閉貯水式電熱水器，其主要性能參數有貯水容積、最高水溫及功率，下面就這幾項參數進行分析計算。
綜合考慮普通居民住宅廚房與衛生間的結構布局，設熱水器排水管的長度為20m，由表1知余水體積為2.74L。同時，考慮洗澡過程中的間歇式停頓和同一時段多人次洗澡等因素影響，確定小衛寶的貯水容積為6L左右比較合適。
結合圖1，設小衛寶排水管的水溫為TA，熱水器排水管的水溫為TB，冷熱水混合控制器排水管的水溫為TC，在不考慮熱損耗情況下，冷熱水混合后熱水放出的熱量等于冷水吸收的熱量，因此，有下面的計算公式：
（2）
公式（2）中，vA為小衛寶排水管的水流速度;vB為熱水器排水管的水流速度;SA為小衛寶排水管的內截面積;SB為熱水器排水管的內截面積。
假定洗澡時人體最舒適的溫度為40℃，且小衛寶和熱水器排水管的內徑及水流速度相同，根據公式（2）計算，表3給出小衛寶內熱水溫度TA與熱水器排水管內冷水溫度TB計算結果。因此，小衛寶的最高加熱溫度選擇為75℃較合適。
小衛寶內冷水加熱成一定溫度熱水所吸收的熱量Q吸可按（3）式進行計算：
Q吸=c水ρ水V（T1-T2） （3）
公式（3）中，c水為水的比熱容，取值為4.2×103J/（kg·℃）;ρ水為水的密度，取值為1.0×103kg/m3;V為小衛寶貯水容積，單位為L;T1為熱水溫度;T2為冷水溫度。
假定熱水溫度T1=75℃，冷水溫度T2=5℃，小衛寶貯水容積V=6L，根據（3）式計算可得Q吸為1.764×106J。若選用功率為1500W的小衛寶，計算可得所需加熱時間為1.764×106/（1500×60）=19.6分鐘。因此，選擇1500W的小衛寶比較合理。
?。?）可行性及經濟性分析。該水系統方案可在原燃氣式熱水器基礎上，通過在衛生間增加小衛寶、冷熱水混合控制器及少量水管進行簡單改裝，即可實現。系統各部件可全部通過市場采購解決，且所有部件均采用水暖標準件，具體價格預算見表4。
因此，該解決方案經濟節省，成本累計在1000元以內。
3 結語
本文針對“熱等待”問題，在對國內相關研究現狀調研基礎上，提出一種衛生間綜合型即熱供熱水系統設計方案，同時根據衛生間用水量的多少對多點用水進行綜合考慮，并搭建了模擬實驗模型。結果表明該項目經濟節省地解決普通家庭衛生間“熱等待”和多點熱水使用問題，實現了有效利用水資源，讓節能減排進社區以追求低碳環保的生活方式。這對相關類似問題的研究與解決具有一定的參考價值和指導意義。
參考文獻
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