校園宿舍洗浴隔間熱環(huán)境測(cè)試及洗浴用水熱損失分析

賈 燾,呂留根,張文連,賈前前,呂 瑾,夏珍珍,張宇帆,李放放,谷志攀

(嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院,浙江 嘉興 314001)

校園宿舍洗浴隔間熱環(huán)境測(cè)試及洗浴用水熱損失分析

賈 燾,呂留根,張文連,賈前前,呂 瑾,夏珍珍,張宇帆,李放放,谷志攀

(嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院,浙江 嘉興 314001)

南方地區(qū)宿舍廣泛使用空氣源熱泵熱水器生產(chǎn)洗浴熱水,在此，對(duì)學(xué)生宿舍洗浴隔間熱環(huán)境和洗浴熱水溫度在兩個(gè)工況下的情況進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明：洗澡過程中洗浴用水的熱散失對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有顯著改善,但同時(shí)洗浴用水存在大量的無效熱損失。

南方地區(qū)；學(xué)生宿舍建筑；洗浴熱環(huán)境；洗浴熱損失

能源消耗過度是當(dāng)今世界發(fā)展的一個(gè)重大問題,尤其是在如今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,及人們生活品質(zhì)的不斷提高背景下,為滿足舒適的要求,人們對(duì)于生活熱水需求也在不斷增加,建筑熱水能耗也越來越大[1-5]。隨著科技創(chuàng)新和全球綠色發(fā)展理念的提出,空氣源熱泵熱水器作為繼燃?xì)?、電能、太陽能之后的第四代熱水器具有低能耗、高效率、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2]。空氣源熱泵熱水器吸收空氣中的低品位能,每年可節(jié)約60%～70%的能源[6]。一般來說,燃?xì)鉄崴鞯哪苄П葹?.85,電熱水器的能效比為0.95,而空氣源熱水器的能效比可達(dá)到3.5～4,加之空氣源熱泵熱水器在日常使用中不受空氣溫度的影響,其應(yīng)用范圍十分廣泛,發(fā)展前景十分可觀[7-8]。

南方地區(qū)的校園宿舍建筑廣泛采用空氣源熱泵熱水器生產(chǎn)洗浴熱水,洗浴后熱水仍具有較高溫度,但大多直接排放,造成能源浪費(fèi)。學(xué)生宿舍空氣源熱泵熱水系統(tǒng)由電控系統(tǒng)、空氣源熱泵機(jī)組、儲(chǔ)水箱、一次泵循環(huán)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),電控系統(tǒng)中溫感器測(cè)量水箱中水溫,若低于用戶所需水溫,則通過循環(huán)水泵將水箱中低溫水送入熱泵機(jī)組,生產(chǎn)的熱水進(jìn)入儲(chǔ)水箱,用戶打開淋浴開關(guān)即可獲得所需的熱水。本文對(duì)某高校學(xué)生宿舍空氣源熱泵熱水器洗澡熱水溫度和洗浴隔間空氣及壁面溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,利用實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)洗浴時(shí)熱環(huán)境進(jìn)行分析,并根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的熱水溫度分析洗浴用水的熱損失。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)概況與實(shí)驗(yàn)工況

學(xué)生在洗浴時(shí)一般根據(jù)熱感覺調(diào)節(jié)洗浴熱水流量,因此本實(shí)驗(yàn)測(cè)試根據(jù)學(xué)生洗澡時(shí)的習(xí)慣選擇兩個(gè)典型流量作為測(cè)試工況,以了解不同洗浴水流量下隔間熱環(huán)境與熱損失,實(shí)測(cè)工況見表1。學(xué)生宿舍洗浴隔間熱環(huán)境測(cè)點(diǎn)布置見圖1,經(jīng)測(cè)試,洗浴龍頭打開2～5 min,各測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在兩個(gè)不同流量工況下,對(duì)洗澡時(shí)隔間空氣與壁面溫度、各測(cè)點(diǎn)洗浴水溫度進(jìn)行測(cè)試。其中3個(gè)熱環(huán)境空氣溫度,分別是浴室外空氣溫度tw,浴室隔間上部空氣溫度ts,下部空氣溫度tx；5個(gè)浴室隔間壁面溫度,分別是浴室左隔板溫度t1,后壁面溫度t2,右隔板溫度t3,前壁面溫度t4,地板溫度t5,由以上3個(gè)空氣溫度和5個(gè)壁面溫度分析洗浴隔間熱環(huán)境。5個(gè)熱水溫度分別是出水溫度T1、水剛接觸身體時(shí)溫度T2、腳上溫度T3、地面水溫度T4、地漏水溫度T5(下文提到各溫度均由以上溫度符號(hào)表示),由5個(gè)熱水溫度分析得到洗浴熱水各個(gè)過程的熱損失狀況。

表1 實(shí)測(cè)工況描述

圖1 洗浴隔間熱環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

1.2 熱損失分析方法

由洗浴用水各階段的水溫測(cè)試值,分析其在使用過程的熱利用情況。自來水溫度通過空氣源熱泵熱水器加熱至洗浴溫度,洗浴用水相對(duì)自來水溫度獲得熱量Qz如式(1)所示：

Qz=MCP(T1-T6)

(1)

式(1)中：M為熱水出水流量,kg/s；Cp為水的比熱,取Cp=4.2 kJ/(kg·℃)；T1為空氣源熱泵加熱得到熱水溫度,℃；T6為自來水溫度,℃。

洗澡時(shí)洗浴熱水的熱量散失可分為4個(gè)階段,分別為出水到水剛接觸到身體、水接觸身體到流至地板、地板水到流至地漏、水流入地漏。各個(gè)階段洗浴用水熱損失Qs可由各個(gè)階段初始和結(jié)束時(shí)溫度計(jì)算,如式(2)所示：

Qs=MCP(Ti-Ti+1)

(2)

式(2)中：Ti、Ti+1為熱水流經(jīng)各階段始末溫度,℃。

洗浴熱水各個(gè)過程的熱損失率R通過熱水的出水后各個(gè)階段的散熱量Qs以及出水總熱量Qz計(jì)算獲得,如式(3)所示：

R=Qs/Qz

(3)

2 研究結(jié)果及分析

2.1 洗浴隔間熱環(huán)境測(cè)試及分析

對(duì)2個(gè)工況下洗浴隔間的空氣溫度和壁面溫度測(cè)試結(jié)果見圖2。由圖2可知：洗澡時(shí)洗浴隔間空氣溫度明顯高于隔間外空氣溫度。工況1時(shí)洗浴隔間外空氣溫度tw為9 ℃,而隔間內(nèi)上部空氣溫度ts為16 ℃,下部空氣溫度tx為20 ℃；工況2時(shí)洗浴隔間外空氣溫度tw為11 ℃,而隔間內(nèi)上部空氣溫度ts為16 ℃,下部空氣溫度tx為20 ℃。說明洗澡時(shí)洗浴熱水的熱散發(fā)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有顯著改善,從而提高了洗浴隔間的熱舒適,其中隔間內(nèi)下部空氣溫度高于上部空氣溫度,說明了熱水在浴室下部熱散失更多。

同時(shí),由圖2可以看出：洗浴隔間壁面溫度相差不大,地板溫度比壁面的平均溫度高5.9 ℃。工況1時(shí)洗浴隔間壁面溫度平均為18.8 ℃,地板溫度t5為23 ℃；工況2時(shí)洗浴隔間壁面平均溫度為18.4 ℃,地板溫度t5為26 ℃。這是由于洗澡時(shí)熱水流到地面后對(duì)地面?zhèn)鳠岬臒嵘⑹Ц哂跓崴蛳铝鞒鰰r(shí)對(duì)周圍隔間壁面?zhèn)鳠岬臒嵘⑹А?/p>

2.2 洗浴用水溫度測(cè)試及分析

洗浴時(shí)熱水流出后各個(gè)位置水溫測(cè)試結(jié)果見圖3,由圖3可知：從出水點(diǎn)開始直至流入地漏,各個(gè)測(cè)點(diǎn)水溫逐漸降低。工況1時(shí)洗浴用水出水溫度T1為41 ℃,洗浴過程中水溫由剛接觸身體時(shí)的溫度T2為39.5 ℃降至腳上水溫T3為35 ℃,而水流經(jīng)地面時(shí)由溫度T4為32 ℃降至地漏處水溫T5為30 ℃；同樣,工況2時(shí)洗浴用水出水溫度T1為41℃,洗浴過程中水溫由剛接觸身體時(shí)的溫度T2為39 ℃降至腳上水溫T3為35 ℃,而水流經(jīng)地面時(shí)由溫度T4為32 ℃降至地漏處水溫T5為29.5 ℃。由以上數(shù)據(jù)可以看出洗浴用水從出水流至地漏的過程中各階段熱水溫度變化,進(jìn)而可以分析洗浴用水在各個(gè)階段的有效利用情況及熱損失。

圖2 浴室隔間熱環(huán)境溫度各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖3 洗澡熱水出水后溫度各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果

2.3 洗浴用水熱損失分析

對(duì)于采用空氣源熱泵熱水器的浴室,在各階段的散熱量及相應(yīng)的散熱率見表2。

如表2所示,在兩個(gè)不同工況下,洗浴熱水從出水至接觸身體的階段,其平均散熱量為0.744 kJ·s-1,平均散熱率為5.6%；水接觸身體流至地板的階段,其平均散熱量為3.266 kJ·s-1,平均散熱率為23.0%；地板水到流至地漏的階段其平均散熱量為0.966 kJ·s-1,平均散熱率為7.2%；水流入地漏的階段, 其平均散熱量為9.051 kJ·s-1, 平均散

表2 洗浴用水各個(gè)階段散熱量及散熱率計(jì)算分析

熱率為64.3%。從以上結(jié)果分析看出,在洗浴熱水從出水到水剛接觸到身體的階段,其散熱率較小,其熱量散失為洗浴提供較舒適熱環(huán)境；在水接觸身體到流至地板的階段, 熱水熱量散失為對(duì)人體洗浴的有利散失,其散熱量較大；在地板水到流入地漏的階段,熱水熱量散失為無效熱散失,其散熱量最大。因此洗浴熱水熱量的有效利用率不高,洗浴系統(tǒng)仍存在節(jié)能和改進(jìn)空間。

3 研究結(jié)論及建議

以某高校學(xué)生宿舍熱水供應(yīng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象,通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)學(xué)生宿舍空氣源熱泵熱水器洗澡熱水和洗浴隔間熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)。在兩個(gè)工況下,洗浴隔間內(nèi)環(huán)境溫度明顯高于隔間外空氣溫度,洗浴熱水的熱散失對(duì)隔間內(nèi)熱環(huán)境有顯著改善,提高了熱舒適度。同時(shí),洗浴熱水從出水接觸身體至流至地面的階段熱量散失率平均約為29%,此階段洗浴熱水熱量散失是無法避免的,其中約6%的熱量散失到洗浴環(huán)境,改善了洗浴環(huán)境的舒適度,約23%的熱量散失為人體洗浴提供舒適溫度；熱水從地面流入地漏后的階段熱量散失率平均約為71%,其中約7%為地面流至地漏的不利熱散失,約64%是流入地漏后的完全不利熱散失,表明熱水大部分熱量并未得到有效利用,其熱水熱散失量較高。

從以上分析比較可以得出,宿舍洗浴用水的熱量損失較大,故結(jié)合宿舍用空氣源熱泵熱水器的特點(diǎn),改善提高洗浴用水的熱量利用效率具有現(xiàn)實(shí)意義?？煽紤]的改進(jìn)方向或措施有：一是目前校園宿舍洗浴隔間大多為敞開式,對(duì)洗浴隔間進(jìn)行適當(dāng)密閉處理,可以減少洗浴熱水的散熱損失同時(shí)提高熱舒適度；二是約64%的洗浴熱水直接流入地漏排放,熱損失嚴(yán)重,可以考慮對(duì)熱源進(jìn)行改造,采用水源熱泵提取直接排放熱水中余熱,空氣源熱泵與水源熱泵聯(lián)合運(yùn)行生產(chǎn)洗浴熱水,將會(huì)顯著降低洗浴熱水的熱量損失。

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Thermal Enviroment Test of Bath Compartment and Heat Lost Analysis of Bath Water for Compus Dormitory

JIATao,LYULiugen,ZHANGWenlian,JIAQianqian,LYUJin,XIAZhenzhen,ZHANGYufan,LIFangfang,GUZhipan

2017- 03- 16

嘉興市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016AY13019),嘉興學(xué)院校級(jí)科研基金項(xiàng)目(70516003)

賈 燾(1996—),男,浙江金華人,本科在讀。

TU111.4

A

1008- 3707(2017)04- 0054- 04