安博洋

摘 要：針對普通家庭衛(wèi)生間用水的“熱等待”和多點(diǎn)熱水使用問題，在保留廚房原燃?xì)馐綗崴骰A(chǔ)上，通過增加“小衛(wèi)寶”、冷熱水混合控制器及少許管道，設(shè)計(jì)出一種綜合型即熱供熱水系統(tǒng)方案，搭建了模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并對?jié)水量、小衛(wèi)寶參數(shù)及改造成本進(jìn)行了計(jì)算分析，表明該系統(tǒng)合理可行，經(jīng)濟(jì)節(jié)省地解決了該問題，實(shí)現(xiàn)了水資源的有效利用。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)生間;綜合型;即熱;供熱;水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TM925.12 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)家庭中普遍存在這樣的現(xiàn)象，燃?xì)馐綗崴靼惭b在廚房中，通過預(yù)埋在墻體內(nèi)的給排水管道與衛(wèi)生間的洗漱盆、淋浴器和浴缸等衛(wèi)浴潔具相連接，提供衛(wèi)生間洗漱所需的熱水，尤其是在我國北方地區(qū)的冬天非常必要。由于部分居民建筑的廚房距離衛(wèi)生間較遠(yuǎn)，可能相隔一個或以上的房間，使得衛(wèi)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(yàn)感差，并導(dǎo)致水資源浪費(fèi)。本文針對“熱等待”問題，在對國內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀調(diào)研基礎(chǔ)上，提出一種衛(wèi)生間綜合型即熱供熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，同時根據(jù)衛(wèi)生間用水量的多少對多點(diǎn)用水進(jìn)行綜合考慮，并搭建了模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并對?jié)水量、小衛(wèi)寶參數(shù)及改造成本進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 現(xiàn)狀分析

通過文獻(xiàn)和市場調(diào)研，針對衛(wèi)生間用水的“熱等待”問題，主要有以下幾種解決方法：

（1）衛(wèi)生間直接安裝燃?xì)馐綗崴?。燃?xì)馐綗崴魇褂眠^程中需要消耗大量氧氣，而衛(wèi)生間是相對封閉的空間，容易形成衛(wèi)生間缺氧，可導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)。

（2）衛(wèi)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(yōu)點(diǎn)，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(shù)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(qū)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(shè)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。

（3）換用即熱式燃?xì)鉄崴?。目前，即熱式熱水器主要有煙道式、?qiáng)排式、恒溫式和冷凝式。煙道式熱水器能效等級為3級，現(xiàn)處于淘汰期。強(qiáng)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(jié)約了水和燃?xì)?，現(xiàn)為主流機(jī)型。冷凝式熱水器高效節(jié)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。

（4）換用“即開即熱”式燃?xì)鉄崴?。這種燃?xì)鉄崴骺刹捎脙煞N技術(shù)方案。一種是在原燃?xì)鉄崴鞒鏊谔幇惭b出水管、循環(huán)水泵和回水管的閉合回路，將管中的余水送回?zé)崴鞫渭訜?，但新裝管道會浪費(fèi)室內(nèi)空間，比較繁瑣。另一種是將特制的水泵預(yù)設(shè)于燃?xì)鉄崴鲀?nèi)部，將管道內(nèi)的余水循環(huán)回?zé)崴鲀?nèi)，進(jìn)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(dāng)然，也可單獨(dú)購買一個水循環(huán)泵，但要求必須與原燃?xì)鉄崴髂芘浜习惭b使用。

（5）2015年黎劍豪等人提出《一種零冷水即熱供熱水系統(tǒng)》的專利，該專利未對衛(wèi)生間日常生活各種類型的熱水使用需求進(jìn)行綜合考量。

（6）2017年華北理工大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目提出一種浴室熱水器恒溫延時節(jié)水PLC控制系統(tǒng)方案，該方案需新裝水箱，存在浪費(fèi)衛(wèi)生間空間的問題。

2 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 小衛(wèi)寶概念

基于本文提出的一種衛(wèi)生間綜合型即熱供熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，“小衛(wèi)寶”就是一種安裝在衛(wèi)生間的小容積貯水式電熱水器，結(jié)合給排水管道和冷熱水混合控制器，與安裝在廚房的燃?xì)馐綗崴髋浜鲜褂茫鉀Q熱等待和衛(wèi)生間多點(diǎn)熱水使用問題。小衛(wèi)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(wèi)寶會對內(nèi)部的水溫可進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，一旦低于設(shè)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(wèi)寶會根據(jù)設(shè)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(wèi)寶，熱水使用完畢后關(guān)閉小衛(wèi)寶。這種模式更隨性，隨開隨用。

2.2 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文提出的一種衛(wèi)生間綜合型即熱供熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見圖1。該水系統(tǒng)由安裝在廚房的燃?xì)馐綗崴鳎?）衛(wèi)生間的小衛(wèi)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(wèi)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(wèi)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?；旌峡刂破髋潘芘c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(tǒng)方案的模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

2.3 水系統(tǒng)工作原理

根據(jù)圖1，當(dāng)衛(wèi)生間洗澡需要使用熱水時，打開開關(guān)K1和K2，并開啟小衛(wèi)寶和廚房的燃?xì)馐綗崴?。?dāng)小衛(wèi)寶內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定溫度時，同時打開開關(guān)K4和K6，此時，小衛(wèi)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(jīng)中轉(zhuǎn)房間通過B端流入混合控制器。當(dāng)開啟淋浴花灑時，上述兩股水混合成為溫水經(jīng)淋浴花灑流出供洗澡使用。此時廚房中的燃?xì)馐綗崴饕呀?jīng)啟動工作，當(dāng)燃?xì)鉄崴鞴ぷ饕欢螘r間后，B端流入的水由冷水變成熱水，此時，混合控制器內(nèi)部的溫度傳感器感應(yīng)到B端流入的水達(dá)到設(shè)定溫度時帶動滑動模塊關(guān)閉A端的進(jìn)水，僅由熱水器提供洗澡所用的熱水，由此實(shí)現(xiàn)洗澡用水時的即開即熱功能。

當(dāng)衛(wèi)生間洗漱盆需要少量熱水進(jìn)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(wèi)寶工作即可，不需啟動遠(yuǎn)處廚房的燃?xì)馐綗崴?，達(dá)到方便快捷和節(jié)能節(jié)水目的。

2.4 計(jì)算分析

（1）余水體積及節(jié)水量計(jì)算。余水體積與水管外徑、壁厚和長度有關(guān)。設(shè)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(jìn)行近似計(jì)算。

（1）

假設(shè)熱水器排水管規(guī)格為DN20，外徑為20mm，壁厚為3.4mm，根據(jù)（1）式計(jì)算，表1給出不同水管長度時余水體積計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)熱水器排水管內(nèi)的余水體積計(jì)算結(jié)果，以某普通家庭為例，對每年可節(jié)約的水量進(jìn)行計(jì)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(shù)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(shù)時，平均周節(jié)水量與年節(jié)水量的計(jì)算結(jié)果。

（2）小衛(wèi)寶性能參數(shù)計(jì)算。根據(jù)本文提出的水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及上面的計(jì)算分析，小衛(wèi)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(shù)有貯水容積、最高水溫及功率，下面就這幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。

綜合考慮普通居民住宅廚房與衛(wèi)生間的結(jié)構(gòu)布局，設(shè)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(wèi)寶的貯水容積為6L左右比較合適。

結(jié)合圖1，設(shè)小衛(wèi)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(jì)算公式：

（2）

公式（2）中，vA為小衛(wèi)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(wèi)寶排水管的內(nèi)截面積;SB為熱水器排水管的內(nèi)截面積。

假定洗澡時人體最舒適的溫度為40℃，且小衛(wèi)寶和熱水器排水管的內(nèi)徑及水流速度相同，根據(jù)公式（2）計(jì)算，表3給出小衛(wèi)寶內(nèi)熱水溫度TA與熱水器排水管內(nèi)冷水溫度TB計(jì)算結(jié)果。因此，小衛(wèi)寶的最高加熱溫度選擇為75℃較合適。

小衛(wèi)寶內(nèi)冷水加熱成一定溫度熱水所吸收的熱量Q吸可按（3）式進(jìn)行計(jì)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(wèi)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(wèi)寶貯水容積V=6L，根據(jù)（3）式計(jì)算可得Q吸為1.764×106J。若選用功率為1500W的小衛(wèi)寶，計(jì)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(wèi)寶比較合理。

（3）可行性及經(jīng)濟(jì)性分析。該水系統(tǒng)方案可在原燃?xì)馐綗崴骰A(chǔ)上，通過在衛(wèi)生間增加小衛(wèi)寶、冷熱水混合控制器及少量水管進(jìn)行簡單改裝，即可實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)件，具體價格預(yù)算見表4。

因此，該解決方案經(jīng)濟(jì)節(jié)省，成本累計(jì)在1000元以內(nèi)。

3 結(jié)語

本文針對“熱等待”問題，在對國內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀調(diào)研基礎(chǔ)上，提出一種衛(wèi)生間綜合型即熱供熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，同時根據(jù)衛(wèi)生間用水量的多少對多點(diǎn)用水進(jìn)行綜合考慮，并搭建了模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。結(jié)果表明該項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)節(jié)省地解決普通家庭衛(wèi)生間“熱等待”和多點(diǎn)熱水使用問題，實(shí)現(xiàn)了有效利用水資源，讓節(jié)能減排進(jìn)社區(qū)以追求低碳環(huán)保的生活方式。這對相關(guān)類似問題的研究與解決具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱連喜，鄭暾.零冷水型家用燃?xì)鉄崴髟O(shè)計(jì)原理及測試方案[J].家電科技，2018（02）：35-37.

[2] 張國義，劉宸碩.燃?xì)鉄崴鞯墓?jié)水設(shè)計(jì)與研究[J].安徽建筑，2015（3）：180-182.

[3] 黎劍豪，侯秋慶，盧昌松.一種零冷水即熱供熱水系統(tǒng)，CN2015 20689210.6[P].2016-01-27.

[4] 高明非，趙斌，楊玉瀅，等.浴室熱水器恒溫延時節(jié)水PLC控制系統(tǒng)[J].西藏科技，2017（12）：76-78.

[5] 方彥奎，程清偉，潘東文，等.一款新型燃料熱水器節(jié)水裝置的設(shè)計(jì)探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（21）：37.