太阳能热水洗浴系统与余热利用研究

（河北农业大学，河北 保定 071001）

1 太阳能热水洗浴系统注意要点

1.1 真空管爆炸

真空管爆炸问题是太阳能热水器使用过程中经常出现的问题，尤其是在各大高校的公共浴室中，每天都会有学生进行洗浴，一旦真空管爆炸，就会影响学生们的正常洗浴。真空管爆炸的主要原因为水箱室与楼顶之间形成不同的高度差，热水器在工作的过程中水压不稳定，导致集热器缺水，造成爆炸。因此，在设计太阳热水系统时，要注意保持水压，而且真空水管自身的质量也是导致爆炸的原因之一，因此在采购时选择可靠的品牌，保证学生们洗浴安全。

1.2 冬季防冻措施

北方冬季寒冷，太阳能热水器是在楼顶存放。如果不能采取适当的保温措施就会出现设备冻裂问题，不仅会影响设备的寿命，也会影响人们的生活。所以需要通过合理的方法提高设备的抗冻能力，除了上文提到的伴热装置，还会在管道上包裹保温材料，以此降低伴热装置的电量消耗。其中低温循环加电伴热装置是目前效益最好的装置，在温度低于5℃时自动启动，有效地减少电量的消耗。为了保证冬季热水系统的正常运行，需要借助辅助热源进行热量的补充。当热水器温度低于固定值时自动补充热水，供应人们的正常需求。

1.3 水温恒定

水温恒定是我们良好洗浴体验的保证条件之一，如果不能保持温度的稳定将会影响人们的洗浴。在高校中，一般将水温设置在50℃，但是太阳能系统要达到这个水温是需要经过混水实现恒定。实现混水的设备为恒温水箱，不管洗浴人数多少都能控制水温。但是，这种调节水温的方法需要较大的面积进行恒温水箱的建设，也需要资金的支持。这就需要技术人员加强对系统的研究，提高水温恒定的效率[1]。

2 太阳能热水洗浴系统设计

2.1 太阳能集热器选择

在上文中也提到真空会出现爆炸问题，因此，在系统设计时要选择防炸管，而且需要设立多个运行系统，避免因为一个系统出现问题影响整个系统。一般情况下，太阳能的安放地点都是在屋面、楼顶，在设计的过程中还应当根据地理位置，考虑集热效率、太阳能造价等，使得太阳能热水洗浴系统能够以最低的成本获得最大的效益。

2.2 集热器的摆放数量以及方式

集热器产生的热量跟地理纬度以及地形有很大的关系，而且集热器品牌不同也会导致其集热能力不同。而且根据太阳位置的变化，集热的效果也会不同，因此像是学校这种全年都要应用到浴室的地方，平板型集热器的采光面与水平面的夹角是当地的纬度角。对于U 型真空管因为其能够自动调节，可以水平放置[2]。该文以北京某高校为例，其所处位置在北纬40°，根据学校人口洗浴用水需求，选择全玻璃真空管集热器180 块，全玻璃真空管9 870 支，采光面积为656 m2。

2.3 太阳能产热

太阳能的产热水量计算结果见表1。

表1 太阳能的产热水量计算结果

2.4 辅助加热系统设计

学校的辅助加热系统将整体的温度控制在50℃左右。要想在短时间内提升加热速度，可以在热水储水箱中设置热水盘管，在水温降低时，可以通过回水管进行热水的补充，实现水温的平衡。

2.5 恒温热水系统的设计

该系统的设计提出了3 个方案。1）多个电磁阀调节，实现冷热水的混合，但是这种方法会使得水温不能实现完美控制。2）智能电动控制，利用电脑系统控制水温的调节，水温控制的精确度得到了提升但是成本较高。3）恒温阀与恒温水箱相结合的方法，冷热水在恒温水箱的调节后，水温得到了控制，而且在温度不会受到洗浴人数的影响。综合考量之下决定应用第三种方案，恒温阀与恒温水箱相结合的方法，满足学生们洗浴的需求。

2.6 系统运行情况介绍

在光照充足的条件下，水温上升到水温设定值55℃时，冷水阀门会自动开启，冷水进入集热器进行加热。水箱将热量达标的热水传输到地下储水箱中，为了保持洗浴温度的恒定（我们将温度设置在45℃左右），需要在恒温水箱中实现将热水与凉水进行混合。如果遇到阴天天气，需要锅炉进行辅助加热，系统自动锅炉中的热水补充到储热水箱。当储水箱中的温度降低时，利用换热盘管加热水温，温度到达45℃时，加热装置自动关闭。太阳能系统在初始运行时还需要技术人员对其设备进行维护，以保证系统的安全性。

3 太阳能热水洗浴余热回收技术

3.1 余热回收现状

公共浴室的开放有严格的时间限制，这就导致洗浴废水的排除时间是固定的，大量污水一般是顺着管线进入到污水处理厂，在此过程中余热会散发掉一部分，进入污水厂的水经过处理后其热量就会散失。但是因为技术、资金等问题导致公共浴室中的洗浴废水余热并没有得到真正的利用。我国人口众多，会产生很多的洗浴废水，余热就白白流失，不仅不能节约资源还增加了公共浴室的经营成本。因此，有必要采取合理的措施，加强对余热的回收利用。

3.2 运行原理

运行的基本原理就是在洗浴后产生的废水经过管道流向污水箱，污水热源泵运行利用余热加热楼顶的储热水箱，然后储热水箱的水与冷水进行混合后就能正常进行洗浴。具体的原理如图1 所示。

图1 余热回收流程图

3.3 废水回收水质

公共浴室进行废水余热集中目的是提升企业的经济效益，所以，在废水余热利用设计时，要根据废水的性质对其经济效益进行预判。在系统设计时主要有2 种方案。1）将废水当作污水，利用污水设备进行处理。2）将其当作干净的水源，利用清水设备进行处理。我们选择不同的设备对某一季的污水进行处理分析，发现运用清水设备处理污水，所获得的经济效益更好。因为多数的污水的水质还算是较好的，可以经过简单的处理就能投入循环利用，不需要用到污水处理设备。

3.4 废水回收水温

洗浴废水在回收的过程中有2 个主要的热量流失环节。1）管道中的热损失。2）就是废水池中的热量散失[3]。经过实验发现经过保温处理后的管道以及废水池其保温效果要明显优于没有经过保温处理的管道。因此，学校相关部门在进行管道的处理时，要对管道以及废水池进行保温。

3.5 具体的余热回收实例

以北京某学校为例，选取其在秋季废水1 000 m3，洗浴温度为42℃，污水温度为30.8℃。进入废水池后为30℃，经过废水余热收集系统进行余热的利用，与市场煤炭价钱以及电费进行比算。利用30℃的废水对自来水进行预热，经过计算发现太阳能设备在运行过程中产生的费用明显降低，平均水费由一天18 元降低到10.5 元。给学生们的生活提供了诸多的便利，同时提升了学校设备运行的经济效益。但是设备在运行的过程中难免会造成磨损，需要工作人员定期对设备进行维护以及污垢清理，尤其要注意废水管道中的头发处理，热泵环热泵每半年清洗一次，延长设备的寿命。

4 结语

余热利用是今后太阳能热水洗浴系统研发的重点方向之一，我们在这方面的应用仍然处于起步阶段，有很多的技术还不够成熟，需要技术人员进行深入的研究。尤其是严寒地区公共浴池在冬季的需求量是最大的，产生的洗浴废水余热如果得不到利用也会造成很大的污染，因此我们要在节约资源理念的指导下，通过合理的设计提高余热的回收能力，促进资源的循环利用。余热利用系统的设计还要注意经济效益，通过对余热、环境的充分考量，选成本较低的方案。