一种卫生间综合型即热供热水系统设计研究

安博洋

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。

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