容積式開(kāi)水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與節(jié)能控制系統(tǒng)研制

李玉玲，王祥仲

（1.北京聯(lián)合大學(xué) 生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100023；2.華北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河北 廊坊 101601）

0 引 言

我國(guó)是能耗大國(guó)，在資源極度短缺的背景下，節(jié)能減排已成為國(guó)策，但在我們身邊仍有大量用電設(shè)備存在無(wú)效的能量消耗卻并未引起人們的足夠重視。容積式電開(kāi)水器就是一種節(jié)能潛力巨大，但被忽視的典型用電設(shè)備。

1 研究現(xiàn)狀

在教學(xué)樓、宿舍樓、辦公樓等公共建筑物中，容積式電開(kāi)水器已成為常規(guī)配置，成為建筑電耗的主要源頭之一。傳統(tǒng)的電開(kāi)水器一般采用單水箱結(jié)構(gòu)，電加熱器功率大，只有一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)液位開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致無(wú)效電耗較大。通過(guò)調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生無(wú)效電耗的主要因素[1]：使用模式和結(jié)構(gòu)不合理，造成熱水器頻繁加熱；存在熱橋，導(dǎo)致外表面散熱浪費(fèi)巨大。如果通過(guò)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)方式，查找出傳統(tǒng)電開(kāi)水器產(chǎn)生無(wú)效電耗的原因，研究有針對(duì)性的節(jié)電技術(shù)措施，將大幅降低其電耗，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 可控式出水模式

2.1.1 存在問(wèn)題

傳統(tǒng)開(kāi)水器的供水方式多采用普通水龍頭，受人們行為習(xí)慣的影響，水和能量的浪費(fèi)現(xiàn)象比較普遍。因此，我們必須改進(jìn)人們的行為模式，實(shí)現(xiàn)按需供水。

2.1.2 技術(shù)措施

（1）出水方式：普通模式和按需模式。

（2）硬件結(jié)構(gòu)：在水龍頭上安裝電磁閥，控制器按設(shè)定的出水時(shí)長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)按需定量供水控制。

（3）出水時(shí)長(zhǎng)設(shè)定：通過(guò)對(duì)不同功能建筑物的觀察和調(diào)研，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到飲用水量定額，見(jiàn)表1所列。

表1 飲水量定額表

（4）出水動(dòng)作邏輯分為按需模式與普通模式。按需模式即點(diǎn)動(dòng)模式。按需要供水：水量/（人×天），若容器已滿，水未停，則手動(dòng)關(guān)水并清零。普通模式需長(zhǎng)時(shí)間按住按鈕。在特定條件下，有大水量需求時(shí)，采用普通模式，長(zhǎng)時(shí)間按住按鈕即可。放開(kāi)按扭，則立即停止供水，恢復(fù)到按需模式。控制器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記時(shí)，計(jì)算供水時(shí)間。

2.2 雙水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 存在問(wèn)題

（1）傳統(tǒng)開(kāi)水器一般采用單水箱結(jié)構(gòu)，需要整箱水都達(dá)到100 ℃方可飲用，所需電加熱器功率較大，且需反復(fù)燒水。

（2）人們對(duì)飲用水的需求不同，但水沸騰后晾成溫水才能飲用。泡茶時(shí)80 ℃的水溫最為適宜，但夏天水溫需適合直接飲用。

2.2.2 技術(shù)改進(jìn)措施

將開(kāi)水器做成雙水箱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。右側(cè)開(kāi)水箱：小容積；左側(cè)溫水箱：大容積。溫水箱采用溢流方式，從開(kāi)水箱流入溫水箱，溫水箱最低溫度控制為45 ℃。采用此措施后，電加熱器功率減少了1/3。

圖1 雙水箱結(jié)構(gòu)

2.3 進(jìn)水方式優(yōu)化

2.3.1 存在問(wèn)題

傳統(tǒng)的開(kāi)水器進(jìn)水口開(kāi)在箱體內(nèi)壁，水以射流摻混方式進(jìn)入，電加熱器難以進(jìn)行有效加熱。傳統(tǒng)進(jìn)水方式如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)進(jìn)水方式

2.3.2 技術(shù)改進(jìn)措施

（1）在設(shè)計(jì)上，將進(jìn)水管插入加熱器上部，在進(jìn)水管下部均勻開(kāi)孔，電加熱器可較充分的加熱進(jìn)水。水流狀態(tài)優(yōu)化加熱技術(shù)提高了加熱效率。改進(jìn)后的進(jìn)水方式如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的進(jìn)水方式

（2）在邏輯上，先開(kāi)電加熱器，延遲一定時(shí)間后再進(jìn)水。

2.4 防熱橋措施

2.4.1 存在問(wèn)題

開(kāi)水器熱成像如圖4所示。傳統(tǒng)開(kāi)水器由于2個(gè)水龍頭與外壁連接，形成熱橋，導(dǎo)致外壁溫度較高，出口處溫度最高可達(dá)到65 ℃，外壁散熱損失較大[2]。

圖4 開(kāi)水器熱成像

2.4.2 技術(shù)改進(jìn)措施

用絕熱材料處理防熱橋，減少外壁散熱，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，改進(jìn)后的熱成像效果如圖6所示。通過(guò)圖4、圖6對(duì)比A、B兩點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，防熱橋作用明顯。

圖5 防熱橋裝置

圖6 改進(jìn)后的熱成像

2.5 多傳感器技術(shù)

2.5.1 存在問(wèn)題

傳統(tǒng)單水箱開(kāi)水器只有一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)液位開(kāi)關(guān)，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制功能。為了實(shí)現(xiàn)可控式出水和雙水箱模式，需采用多傳感設(shè)計(jì)。

2.5.2 技術(shù)改進(jìn)措施

為達(dá)到節(jié)能目的，安裝了開(kāi)水箱溫度傳感器、溫水箱溫度傳感器、開(kāi)水箱高液位開(kāi)關(guān)、溫水箱高液位開(kāi)關(guān)、開(kāi)水箱低液位開(kāi)關(guān)和溫水箱低液位開(kāi)關(guān)，優(yōu)化進(jìn)水、供水、電加熱過(guò)程，降低電加熱器啟動(dòng)頻率。傳感器示意圖如圖7所示。

圖7 傳感器示意圖

字母符號(hào)見(jiàn)表2所列，動(dòng)作邏輯見(jiàn)表3所列，故障處理見(jiàn)表4所列。

表2 符號(hào)說(shuō)明

表3 傳感器動(dòng)作邏輯

表4 故障處理

2.6 自動(dòng)斷電功能

電熱水器安裝后，需由物業(yè)值班人員進(jìn)行開(kāi)閉操作。通過(guò)設(shè)置自動(dòng)斷電，解決了夜間或者午時(shí)電開(kāi)水器空載，浪費(fèi)電能的情況。遇到特殊情況時(shí)電熱水器也會(huì)自動(dòng)斷電（如水閥漏水等）[3]。

3 理論設(shè)計(jì)

3.1 公式說(shuō)明

為了節(jié)約電能，我們?yōu)殚_(kāi)水箱和溫水箱設(shè)置了不同功率的電加熱器；在開(kāi)水箱處將加熱器設(shè)置為兩組，可在不同環(huán)境下分組使用，從而節(jié)約電能。目前一般采用以下步驟進(jìn)行電加熱器的選擇計(jì)算。

（1）計(jì)算在規(guī)定時(shí)間內(nèi)加熱至設(shè)定溫度所需功率：

（2）計(jì)算介質(zhì)溫度不變前提下，實(shí)際需維持溫度的功率：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果選擇加熱器的型號(hào)和數(shù)量。

符號(hào)說(shuō)明：C1，C2為容器和介質(zhì)的比熱；M1，M2為容器和介質(zhì)的質(zhì)量；M3為每小時(shí)所增加的介質(zhì)質(zhì)量；ΔT為目標(biāo)溫度和初始溫度之差；P為最終溫度下容器的熱散量。

3.2 計(jì)算結(jié)果

電加熱器計(jì)算見(jiàn)表5所列。

表5 電加熱器計(jì)算表

4 開(kāi)水器智能控制

為了實(shí)現(xiàn)容積式開(kāi)水器的功能，需對(duì)其進(jìn)行智能控制。本系統(tǒng)采用MCXS128單片機(jī)作為控制器。

4.1 信號(hào)輸入與輸出

輸入信號(hào)包括液位、溫度等，如圖8所示。輸出信號(hào)包括加熱、供水等，如圖9所示。

圖8 信號(hào)輸入

圖9 信號(hào)輸出

4.2 流程

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的動(dòng)作模式，設(shè)計(jì)了如下3種模式的流程。

4.2.1 注水模式流程

注水模式流程如圖10所示。

圖10 注水模式流程

4.2.2 開(kāi)水箱出水模式流程

開(kāi)水箱出水模式流程如圖11所示。

圖11 開(kāi)水箱出水模式流程

4.2.3 溫水箱加溫模式流程

溫水箱加溫模式流程如圖12所示。

圖12 溫水箱加溫模式流程

5 實(shí)物展示

熱水器外觀如圖13所示，控制線路如圖14所示，內(nèi)部環(huán)境如圖15所示。

圖13 外觀

圖14 控制線路

圖15 內(nèi)部環(huán)境

6 節(jié)能分析

以本校辦公樓為例，對(duì)改進(jìn)后的開(kāi)水器進(jìn)行節(jié)能分析。

（1）通過(guò)改造熱水器，改變了人們的行為模式，有助于全校師生樹(shù)立環(huán)保意識(shí)。

（2）采用雙水箱結(jié)構(gòu)，降低電加熱器功率，可根據(jù)觀察的加熱時(shí)間計(jì)算保持水溫所用電量。

（3）根據(jù)區(qū)域外壁平均溫度、表面積、換熱系數(shù)可簡(jiǎn)單估算降低的外壁散熱量，見(jiàn)表6所列。

表6 開(kāi)水器散熱量計(jì)算表

（4）采用的多傳感器技術(shù)和水流優(yōu)化加熱技術(shù)等措施可有效降低能耗[5]。

7 結(jié) 語(yǔ)

北京地區(qū)約有150萬(wàn)臺(tái)普通電加熱管開(kāi)水器，其中黨政機(jī)關(guān)、醫(yī)院、學(xué)校約為30萬(wàn)臺(tái)。如果全部更換為改進(jìn)型電開(kāi)水器，每年節(jié)電約18億千瓦時(shí)，節(jié)約資金約12.6億元，可減少CO2排放179.46萬(wàn)噸，減少SO2排放5.4萬(wàn)噸。改進(jìn)型容積式開(kāi)水器具有廣闊的應(yīng)用前景與良好的社會(huì)效益。