商用凈水器節能方法研究與應用

魏禮松 曹滿清 周夢德

（艾歐史密斯（中國）環境電器有限公司，江蘇 南京 210038）

0 引言

隨著人們對生活飲用水質量要求的提高，辦公場合（企事業單位、學校、工廠、商場等）對商用凈水器的需求量越來越高，商用凈水器因其優良的過濾和凈化效果，同時可以滿足消費者對水質安全、節能的需求，備受消費者青睞。文獻[1]介紹了一種步進式加熱共享熱水機的設計方法，KG316T時控開關解決了裝有21L的步進式加熱水箱飲水機的定時加熱問題。文獻[2]針對飲水機熱控系統提出了一種EPH快速加熱方法，克服了傳統飲水機“加熱－保溫－加熱”的循環加熱高能耗、飲水健康缺陷等局限。文獻[3]提出了一種加熱水量可控的節能飲水機技術方案，與傳統以水箱最大容量的反復加熱模式相比，該文提出的技術方案具有能耗低、飲水質量高的優點。上述商用凈水器加熱系統方案雖然在一定程度上實現了節能，但是仍然存在加熱系統效率偏低、水質不安全、消費者體驗較差的問題，制約著商用凈水器的進一步發展。若將步進式加熱控制系統[4]、熱交換能量回收系統[5]、蒸汽熱能回收系統、AES智能節能控制模式[6]等設計集成在商用凈水器上，不僅方便消費者使用，還降低了能源損耗，較傳統商用凈水器節能省電最高可達60%以上。基于上述需求，該文將著重介紹商用凈水器節能方法。

1 加熱系統節能方法設計

1.1 步進式運用

傳統商用凈水器加熱系統是將整個加熱罐內的水加熱至沸騰或設定溫度后停止加熱，這種加熱方式已經不滿足消費者對飲用水安全性的要求。全新商用凈水器采用底層進水，可以避免傳統凈水器上層直接“傾倒式”進水造成生水與沸水混合，即市場消費者關心的“陰陽水”問題。如圖1所示，根據熱水分層原理，不同溫度的水在同一容器內分布在不同的高度，底層進入熱罐的生水溫度較低，沉積在熱罐底部，有效防止由于水力攪動導致的熱對流，防止生水與沸水出現混合。在熱罐中加熱管底部增加分水器隔板，從底部進水的水源可以均勻進入熱罐，避免生水直接接觸加熱管頂部的沸水。由于存在水力擾動和分子擴散等因素，一次性補滿熱罐的方式不能完全避免生水混進上層沸水中。為了進一步改善生水、沸騰水混合問題，同時又能保證一次加熱一次沸騰，避免出現“陰陽水”、“千滾水”問題，可通過電控設計優化，分批次補一定的生水，加熱管持續加熱，每當加熱溫度即將達到沸點（溫控器監測）時，再次補水，如此反復，直到熱罐中水滿為止。同時也避免了因為傳統商用凈水器整個熱罐加熱沸騰后才可取水而導致的較長等待時間（首沸時間需要40min~75min，不能及時取水），該過程一次加熱一次沸騰，降低了傳統商用凈水器反復啟停加熱、持續沸騰導致的電能損耗。商用凈水器采用全電腦控制，具有定時加熱功能，可根據消費者的需要設定工作日進行加熱，一天中可設定加熱時段，避免夜間或非工作時間的加熱，系統自動控制管理，不需要人工值守，可實現整機自我管理，很適合用于辦公場所，較傳統開水器（控制溫控器，圍繞設定的溫度重復加熱）減少了50%無效工作時間；步進式加熱方式，不僅保證飲用水安全而且還可以高效節能，即開即飲，無須等待較長時間。商用凈水器通過全電腦控制、精確的溫度控制、進水控制與加熱件配合，加熱效率比傳統商用凈水器加熱效率提高30%以上，采用逐層加熱技術，可最大限度地避免熱量散失，整體較傳統商用凈水器省電達60%以上。

圖1 加熱系統圖

1.2 蒸汽回收運用

如圖1所示，商用凈水器為保證正常出水，熱罐內部需要和大氣保持壓力的平衡。因此，傳統商用凈水器會在熱罐的頂部設置面向大氣的進氣或排氣管路，將加熱過程中產生的沸騰蒸汽通過排氣管路向外排出，保持熱罐與外界壓力的平衡，使凈水器能夠正常出水。排放的蒸汽是由水加熱沸騰而產生，這就需要消耗大量的能源，任何蒸汽的浪費都會造成能源的浪費，給蒸汽消費者帶來額外的經濟負擔。因此，在蒸汽排放的管路上設計一個回收系統管路，將蒸汽回收再利用，不僅有利于減少能源的消耗，也可節約經濟。如圖2和圖3所示，在熱罐內部水加熱至沸騰時，大量沸騰蒸汽會通過排氣管路直接排向大氣并產生白色煙霧，消費者體驗差并且蒸汽攜帶的熱量耗散導致整機能耗增大。通過優化熱罐的排氣管路，熱罐中沸騰蒸汽通過排氣閥進入蒸汽回收的管路（管中管結構），蒸汽通過內管通道，常溫水通過外管通道。蒸汽通過管壁能量交換，冷卻形成冷凝水，在汽化過程產生的熱能被外管中的水吸收，使水溫由20℃提升到30℃~50℃，提升后的溫水通過管路進入熱罐中加熱，使熱罐進水水溫提高10℃~30℃，縮小了熱罐進水的加熱溫度區間（由原來80℃加熱溫度區間，降低為50℃~70℃），一定程度上可避免沸騰蒸汽排放產生的白色煙霧的現象，同時也能減少整機能源消耗。根據測試驗證，采用蒸汽熱能回收，可使商用凈水器節電10%~30%。

圖2 蒸汽回收管路圖

圖3 蒸汽回收原理圖

1.3 熱交換能量回收運用

市場上的商用凈水器，均提供90℃以上的熱水，并不能滿足所有消費者的飲水需求。像校園、幼兒園等飲水群體，高溫熱水有很大的安全隱患，他們對溫開水（45℃）有較大的需求。目前，市場上的解決方案，均是將生水加熱至45℃或將開水與生水混合至45℃。但這些方案均會帶來一個問題，生水或混合生水，在一定程度上會帶來飲用水衛生風險（如生水、細菌超標、“陰陽水”等問題）。通過技術方案不斷創新，在商用凈水器上運用熱交換技術（回收示意圖如圖4所示、工作原理如圖5所示），在熱罐的進出水水路上設置管中管的熱交換器，20℃溫水經過熱交換器的外管，通過換熱后再進入熱罐中進行加熱。100℃的開水經過熱交換器的內管，通過管壁能量交換產生的熱能被外管中的水吸收，將100℃開水降溫至45℃溫開水。此技術方案采用了零混水的技術，完全可以避免生水飲用問題。20℃常溫水通過熱交換器，將100℃開水的熱能經過熱傳遞給20℃常溫水，常溫水在進入熱罐之前就已經把溫度提高到85℃左右，進而在熱罐內部直接將85℃的生水加熱至沸騰，只需要15℃加熱區間即可。而傳統商用凈水器，熱罐是把常溫水從20℃加熱到100℃，需要加熱80℃，不僅加熱溫度區間較大，而且整機能耗也較高。帶有熱交換功能的商用凈水器與傳統機器相比，理論節能率：（80-15）÷80=81.25%，實測節能率＞70%。商用凈水器通過集成熱交換技術后，可節能約為72%，對比測試值見表1。

圖5 熱交換能量回收原理圖

表1 商用凈水器集成熱交換技術前后節能對比測試

圖4 熱交換能量回收圖

2 AES智能節能設計

AES是一個智能學習的程序，在消費者使用一段時間機器后，根據消費者的飲水習慣進行數據分析、判斷用水的高峰期，學習消費者的飲水規律，通過數據分析后可以自動預測消費者下一次用水時間段。在下一次用水時間段之前，程序會提前啟動，將機器提前加熱，準備好熱水保證消費者用水的需求。而在其余閑暇時間，程序會關閉機器的加熱棒，避免夜間或非工作時間的加熱，系統程序自動控制管理，不需要人工設置，可實現整機智能的自我管理，減少耗能動作（如回流殺菌、保溫加熱等），以達到節能目的，很適合用于辦公場所使用。帶有AES的商用凈水器可以隨消費者的飲水習慣的改變而智能改變，根據消費者飲水習慣自動調節整機加熱狀態，避免無謂的能源浪費，同時可根據消費者習慣的打水時間自動準時準備好開水，方便消費者使用，減少熱量散失帶來的能源損耗。通過AES智能節能設計后，整機節能約為40%以上，對比測試值見表2。

表2 商用凈水器集成AES功能前后節能對比測試

3 節能設計與傳統設計效果對比

商用凈水器集成各種節能設計方案后，不僅能確保水質安全，提高消費者的體驗感、而且在節能方面也有很大的改進和提高。商用凈水器廣泛地應用于機場、高鐵站、醫院、校園、工廠等場所，通過長時間消費者體驗后，進行市場消費者的調研對比，見表3。

表3 商用凈水器節能設計與傳統凈水器的市場反饋對比

4 結論

國家對節能減排工作的重視以及人們對節能環保意識的不斷增強，傳統商用凈水器已經飽受詬病。安全、環保、節能、高效的產品越來越受到人們的青睞。商用凈水器通過在步進式加熱控制系統、熱交換能量回收系統、蒸汽熱能回收系統、AES智能節能控制模式等節能設計上的不斷創新，不僅有效杜絕“陰陽水”、“千滾水”，避免了飲水健康問題，同時也是對傳統設計的革新，大大降低了能耗，給消費者帶來了更好的使用體驗，節約消費者的使用成本，更是響應了國家節能的號召。經過產品實踐，該節能理念可以在商用凈水器設計中大力推廣和應用。