基于智能溫控的熱水器節水循環裝置的研制

劉霞 徐昭 徐 琯 劉 洪 徐浩

（1.國網重慶市電力公司綦南供電分公司 重慶 401420；2.武漢工程大學電氣信息學院 武漢 430205； 3.武漢海關技術中心 武漢 430051；4.成都智明達電子股份有限公司 成都 610091； 5.上汽大眾汽車有限公司 上海 201805）

前言

熱水器通過熱水管道與水龍頭和淋浴蓮蓬用水點連接。由于水龍頭與熱水器之間有一段距離，當人們使用熱水時，從龍頭里通常先流出一段冷水。流出冷水量的多少隨水龍頭與熱水器之間距離的增加而增加。一般這部分流出來的冷水會被浪費掉。另外，人們洗澡前等候冷水加熱成熱水的過程，不僅使人感到煩惱，而且還容易感冒[1]。

雖然市場上銷售的熱水器種類很多，但是很多熱水器沒有解決好洗澡前出冷水浪費水資源的問題[2,3]。有些高端的熱水器雖然能實現恒溫出水，但是實現結構較復雜，費用較高[4]。為節約用水，提高人們的生活質量，簡單實用的家用熱水器節水循環裝置的研制就顯得很有必要。

1 設計方案

1.1 總體設計方案

熱水器節水循環裝置總體設計方案圖如圖1所示。熱水器節水循環裝置需要安裝一段循環水管[5,6]，由循環泵、智能溫控開關、溫度傳感器和布設的溫度傳感器信號線、溫度控制儀信號傳輸線、電磁閥、單向閥、雙控開關組成。

圖1 熱水器節水循環裝置設計方案圖

熱水器節水循環裝置方案的核心是由智能溫控開關、溫度傳感器、電磁閥、雙控開關、循環泵所組成的自動控制裝置。溫度控制器中的溫度傳感器將水溫信號傳遞給智能溫控開關，如低于預定的下限溫度，則啟動循環泵對熱水管內的水進行循環加熱，當檢查到溫度超過預定的上限溫度，則停止循環泵工作，從而維持熱水管內的水溫在一定的范圍。

溫度傳感器布置在用水干道與主要干道的交接處，用來采集水溫。循環泵提供對管道殘余冷水進行循環的動力，使得水有比較快的循環速度，要求啟動迅速，壽命可靠。單向閥只允許水向一個方向流動，可以防止在對管道殘余冷水進行循環加熱時水反流入主供水管道。雙控開關布置在水龍頭和淋浴蓮蓬用水點處，當設置溫度偏高而等待過久時可以用來將泵直接停止。開關板上的信號燈亮表示智能溫控開關在工作，當用戶不用熱水時，可以按下雙控開關令信號燈熄滅。

1.2 智能溫控開關的設計

智能溫控開關將溫度控制器集成在30×45×70 mm3的空間內，可設定溫度上下限，可以接受溫度傳感器傳來的溫度信號。

電磁閥由智能溫控開關來進行控制，通過電磁作用來實現閥門的開啟與關閉。水泵開始工作后，電磁閥由開到閉，當溫度達到設定溫度后，智能溫度開關將泵停止，與此同時電磁閥重新變為開啟。實際工作過程中不需要對水加熱時，電磁閥的常開狀態對用水沒有影響。

智能溫控開關中央控制單元ECU的控制規則為：

1）當不需要用熱水時，電磁閥為常開狀態，此時熱水器的性能與未裝熱水器節水循環裝置時一樣。

2）當需要熱水時，用戶可以通過智能溫控開關設置溫度上下限。溫度傳感器從水龍頭處采集的溫度信號通過溫度傳感器信號線總成輸送到智能溫控開關，智能溫控開關將測得的溫度與設定溫度做比較，當水溫低于設定溫度時，電磁閥的狀態由常開狀態變為常閉，同時開啟循環泵，在循環泵的作用下，管道中的水開始流動，熱水器對管道中的殘余冷水進行循環加熱。當水管中水的的溫度達到設定溫度時，電磁閥打開，循環泵停止工作。

1.3 循環泵所需功率的計算

根據GB 50013－2018《室外給水設計規范》推薦流速和Carrier設計手冊的推薦值，可知流速控制與管徑有關系，一般水流速在1.0～2.5 m/s。一般工程上計算時，水管路壓力常見為0.1～0.6 MPa，水管中水流速為1～3 m/s，常取1.5 m/s。按照國家標準和行業社會承諾，自來水管網壓力達到0.14 Mpa即為合格。按照GB 50096-2011《住宅設計規范》6.1.2的規定，套內分戶水表前的給水靜壓力不應小于50 kPa。GB 50096-2011《住宅設計規范》6.1.3又規定，住宅室內給水系統最低給水點的靜壓力宜為300～350 kPa，大于400 kPa時，應采用豎向分區或減壓設施。民用住宅用戶管道壓力不低于0.16 MPa。基于以上規定，在設計計算中，選取的相關參數為：水管中水壓水為0.2 Mpa，水管中水的流速取為1.5 m/s，水管的直徑D選取為20 mm。

泵的運行狀態在特性曲線上的位置由與泵連接的管路特性決定。泵的實際工作點是泵的實際性能曲線與管路系統性能曲線的交點，此時泵的揚程與管路系統所需的水頭相等[7]。輸配水管道沿程阻力損失包含沿程水頭損失和局部水頭損失，而局部水頭損失一般為沿程水頭損失的510 %[8]。由達西公式可知，沿程阻力損失為[9,10]。上式以水力坡3降J表示為由謝維列夫修正公式可得，經查表，40 ℃時水的運動粘滯度為0.653×10－6m2／s，可得水力坡度為

假如家庭房間為100 m2，為計算方便，設房間面積為邊長為10 m的正方形，該正方形的對角線的長度為可以近似認為，循環管道單向長度為那么雙向長度約為30 m，考慮到局部水頭損失，可得在循環的過程中水頭損失約為4.815 m 。由公式P0=F·V=△p·A·v0，為了使得水溫在加熱后不至于過高，我們選取v0=3 m/s，又△p=ρghf0。考慮到效率的關系，取其整體的傳遞效率為0.75，則實際水泵要求的功率為，為了安全起見，選取一定的可靠系數，循環泵的功率最終確定為80 W。

2 裝置的選取與實現

智能溫控開關采用欣靈品質數顯溫控開關HH48NE5C4來改進和組裝，如圖2所示。該智能溫控開關在測量的溫度范圍內能根據用戶所設溫度范圍對系統進行溫度控制。用戶設定的溫度參數存儲到存儲器中，并存儲有參數的多個備份，掉電不會丟失數據。有4種不同的溫度控制模式，可實現（-20～120）℃范圍內溫度控制。上限溫度達到時，自動接通電源（輸出），負載可通電工作；下限溫度到時，自動切斷電源（關閉輸出），輸出指示燈同時熄滅。

圖2 智能溫控開關簡圖

熱水循環泵選取大明水泵熱水循環泵PH-40E，該循環泵體積小，噪音非常小，軸封采用優質機械密封材料，動靜環由新型硬質合金制成，不漏水，壽命長，機加長軸上，運行平穩。

電磁閥可選用AB、AG系列多用途電磁閥，該電磁閥具有性能高，壽命長，密封性好，接線方向任意，規格品種組合多變的優良特點。AB系列為二位直動型，AG系列為二位三通型閥門。通電時吸合動鐵芯上提，開啟閥門；斷電時，動鐵芯由彈簧力作用下落，關閉閥門。

溫度傳感器采用熱敏電阻非接觸式溫度傳感器，該傳感器具有良好的絕緣性，同時測試水溫的誤差比較小，并且反應迅速，信號傳遞迅速可靠。

3 系統效果及分析

經實驗，安裝家用熱水器節水循環裝置后，當設定好溫度，打開水龍頭幾秒鐘后就有熱水流出，溫度符合設定的溫度范圍，該裝置具有良好的實用性。

家用熱水器節水循環裝置可以有效的節約生活用水。以一家3口人計算,假定每人每天洗臉、洗手共開燃氣式熱水器4次,則每天共12次,每次以平均節約1.5 L水計算,則一天可以節約用水18 L。如果全國的所有燃氣熱水器都配上這套裝置的話,一年下來可以節省自來水6億立方米,可以節約資金9億元[11]。

4 結論

本文所述熱水器節水循環裝置通過安裝小功率循環水泵作為動力源，利用智能溫控開關接收溫度傳感器采集的水溫信號，對循環水泵和電磁閥做出合理的控制，不僅能實現打開水龍頭就有熱水的功能，能有效地節約生活用水。而且該裝置具有良好的實用性，結構簡單，所占空間體積小，投資小且易于安裝，用戶使用方便。