劉霞 徐昭 徐 琯 劉 洪 徐浩

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司綦南供電分公司 重慶 401420；2.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院 武漢 430205； 3.武漢海關(guān)技術(shù)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(xiàn)恒溫出水，但是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，費用較高[4]。為節(jié)約用水，提高人們的生活質(zhì)量，簡單實用的家用熱水器節(jié)水循環(huán)裝置的研制就顯得很有必要。

1 設(shè)計方案

1.1 總體設(shè)計方案

熱水器節(jié)水循環(huán)裝置總體設(shè)計方案圖如圖1所示。熱水器節(jié)水循環(huán)裝置需要安裝一段循環(huán)水管[5,6]，由循環(huán)泵、智能溫控開關(guān)、溫度傳感器和布設(shè)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(guān)組成。

圖1 熱水器節(jié)水循環(huán)裝置設(shè)計方案圖

熱水器節(jié)水循環(huán)裝置方案的核心是由智能溫控開關(guān)、溫度傳感器、電磁閥、雙控開關(guān)、循環(huán)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(guān)，如低于預(yù)定的下限溫度，則啟動循環(huán)泵對熱水管內(nèi)的水進行循環(huán)加熱，當檢查到溫度超過預(yù)定的上限溫度，則停止循環(huán)泵工作，從而維持熱水管內(nèi)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(huán)泵提供對管道殘余冷水進行循環(huán)的動力，使得水有比較快的循環(huán)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(huán)加熱時水反流入主供水管道。雙控開關(guān)布置在水龍頭和淋浴蓮蓬用水點處，當設(shè)置溫度偏高而等待過久時可以用來將泵直接停止。開關(guān)板上的信號燈亮表示智能溫控開關(guān)在工作，當用戶不用熱水時，可以按下雙控開關(guān)令信號燈熄滅。

1.2 智能溫控開關(guān)的設(shè)計

智能溫控開關(guān)將溫度控制器集成在30×45×70 mm3的空間內(nèi)，可設(shè)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(guān)來進行控制，通過電磁作用來實現(xiàn)閥門的開啟與關(guān)閉。水泵開始工作后，電磁閥由開到閉，當溫度達到設(shè)定溫度后，智能溫度開關(guān)將泵停止，與此同時電磁閥重新變?yōu)殚_啟。實際工作過程中不需要對水加熱時，電磁閥的常開狀態(tài)對用水沒有影響。

智能溫控開關(guān)中央控制單元ECU的控制規(guī)則為：

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

2）當需要熱水時，用戶可以通過智能溫控開關(guān)設(shè)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(guān)，智能溫控開關(guān)將測得的溫度與設(shè)定溫度做比較，當水溫低于設(shè)定溫度時，電磁閥的狀態(tài)由常開狀態(tài)變?yōu)槌ｉ]，同時開啟循環(huán)泵，在循環(huán)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(huán)加熱。當水管中水的的溫度達到設(shè)定溫度時，電磁閥打開，循環(huán)泵停止工作。

1.3 循環(huán)泵所需功率的計算

根據(jù)GB 50013－2018《室外給水設(shè)計規(guī)范》推薦流速和Carrier設(shè)計手冊的推薦值，可知流速控制與管徑有關(guān)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(yè)社會承諾，自來水管網(wǎng)壓力達到0.14 Mpa即為合格。按照GB 50096-2011《住宅設(shè)計規(guī)范》6.1.2的規(guī)定，套內(nèi)分戶水表前的給水靜壓力不應(yīng)小于50 kPa。GB 50096-2011《住宅設(shè)計規(guī)范》6.1.3又規(guī)定，住宅室內(nèi)給水系統(tǒng)最低給水點的靜壓力宜為300～350 kPa，大于400 kPa時，應(yīng)采用豎向分區(qū)或減壓設(shè)施。民用住宅用戶管道壓力不低于0.16 MPa?；谝陨弦?guī)定，在設(shè)計計算中，選取的相關(guān)參數(shù)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(tài)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(tǒng)性能曲線的交點，此時泵的揚程與管路系統(tǒng)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(jīng)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(shè)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(huán)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(huán)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?？紤]到效率的關(guān)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(shù)，循環(huán)泵的功率最終確定為80 W。

2 裝置的選取與實現(xiàn)

智能溫控開關(guān)采用欣靈品質(zhì)數(shù)顯溫控開關(guān)HH48NE5C4來改進和組裝，如圖2所示。該智能溫控開關(guān)在測量的溫度范圍內(nèi)能根據(jù)用戶所設(shè)溫度范圍對系統(tǒng)進行溫度控制。用戶設(shè)定的溫度參數(shù)存儲到存儲器中，并存儲有參數(shù)的多個備份，掉電不會丟失數(shù)據(jù)。有4種不同的溫度控制模式，可實現(xiàn)（-20～120）℃范圍內(nèi)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(guān)閉輸出），輸出指示燈同時熄滅。

圖2 智能溫控開關(guān)簡圖

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

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(guī)格品種組合多變的優(yōu)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(guān)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(yīng)迅速，信號傳遞迅速可靠。

3 系統(tǒng)效果及分析

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

家用熱水器節(jié)水循環(huán)裝置可以有效的節(jié)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(jié)約1.5 L水計算,則一天可以節(jié)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(jié)省自來水6億立方米,可以節(jié)約資金9億元[11]。

4 結(jié)論

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