近年來，隨著人們生活水平日益提高，熱水器市場發(fā)展迅速。然而在熱水器正常出熱水前，滯留于熱水管內(nèi)的余水和未達(dá)設(shè)定溫度的冷水無法正常利用，由此導(dǎo)致用戶等待熱水時間長。而根據(jù)大量調(diào)查數(shù)據(jù)，91%的用戶會選擇將這些冷水浪費(fèi)。此外，目前市場上關(guān)于熱水器節(jié)水式輔助出水方法也存在以下缺陷：管道排空式出水法無法排盡水平管路內(nèi)的無效冷水，且只適合于太陽能熱水器，應(yīng)用范圍比較局限；循環(huán)泵回水式出水法中循環(huán)泵持續(xù)工作，電能消耗多，管路改動大，不適合普通家庭用戶。針對以上問題，本項目組設(shè)計了一種熱水器智能輔助出水裝置。對社會而言，本裝置有利于減少水資源浪費(fèi)和能源消耗，推動熱水器行業(yè)向節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展；對用戶而言，可節(jié)省大量水資源，保障居民用水安全舒適，并可引導(dǎo)性地提高節(jié)水意識。此外，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，普適性高，易于進(jìn)行市場推廣應(yīng)用。

 

1 設(shè)計方案

熱水器智能輔助出水裝置通過溫度傳感器、液位傳感器檢測熱水管路和儲水箱內(nèi)的水況，配合電磁空氣閥、空氣增壓泵的開合以及二位三通閥的轉(zhuǎn)換，在不同場合分別采用單次大量用水模式或多次少量用水模式，從而實現(xiàn)滯留冷水的有效利用。

 

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置主要由儲水箱以及其他控制單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

 

位于儲水箱內(nèi)部底面的溫度傳感器探頭，用來檢測水溫；位于儲水箱頂部的超聲波測距傳感器，用來實時測量水位，兩者均采用玻璃膠粘合，起到密封效果。電磁空氣閥同樣位于頂部，采用螺紋連接，處于常閉狀態(tài)，其通過開閉保證箱內(nèi)氣壓穩(wěn)定；控溫顯示屏固定于儲水箱正表面，用戶可按需設(shè)定出水溫度檔位；智能混水閥由步進(jìn)電機(jī)和三通球閥通過萬向聯(lián)軸器連接，控制冷熱水進(jìn)水比例；出水閥與儲水箱間連接著空氣增壓泵，用于預(yù)混增壓出水；儲水箱由塑料外殼和搪瓷內(nèi)膽組成。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 控制方案設(shè)計

控制器主要由水溫檢測單元、水位測量單元、溫度設(shè)定單元、繼電器模塊、智能混水閥和主控單元 MCU 組成。其中水溫檢測單元采用 DS18B20 溫度傳感器，具有防水溫度探頭，滿足誤差要求同時保證足夠靈敏度，并將測得水溫數(shù)據(jù)傳送至主控單元；水位測量單元采用 HC-SR04 超聲波測距傳感器，實時將液面位置數(shù)據(jù)傳送至主控單元，判斷液面是否變化并與設(shè)定水位線數(shù)值進(jìn)行比較，從而確定儲水箱當(dāng)前工作狀態(tài)；溫度設(shè)定單元由獨(dú)立按鍵和液晶顯示屏組成，用戶可設(shè)定出水溫度，并通過顯示屏獲知實際水溫；繼電器模塊包括電磁空氣閥和空氣增壓泵，用來保證順利進(jìn)出水。

 

1.2.2 工作狀態(tài)設(shè)計

本裝置完成整套工作流程需經(jīng)過預(yù)混和出水兩種工作狀態(tài)。

 

1.2.2.1 預(yù)混狀態(tài)

用戶通過控溫顯示屏按需設(shè)定溫度檔位 T，主控單元MCU 控制繼電器開啟空氣閥，同時控制步進(jìn)電機(jī)使三通閥熱水端全開，熱水管道內(nèi)的滯留冷水與熱水器的熱水先后進(jìn)入儲水箱進(jìn)行預(yù)混，水溫 t 達(dá)到 T，控制三通閥關(guān)閉并提示用戶開啟出水閥，預(yù)混階段結(jié)束。其控制流程如圖 2 所示。

 

1.2.2.2 出水狀態(tài)

出水閥在浴室、廚房等不同場合有不同使用模式，主要分為單次大量用水模式和多次少量用水模式，其完整控制流程如圖 3 所示。

單次大量用水模式：混水結(jié)束并開始用水后，在液面到達(dá)水位線之前，水位不斷下降，控制增壓泵開啟，實現(xiàn)箱內(nèi)溫水增壓出水，提高洗浴舒適度；液面到達(dá)水位線時，MCU控制繼電器關(guān)閉空氣閥和增壓泵，并通過溫度傳感器和智能混水閥配合，實現(xiàn)定溫出水。

 

多次少量用水模式：混水結(jié)束并開始增壓出水使用后，由于用水量少，在液面到達(dá)水位線之前，用水結(jié)束，水位停止變化，系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)，等待下次用水；多次少量用水時間跨度長，箱內(nèi)水溫下降，當(dāng)用水至液面到達(dá)水位線，提示重設(shè)溫度 T 恢復(fù)初始化。

 

2 理論設(shè)計計算

2.1 儲水箱外形尺寸設(shè)計

設(shè)計儲水箱外形尺寸時，需根據(jù)熱水器排出的冷水體積與預(yù)混所需的熱水體積求和所得。武漢市居民熱水器使用現(xiàn)狀調(diào)研結(jié)果表明，各種熱水器浪費(fèi)的冷水量可按 1 L 的梯度分為 1 L、2 L、3 L、4 L、5 L 共 5 種類別。而相應(yīng)的熱水體積由熱交換公式計算得到，由此得出不同系列的儲水箱體積，從而設(shè)計出箱體的外形尺寸。

 

2.2 出水原理分析

2.2.1 預(yù)混增壓出水

為避免浪費(fèi)熱水器排出的冷水，需將該段冷水暫存于儲水箱內(nèi)并與熱水混合至設(shè)定溫度，電磁空氣閥需由常閉轉(zhuǎn)為開啟狀態(tài)，使箱體排出或進(jìn)入空氣，以便順利進(jìn)出水。此外，預(yù)混所得溫水只依靠重力勢能，一般無法提供正常水壓，所以需要通過空氣增壓泵短暫性增壓。

 

2.2.2 定溫常壓出水

液面降至水位線時，電磁空氣閥關(guān)閉，保障儲水箱氣壓的穩(wěn)定；基于壓強(qiáng)平衡原理，混水閥進(jìn)水流量取決于出水流量，使液面處于水位線，達(dá)到動態(tài)平衡。此時，智能混水閥控制水溫基本恒定，出水壓力由冷熱水自身提供，減少電能損耗，實現(xiàn)定溫常壓出水。

 

2.3 溫度設(shè)定原理分析

用戶通過溫度設(shè)定單元預(yù)設(shè)出水溫度，采用溫度梯度設(shè)定的原理，組成溫控顯示屏的每個獨(dú)立按鍵對應(yīng)溫度范圍為±2.5 ℃的檔位。此外，對于已有設(shè)定溫度的熱水器如燃?xì)馐綗崴?，本裝置設(shè)定檔位不應(yīng)高于熱水溫度，該溫度設(shè)定與熱水器溫度設(shè)定相關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步保持溫度恒定，避免發(fā)生水溫突變等安全隱患。

 

3 結(jié)束語

本裝置體積小、操作簡便，利用儲水箱對滯留冷水的暫儲或冷熱水的預(yù)混功能，在不改變居民用水習(xí)慣的同時，實現(xiàn)熱水器水資源零浪費(fèi)，能夠作為一種新型智能家居廣泛應(yīng)用于普通家庭中，與同類熱水器輔助出水產(chǎn)品相比，占有較大優(yōu)勢。

 

此外，該裝置結(jié)構(gòu)獨(dú)立、不同規(guī)格的系列化設(shè)計、單次大量用水與多次少量用水的切換模式，使其能適用于各種不同類型的熱水器。有望作為新型熱水器出水模塊，為熱水器行業(yè)的發(fā)展提供節(jié)能環(huán)保的新思路。

 

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