一体式水质预处理模块在电热水器上的研究及应用

盛保敬 王建飞 刘洋 蔡想周 赵小勇

青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101

1 引言

随着中国社会经济建设的发展，消费者生活水平的提高和中国城镇化进程的加快，热水器已经成为消费者不可缺少的家用电器。在物质生活水平飞速提升的今天，人们对电热水器的要求已经不仅仅停留在基础安全层面，而是开始追求更舒适、健康的洗浴方式。水资源污染的日益加重，使人们对洗浴用水的水质产生了前所未有的担忧，进而对洗浴的水质条件提出了更高的要求，如何才能更加健康的洗浴逐渐成为消费者新的关注点。

本文主要通过对新的洗浴净水技术的介绍，提供一种新的清洁洗浴用水方式，满足消费者对健康洗浴的诉求，并通过实验验证实现推广应用。

2 洗浴用水的现状及水清洁方式简介

人们洗浴用水主要来源为自来水和地下水，而各地的水质因为环境的不同也存在较大的差异。自来水对地下管道具有一定的腐蚀性，长期接触会造成管道生锈。锈渣及水中泥沙颗粒本身对人体无害，但通过管道进入内胆内，沉底后无法排除，最终形成胶体状物质，造成卫生死角，滋生有害细菌；另外，自来水中会残留一定量的重金属，洗浴过程中会残留在人体皮肤上，使部分敏感人群产生过敏、湿疹等不适反应；自来水出厂前会进行氯处理杀菌，在此过程中会有一部分氯残留在水中形成氯离子。氯离子对金属内胆有较强的腐蚀性，减短热水器的使用寿命，同时对人体皮肤也有一定的刺激性；地下水作为一种重要的水源，水中的泥沙、细菌等杂质含量更多，洗浴过程中对用户体感舒适度的影响会更大。基于以上水质问题，目前热水器生产商主要采取三种解决方式：一是由售后人员定期通过拆卸电热水器的镁棒，通过排污口将胆内的水排空并清洗胆壁。此方式操作复杂，需专业人员现场操作；二是通过在电热水器镁棒处安装球型阀，定期由用户将水排空并通水清洗内胆实现水质的清洁。这种方式无法将内胆中的水垢、细菌等彻底清除，留有残余杂质。同时放水过程耗时较长，浪费水源，给用户造成不便；三是通过在用户家的进水管上安装净水滤芯，这种方案滤芯体积较大，裸露在管路上影响浴室环境的一体化；同时安装时需要破坏用户的进水管路，长期承压容易造成管路破裂漏水；用户在购买热水器安装后如果再需要增加也需要对管路进行较大改动，操作复杂；同时现有净水模块不便于用户自清理，更换方式复杂，并且用户无法确认净水效果及滤芯的使用情况。

3 一体式水质预处理技术的介绍

该技术将电热水器与净水模块进行一体化设计，实现二者的结合，并通过含有多种材质滤料的复合滤芯实现洗浴用水的前端处理，保证洗浴用水及热水器内胆的清洁。

3.1 净水模块一体式实现方式介绍

一体式净水模块的实现基于循环水路结构的基础。如图1所示，冷水通过左侧的进水孔进入模块，在水压作用下沿滤芯方向向右流动，在最右侧的入口进入滤芯，并通过滤芯向左流动，最终从左侧的出水口流出，此循环水路有效缩短了模块的长度；滤芯的圆周尺寸，通过调整滤料量与水流量的比例关系，达到水流与滤料交换面积的最大化，在保证洗浴流量不受影响的前提下，压缩模块直径，使模块可以完全隐藏在热水器的防电墙罩内部，避免模块暴露在热水器的外部；因为整个体系都是在承压状态下工作的，模块外壳采用全金属材质，内部承装滤料的滤芯壳体使用高强度承压工程树脂，壳体之间螺纹连接，并使用双重硅胶圈进行密封，确保各接口的承压安全，防止漏水。模块主体预留热水器进水管接口，通过活接方便与热水器进水口直接相连，实现模块与热水器的整体结合。

3.2 净水模块净水系统介绍

水质预处理是通过净水模块的三级净水系统实现的。如图1所示，冷水通过净水模块进水口进入模块内部，沿一级滤网外部的空腔自左向右流动。在填充空腔的过程中，冷水会透过一级滤网，进入滤芯内部。一级过滤为120目的不锈钢滤网，阻止水中的大颗粒泥沙、铁屑进入滤芯；水通过一级滤网后，会沿着滤网与滤芯之间的空腔向右侧流动，进而从右侧的入口进入滤芯。二级过滤为复合滤层，水在从右向左的流动过程中与复合滤料接触，滤料通过吸附、置换等物理化学过程，将水中的重金属、余氯及细菌等过滤出来；在滤芯的最左侧是三级过滤网，将水中的微量滤料阻隔在滤网内部。经过以上三重过滤，预处理过的净水才从模块的出水口流程并进入热水器内胆中。

3.3 净水模块核心滤芯介绍

作为核心的部分，目前市场上的洗浴净水滤芯主要选择活性炭或者维生素C作为滤料。活性炭滤料过滤效果通常需要滤料量保障，往往导致模块的体积较大，在高温的条件下，会反析出杂质，弱化净水效果，还容易滋生细菌；维生素C、亚硫酸钙滤料很难控制释放速度，导致滤芯的使用寿命短。表1为单组分滤料除去余氯效果试验对比，从表中可以看到，单组分滤料前期过滤效果较好，但随着使用时间的延长，过滤效果衰减较快。经滤料分析，单组分滤料在过水过程中容易发生板结现象，降低交换面积而影响净水效果。

从表1中可以看到，铜锌合金单组分滤料的持久性最好，选择其作为主要的滤料成分。而通常不同特定范围大小的颗粒组合可以打乱颗粒之间的排列次序，降低颗粒的比表面能，使合金颗粒保持足够表面积的同时合金颗粒间的接触面尽量减少，从而减少颗粒之间的聚集作用。因此在铜锌合金中尝试混合一定比例的亚硫酸钙和活性炭，配成多组分的复合滤料。加入一定量的亚硫酸钙可以提升滤芯前期的除余氯效果，加入一定量的活性炭能对水中的异味和余氯有较强的吸附作用，同时可以起到对金属颗粒的适当隔离，减少板结现象的发生。

图1 净水模块结构剖视图

图2 净水模块的余氯去除率效果随走水量的变化

通过对多组不同配比滤料的除余氯及除菌试验结果对比，从表2和表3的数据中可以发现，当铜锌合金/活性炭/亚硫酸钙的质量百分含量配比为85%/10%/5%时，滤芯的除余氯和杀菌的效果最明显，且持续性最好，因此滤料配比选择5号样品配比。经分析，亚硫酸钙的加入可以在水温较低的情况下弥补金属合金对余氯去除效果不理想的问题。铜锌合金有较好的耐高温性能，当进水口偶尔有热水回流现象时，滤料不会因为水温过高而失效。观察过水后的滤料品貌发现，混合10%活性炭的滤料明显更分散，滤料板结现象少，分析该现象的原因是活性炭的加入在一定程度上隔离了铜锌合金颗粒，使合金颗粒更难接触发生聚集现象。

图3 净水模块与电热水器连接示意图

表1 单组分滤料对去除余氯的效果对比数据（注：组分百分含量为质量百分含量）

表2 不同配比的混合滤料对去除余氯效果的对比数据（注：复合组分百分含量为质量百分含量）

表3 不同配比的混合滤料对去除细菌效果的对比数据（注：复合组分百分含量为质量百分含量）

表4 净水模块的除菌性能测试结果

4 净水效果试验结果及分析

通过上述分析确定了复合滤料的组成成分及各组分含量比例关系，并根据得到的结论试制了成品模块，进行去除余氯和杀菌的试验，试验结果如图2和表4所示。

图2是净水模块的余氯去除率与过水量的变化关系图，从图中可以看到，净水模块的除余氯效果随着过水量的增加没有明显的衰减，过水量超过120吨时余氯去除率仍然可以达到65%（大量调研数据显示，120吨水大约为普通3口家庭1年的热水使用量）。也就是说，一个滤芯在除余氯方面可以连续使用1年时间。除余氯效果较好且持续性好。表4是净水模块的除菌性能测试结果汇总表，从表中可以看到，净水模块的除菌效果较好，抑菌率可以达到90%以上。对于用户来说，完全可以达到健康洗浴的效果。

5 净水模块应用方案

通过净水模块净水能力的验证结果，结合电热水器水路设计特点，可以将净水模块与电热水器通过现有的标准连接件有机地结合为一个整体，达到对洗浴用水预处理的目的。净水模块与电热水器的一体式连接方案如图3所示。

5.1 净水模块与电热水器的结合方案简介

如图3所示，净水模块的进水口端预留外丝，用于连接安装电热水器必须的安全阀和水流量传感器。净水模块的出水口预留活接，可以直接与电热水器的进水管相连。管路中的冷水流经净水模块，去除水中的杂质后，才会进入热水器内胆中。考虑到模块的外壳重量较大，为保证模块与热水器固定牢固可靠，可以根据净水模块的外壳直径，设计专用的支架。模块与热水器连接完毕后，用螺钉将支架与热水器固定在一起，确保净水模块安装牢固。根据净水模块安装后的高度，合理设计热水器防电墙罩的高度，确保安装后净水模块完全不会出现在用户视野内。提升热水器整体外观精细化效果。在热水器的使用过程中，水中的泥沙颗粒会被隔离在净水模块一级滤网外，时间越久淤积的泥沙越多，会导致进水流量的减少，降低洗浴的舒适度。扩大滤网的孔径解决堵塞会降低模块的净水效果，同时杂质颗粒会降低滤芯的使用寿命。拆卸滤芯清洗工作量较大，同时存在拆卸安装漏水隐患。因此，净水模块在一级滤网处可以设置自清洁排污口，当泥沙堆积至一定程度，用户可以自行打开排污开关，在有水流的情况下将滤网外沉积的泥沙冲洗出来。待排出的水没有杂质后关闭排水阀门即可。用户可以根据洗浴时最大水流量的变化，判断泥沙的沉积情况，定期进行排污操作，保证水质清洁的同时可以延长滤芯的使用寿命。

5.2 净水模块检测系统设计

现有净水功能的热水器对于滤芯更换一般以固定周期作为依据，定期更换滤芯。但因为各地区水质差异较大，水质好的地区容易造成滤芯浪费，水质差的地区则无法保证净水效果。为实现智能跟踪水质、滤芯使用情况及提示用户的功能，净水模块可以搭配了特定的检测系统，并通过热水器的控制系统直观的为用户提供智能提示。净水模块滤芯的使用情况可以从多个不同的维度进行检测。第一维度是水流量检测。从热水器第一次检测到用户用水开始统计用水量，滤芯净水量的增加表示净水滤芯的消耗，此作为滤芯更换的第一判断条件；第二维度是出水管口TDS值检测。热水器出水口流出的水TDS会随着滤芯的消耗发生变化，此作为滤芯更换的第二判断条件；第三维度是加热时长检测。从热水器正常通电加热到设定温度开始累积加热时间，加热时间间接反映出滤芯的使用时长，此作为滤芯更换的第三判断条件。找到判断净水模块使用情况的判断条件后，通过热水器控制面板上的指示灯，直观的为用户反馈模块是否可以继续使用。

图4中蓝色的环形灯可以代表滤芯的使用状态。滤芯使用初期，环形灯全亮，随着热水器的不断使用，滤芯消耗的同时，环形灯会逐一熄灭。当蓝色灯环全部熄灭时，说明净水模块滤芯已经达到净水的极限，需进行更换保证净水效果。更换滤芯后，操作控制系统的复位键，流量、TDS值及热水器工作时间数据会清零重新计算，同时环形灯会重新全部点亮。通过上述监控系统，用户可以很直观的看到模块的使用情况，并根据提示更换滤芯。

6 结束语

通过上述净水模块的工作原理论证、实验数据分析，体现了该模块对洗浴用水的净化作用，确保用户洗浴用水的清洁。此模块目前已经在上市产品中得以应用。随着人们对健康洗浴意识的不断提升，净水产品未来的市场需求也会越来越高，净水模块为健康型电热水器提供了新的发展方向，可以带动整个电热水器行业健康技术升级，为热水器行业提供更广阔的研究空间。

[1] GB/T 20289-2006 《储水式电热水器》.

[2] GB 21519-2008 储水式电热水器能效限定值及能效等级.