一种新型节能环保杀菌消毒饮水机的研究与应用

魏礼松 周梦德

艾欧史密斯（中国）环境电器有限公司 江苏南京 210038

饮水机是一种能够满足人们日常饮水需求的器具，能够向用户提供温水，或者温水与热水、冷水等的组合[1]。饮水机与传统的开水器相比具有以下优点：第一是节能，由于饮水机采用热交换技术，相对传统的开水器而言，能够节约电能80%以上；第二是直饮，能够保证用户直接饮用到30至45℃的温开水（该温开水是被高温消毒的水与进水换热后冷却下来的水）。由于饮水机具有上述优点，其在各个场合得到了广泛的应用，包括：学校、医院、大型超市等等。然而，对饮水机而言，其提供温开水的出水管路中在使用过程中容易滋生细菌[2]。主要原因在于出水管路内流通的是30至45℃（摄氏度）的温水，该温度非常适宜细菌的繁殖。特别是当用户一段时间不使用时，出水管路中静置的水环境为细菌提供了适宜的温度和湿度，导致细菌在此大量繁殖，常被称为饮水机的二次污染问题[3]。为解决这一问题，现有技术中一种常见的解决方案是直接将储水罐中的“隔夜水”从排污口进行排空。后续如果需要对出水管路进行杀菌，则可能会利用储水罐中加热至设定温度（该设定温度低于沸点温度，一般为94至95℃）的水进行冲洗。但是上述排空和杀菌的方式在节能环保以及杀菌可靠性上均有待提高。因此有必要对饮水机作进一步改进，实现节能环保并保证有效杀菌，提高用户体验。本文将在传统饮水机的基础上，加以改进，提出一种新型环保的饮水机杀菌消毒方案。

1 总体方案设计

本方案拟提出一种新型饮水机，能够利用待排出的水对出水管路进行杀菌，既能够有效避免传统饮水机存在的二次污染问题，还可以同时兼顾节能环保的虚求，带来较大的用户体验提升。这就需要巧妙利用饮水机出/入水的管路结构，对出水和入水管道进行合理有效改进，保证在下一取水周期之前，对出水管路进行简单便捷且较为充分的杀菌消毒操作，较佳地避免用户喝到受细菌污染的水，保证用户的身体健康并提高用户的使用体验。

一般的，为了避免饮水机的二次污染问题，隔夜水需要被排空。在向用户供水前，会将储水罐中的隔夜水通过排污口进行排空，后续再向储水罐中注入水，并将注入的水加热至预定温度（该设定温度低于沸点温度，一般为94至95℃）。后续可以利用该预定温度的热水冲洗出水管路。但是，目前的排空和消毒是相对独立的两个过程，不仅效率低下，而且还会浪费较多的水资源，最重要的是最后的杀菌效果也无法得到较佳的保证。假如冲洗用的热水较多，则会导致更多的水资源浪费，假如冲洗用的热水较少，很有可能并不能达到理想的杀菌效果。

本设计中饮水机系统中没有额外复杂冗余的杀菌系统，仅利用特定管道组成的消毒通路就可以对水路管道进行行之有效的杀菌。饮水机常规取水和杀菌消毒操作的示意图如图1所示。

2 饮水机结构及杀菌方案设计

2.1 供水水源

从水源上来说，该饮水机具有净水系统，从自来水端供入的水，在经过净水系统净化后，可以将自来水进行高效过滤，去除有害物质，获得净化后的常温水。该净水系统与饮水机进水阀连通，从而能将净化后的常温水通入进水管路中。采用自来水也大大降低了用水成本。

图1 饮水机常规取水和杀菌消毒操作示意图

2.2 饮水机结构设计

本设计中的饮水机主要包括储水罐，供/取水管路和排空消毒管路，换热机构和人体感应装置等，具体如图2所示。

图2 饮水机结构图

（1）储水罐设计。在常规取水阶段，置有加热元件的储水罐将对储存的水进行加热。特别指出：①这里采用圆柱形储水罐，这是由于圆柱形水罐具有较佳的承压能力。当储水罐加热而产生较大压力且该压力没有被及时排放出时，圆柱形储水罐各个方向上承受的压力比较均匀，整体上耐压能力较佳，抗变形能力较强；②加热元件可以采用电加热的形式，比如设置在内部的加热棒。加热棒的个数可以为一个，也可以为多个。当加热棒的个数为多个时，可以根据实际加热功率等需要，启动加热棒中的一个或者全部。此外，对于单个加热棒而言，还可以采用加热功率可调的形式；③整体上，为了保证在排空时能够将储水罐中的水彻底排出，排水口被设置在储水罐的低端。此时，排水口不仅可以作为排空时的出口，还可以作为进水口用于向该储水罐供水；④储水罐顶端设置有进气口，用于将储水罐中的气体排出，并设置有机械式排气阀（由悬浮球以及与外部大气相通的配合孔构成），以保证储水罐能始终处于满罐的状态。具体实现方式为：没有满罐时，悬浮球与配合孔之间有一定的间隙，储水罐中的空气能够通过该间隙由配合孔向外排出；满罐时，悬浮球将配合孔封堵。因此在整体上可以保持储水罐内始终满罐，且其内部的水流动力均来自于进水端水压，无需增加额外的水泵作为动力源，节能环保，并且出水量始终等于入水量，出水流量大且稳定。

（2）管路设计。饮水机供取水管路总体上可以分为3路，具体如下：①供水管路。下游一端与储水罐进水口（也是排空时的排水口）相连接，另一端设置有进水阀，与净水系统相接。进水阀可以选用电磁式的进水阀，与控制器电性连接，当接受到控制器的控制信号后，可以打开或关闭。一般的，该进水阀处于常开状态，当需要启动热水排空消毒模式时，进水阀处于关闭状态；②取水管路。一端与单向阀相连通，另一端设置有电磁式出水阀，与控制器电性连接，开关可控。此外，出水阀还可以设置有感应器，当识别到用户的人体信号时即打开出水，或者设置手动开关，当用户打开该手动开关时，出水阀即打开出水。其中，出水阀的个数可以根据需要设置一个或多个；③旁通支路（排空消毒管路）。储水罐上端的出水口下游设置有第一单向阀，用于保证出水口至取水管路单向导通，且单向阀下游与排水口之间设置有水泵和电磁阀，由旁通支路进行连接。同时，在旁通支路中设置第二单向阀，用于保证所述旁通支路中的水自上游端至下游端单向导通。在某些特殊情况下，例如水压波动时，旁通支路中的水不会倒流，从而提高了管路整体的可靠性。

（3）其他设计。主要包括换热机构，比例阀，文丘里结构及人体感应装置等。①换热机构：考虑到节能环保的需求，可以在供水管路与取水管路之间设置热交换器，使供水管路通过热交换的方式至少能与部分取水管路换热。其中，热交换器包括：内外套设的内管和外管。其中，内管设置在取水管路中，用于出温度较高的热水，外管设置在供水管路中，用于对热水进行降温冷却，同时外管中被热水预热后的水供入储水罐中，可以达到节能的效果。为保证换热效果，热交换器呈螺旋型。②比例阀：饮水机还包括比例阀和供水管路（包括第一支路和第二支路），其中，第一支路、第二支路分别与比例阀相连通，第一支路为设置有外管的支路，从进水阀流入的常温水流经第一支路的外管时能与内管中的高温水进行换热，以对内管中的高温水进行冷却。第二支路直接将进水阀供入的常温水传送给储水罐。比例阀用于调节进入第一支路和第二支路的流量。例如，当外界环境温度较高，需要适当调低出口的温度时，可以通过该比例阀进行调节，加大进入第一支路的水流量，使得从储水罐流出的高温水能够被冷却至预定的较低温度。同样的，当外界环境温度较低时，需要适当调高出口的温度时，可以通过该比例阀进行调节，减小进入第一支路的水流量，使得从储水罐流出的高温水不被冷却至较低的温度。③文丘里装置及人体感应装置：取水管路中靠近出水阀的位置设有缩颈段带开口的文丘里结构，当取水管路中有流体流通时，缩颈段在开口位置形成负压，管路中的流体不会从开口位置流出。常规取水阶段以及启动热水排空消毒模式或蒸汽消毒模式时，出水阀处于打开状态，取水管路中有流体流通，此时，流体可以通过出水阀的出口排出，而不会从文丘里的开口溢出；另一种情况，在热水排空消毒模式或蒸汽消毒模式下，为了防止从出水阀流出的沸水或蒸汽误伤用户，借助饮水机中设置的与控制器相连接的人体信号识别模块，在接收到人体识别信号后，出水阀关闭，储水罐中产生的蒸汽或沸水通过文丘里结构的开口排出。人体信号识别模块包括下述中的任意一种或其组合：红外检测模块、按键模块、语音接收模块、WIFI模块。以红外检测模块为例，红外检测模块可以检测到预定范围（例如3米至5米）内的人体信号，当用户靠近时，出水阀立即关闭。

2.3 杀菌消毒方案

主要包括热水排空消毒模式，蒸汽消毒模式，UV杀菌灯消毒模式，可以为一种或多种模式的组合。

（1）热水排空消毒模式：当启动热水排空消毒模式时，进水阀关闭，电磁阀打开，水泵启动，在水泵的驱动力下，将储水罐中的满罐沸水自排水口（也是常规取水时的进水口，但由于此时进水阀关闭，进水口仅作为排空消毒的排水口）流经电磁阀和旁通支路，并由取水管路向外排出。也就是说，当启动热水排空消毒模式时，饮水机内的储水罐、水泵和旁通支路、取水管路相连通形成排空消毒通路。该通路中的流通的热水为储水罐中被加热的沸水，并且该沸水是需要被排出的隔夜水。

（2）蒸汽消毒模式：当启动蒸汽消毒模式时，加热元件启动，将储水罐中充满的水加热至沸腾后产生预定时长的蒸汽，蒸汽自储水罐的出水口由取水管路排出。

（3）蒸汽+热水排空消毒模式：在启动热水排空消毒模式进行隔夜水冲洗前，可以先对取水管路进行蒸汽杀菌。具体的，可以将储水罐中待排出的隔夜水加热至沸腾，沸腾时产生的蒸汽通过出水口流经取水管路后可以从出水阀排出，从而实现了对取水管路的蒸汽杀菌。其中，蒸汽流经的路径为饮水机正常工作时的出水路径。蒸汽杀菌的预定时长至少为1分钟。当蒸汽消毒模式结束后，可以启动热水排空消毒模式。当取水管路经过蒸汽消毒和沸水排空消毒后，菌落数能降为0。

（4）UV杀菌灯消毒模式：出温水段的取水管路在一段时间不出水后容易滋生细菌。为了尽可能降低取水管路中细菌数量，可以在取水管路中设置UV灯杀菌机构。UV灯是利用紫外线的杀菌原理制成的灯管，可以较好地杀灭水中的各种细菌。

3 应用实例

对于学校用的饮水机（以下简称校园机），启动消毒模式的启动信号可以通过设置定时器定时启动，也可以通过设置按钮手动启动。当通过定时器定时启动时，其开机时间可以根据需要进行设定，例如为早上6点钟。针对该开机时间，可以设置启动消毒模式（包括热水排空消毒模式和蒸汽消毒模式）。其中，例如蒸汽消毒模式对应的时长可以为15分钟，热水排空消毒模式对应的时长可以为30分钟。则在5时15分时，通过定时器发出信号首先启动蒸汽消毒模式。

当启动蒸汽消毒模式时，关闭进水阀，打开取水阀，加热元件启动。加热元件的加热功率调至最大，以将储水罐中的水快速加热至沸腾；然后利用沸水产生的蒸汽对取水管路进行消毒15分钟。正常情况下，出水阀打开时，蒸汽从出水阀的出口排出。当用户靠近校园机时，为了避免高温蒸汽烫伤用户，出水阀关闭，蒸汽通过文丘里结构的开口排出。当储水罐中的水沸腾预定时长后，即上述的蒸汽流通15分钟后，蒸汽消毒模式结束，启动热水排空消毒模式。此时，排水口下游的电磁阀打开，水泵启动，将储水罐中充满的沸水自取水管路排出，完成储水罐排空的同时实现了对取水管路的消毒杀菌。同样的，沸水的终端出口可以为出水阀的出口或文丘里结构的开口。因此，在特殊情况下，当校园机处于排蒸汽或沸水的状态时（即处于蒸汽消毒模式或热水排空消毒模式时），在接收到人体信号识别模块获取到的人体信号时，关闭取水阀，储水罐中产生的蒸汽或者沸水通过文丘里结构的开口排出，从而避免高温的蒸汽或水误伤用户。

4 结语

针对饮水机存在的二次污染问题，本文提供了一种新型节能环保杀菌消毒饮水机，通过在储水罐的出水口下游的第一单向阀与排水口之间设置水泵和电磁阀，引入旁通支路，改变了传统的排空路径，将排空路径和消毒路径进行了巧妙地合并。具体而言，将储水罐中待排空的隔夜水加热至沸腾，并利用储水罐、水泵和取水管路相连通形成的消毒通路进行排水（蒸汽）和杀菌，实现了节能环保，且能够保证有效杀菌，大大提高了用户的使用体验。