容积式开水器结构优化与节能控制系统研制

李玉玲，王祥仲

（1.北京联合大学 生物化学工程学院，北京 100023；2.华北科技学院 计算机学院，河北 廊坊 101601）

0 引 言

我国是能耗大国，在资源极度短缺的背景下，节能减排已成为国策，但在我们身边仍有大量用电设备存在无效的能量消耗却并未引起人们的足够重视。容积式电开水器就是一种节能潜力巨大，但被忽视的典型用电设备。

1 研究现状

在教学楼、宿舍楼、办公楼等公共建筑物中，容积式电开水器已成为常规配置，成为建筑电耗的主要源头之一。传统的电开水器一般采用单水箱结构，电加热器功率大，只有一个温度传感器和一个液位开关，导致无效电耗较大。通过调研分析，发现产生无效电耗的主要因素[1]：使用模式和结构不合理，造成热水器频繁加热；存在热桥，导致外表面散热浪费巨大。如果通过调研和实验方式，查找出传统电开水器产生无效电耗的原因，研究有针对性的节电技术措施，将大幅降低其电耗，具有较大的实际应用价值。

2 方案设计

2.1 可控式出水模式

2.1.1 存在问题

传统开水器的供水方式多采用普通水龙头，受人们行为习惯的影响，水和能量的浪费现象比较普遍。因此，我们必须改进人们的行为模式，实现按需供水。

2.1.2 技术措施

（1）出水方式：普通模式和按需模式。

（2）硬件结构：在水龙头上安装电磁阀，控制器按设定的出水时长实现按需定量供水控制。

（3）出水时长设定：通过对不同功能建筑物的观察和调研，经过统计得到饮用水量定额，见表1所列。

表1 饮水量定额表

（4）出水动作逻辑分为按需模式与普通模式。按需模式即点动模式。按需要供水：水量/（人×天），若容器已满，水未停，则手动关水并清零。普通模式需长时间按住按钮。在特定条件下，有大水量需求时，采用普通模式，长时间按住按钮即可。放开按扭，则立即停止供水，恢复到按需模式。控制器可实现自动记时，计算供水时间。

2.2 双水箱结构设计

2.2.1 存在问题

（1）传统开水器一般采用单水箱结构，需要整箱水都达到100 ℃方可饮用，所需电加热器功率较大，且需反复烧水。

（2）人们对饮用水的需求不同，但水沸腾后晾成温水才能饮用。泡茶时80 ℃的水温最为适宜，但夏天水温需适合直接饮用。

2.2.2 技术改进措施

将开水器做成双水箱结构，如图1所示。右侧开水箱：小容积；左侧温水箱：大容积。温水箱采用溢流方式，从开水箱流入温水箱，温水箱最低温度控制为45 ℃。采用此措施后，电加热器功率减少了1/3。

图1 双水箱结构

2.3 进水方式优化

2.3.1 存在问题

传统的开水器进水口开在箱体内壁，水以射流掺混方式进入，电加热器难以进行有效加热。传统进水方式如图2所示。

图2 传统进水方式

2.3.2 技术改进措施

（1）在设计上，将进水管插入加热器上部，在进水管下部均匀开孔，电加热器可较充分的加热进水。水流状态优化加热技术提高了加热效率。改进后的进水方式如图3所示。

图3 改进后的进水方式

（2）在逻辑上，先开电加热器，延迟一定时间后再进水。

2.4 防热桥措施

2.4.1 存在问题

开水器热成像如图4所示。传统开水器由于2个水龙头与外壁连接，形成热桥，导致外壁温度较高，出口处温度最高可达到65 ℃，外壁散热损失较大[2]。

图4 开水器热成像

2.4.2 技术改进措施

用绝热材料处理防热桥，减少外壁散热，具体结构如图5所示，改进后的热成像效果如图6所示。通过图4、图6对比A、B两点可以发现，防热桥作用明显。

图5 防热桥装置

图6 改进后的热成像

2.5 多传感器技术

2.5.1 存在问题

传统单水箱开水器只有一个温度传感器和一个液位开关，只能实现简单控制功能。为了实现可控式出水和双水箱模式，需采用多传感设计。

2.5.2 技术改进措施

为达到节能目的，安装了开水箱温度传感器、温水箱温度传感器、开水箱高液位开关、温水箱高液位开关、开水箱低液位开关和温水箱低液位开关，优化进水、供水、电加热过程，降低电加热器启动频率。传感器示意图如图7所示。

图7 传感器示意图

字母符号见表2所列，动作逻辑见表3所列，故障处理见表4所列。

表2 符号说明

表3 传感器动作逻辑

表4 故障处理

2.6 自动断电功能

电热水器安装后，需由物业值班人员进行开闭操作。通过设置自动断电，解决了夜间或者午时电开水器空载，浪费电能的情况。遇到特殊情况时电热水器也会自动断电（如水阀漏水等）[3]。

3 理论设计

3.1 公式说明

为了节约电能，我们为开水箱和温水箱设置了不同功率的电加热器；在开水箱处将加热器设置为两组，可在不同环境下分组使用，从而节约电能。目前一般采用以下步骤进行电加热器的选择计算。

（1）计算在规定时间内加热至设定温度所需功率：

（2）计算介质温度不变前提下，实际需维持温度的功率：

根据以上计算结果选择加热器的型号和数量。

符号说明：C1，C2为容器和介质的比热；M1，M2为容器和介质的质量；M3为每小时所增加的介质质量；ΔT为目标温度和初始温度之差；P为最终温度下容器的热散量。

3.2 计算结果

电加热器计算见表5所列。

表5 电加热器计算表

4 开水器智能控制

为了实现容积式开水器的功能，需对其进行智能控制。本系统采用MCXS128单片机作为控制器。

4.1 信号输入与输出

输入信号包括液位、温度等，如图8所示。输出信号包括加热、供水等，如图9所示。

图8 信号输入

图9 信号输出

4.2 流程

为实现设计的动作模式，设计了如下3种模式的流程。

4.2.1 注水模式流程

注水模式流程如图10所示。

图10 注水模式流程

4.2.2 开水箱出水模式流程

开水箱出水模式流程如图11所示。

图11 开水箱出水模式流程

4.2.3 温水箱加温模式流程

温水箱加温模式流程如图12所示。

图12 温水箱加温模式流程

5 实物展示

热水器外观如图13所示，控制线路如图14所示，内部环境如图15所示。

图13 外观

图14 控制线路

图15 内部环境

6 节能分析

以本校办公楼为例，对改进后的开水器进行节能分析。

（1）通过改造热水器，改变了人们的行为模式，有助于全校师生树立环保意识。

（2）采用双水箱结构，降低电加热器功率，可根据观察的加热时间计算保持水温所用电量。

（3）根据区域外壁平均温度、表面积、换热系数可简单估算降低的外壁散热量，见表6所列。

表6 开水器散热量计算表

（4）采用的多传感器技术和水流优化加热技术等措施可有效降低能耗[5]。

7 结 语

北京地区约有150万台普通电加热管开水器，其中党政机关、医院、学校约为30万台。如果全部更换为改进型电开水器，每年节电约18亿千瓦时，节约资金约12.6亿元，可减少CO2排放179.46万吨，减少SO2排放5.4万吨。改进型容积式开水器具有广阔的应用前景与良好的社会效益。