老人助浴装置的水温控制与管路设计

周家银，赵鑫微，任 锟，刘思路

(1.浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江 杭州 310018;2.杭州中民银创科技有限公司,浙江 杭州 310012)

0 引言

当前，老人助浴设备基本采用恒定水温控制，老人入浴直接接触热水，若水温过高易诱发心脑血管疾病，水温过低则易引起感冒或其他应激反应[1-2]。由此可见，为保证老人洗浴的安全和舒适性，有必要研究老人入浴时的水温控制技术及装置。

目前，国内老人助浴设备主要有助浴床和助浴椅2种[3-4]。国外以德国和日本为代表，老人助浴技术与设备正向自动化、个性化和智能化方向发展[5]。随着我国人口老龄化程度不断加剧，老人对洗浴安全和舒适性的要求不断提高，这与国内技术和设备相对落后之间的矛盾愈发突出，大力发展老人助浴装置显得尤为迫切。

本文以老人获得最佳洗浴体感为目标，研究老人入浴时获得最佳体感的水温控制技术及装置[6]。

1 人体适温曲线的构造

根据史蒂文斯定律可知，人体对于外界环境的感知强度与外界的刺激强度并不是单纯成正比关系[7]。基于人体适温规律，洗浴水温应控制在35～40 ℃之间，从初始水温升至目标水温的时间控制在4 min左右为宜[8]。

综上所述，模型中设定初始水温35 ℃，目标水温40 ℃，整个洗浴过程持续10 min。其中，0～15 s水温维持35 ℃不变，15～270 s水温从35 ℃按照人体适温规律逐渐升温至40 ℃，270～600 s水温维持在40 ℃不变。

1.1 最佳体感温升数据获取实验

本次实验目的在于采集入浴后升温阶段的人体最佳体感温升数据，通过最小二乘法拟合人体适温曲线。实验设备主要采用浴缸、赫斯曼一体化温度变送器(YCHSM-100)和科瑞24 V开关电源(LRS-50-24)。

实验设置初始水温35 ℃，目标水温40 ℃，每间隔15 s升高1次温度，具体通过添加冷热混合水至其感受度较好的水温[9]，记录数据。每位实验对象重复5次实验，并对5次实验数据取平均值，绘制最佳体感温升数据离散点分布图，如图1所示。

图1 最佳体感温升数据

1.2 拟合人体适温曲线

由图1可以看出，温度离散点随时间变化的总体走势趋向于某种曲线，并且升温速度先快后慢，到达4 min左右基本稳定在40 ℃。因此，完整的人体适温曲线可分为以下3段：

a.当t∈[0,15 s]时，T=35 ℃，维持初始水温不变。

b.当t∈(15 s,270 s)时，温度T从35 ℃按人体适温规律升温至40 ℃。

c.当t∈[270 s,600 s]时，T=40 ℃，保证热水浴要求。

第2段中，温度T与时间t的函数关系通过最小二乘法对实验数据取平均值后进行拟合[10]，得到完整的人体适温曲线为

(1)

绘制升温阶段人体适温曲线,如图2所示。

图2 升温阶段人体适温曲线

2 热水阀门开度控制模型研究

设定单位时间散发的热量为μ。同时考虑水流速率、水比热容、冷热混合水温以及人体最佳体感温升数据等因素，建立热水阀门开度控制模型。

2.1 储水箱内水温混合规律研究

储水箱连接有冷水管道与热水管道，整个混合过程保持冷水阀门开口大小不变，通过改变热水阀门开口大小进行水温控制。

设x1为冷水阀门的最大开口值，其为百分数。热水阀全开大小为100%，鉴于热水管道与冷水管道直径相同，则水温达到40 ℃时得

(2)

解得x1=45%，为保证出水量及洗浴安全，选取冷水阀门开口的初始值为45%。

根据热力学第一定律，得

cxm(T热-T混)=c·45%m(T混-T冷)

(3)

化简式(3)得热水阀门开度控制模型为

(4)

T热为热水温度；T冷为冷水温度；T混为混合水温度曲线；x为热水阀门控制曲线，其为百分数。

2.2 浴缸内水温混合规律研究

浴缸内的水温混合主要是储水箱流入的冷热混合水与原浴缸中水的混合，结合热量计算公式Q=c·m·ΔT，对15～270 s这段升温过程进行研究。根据冷热混合水进入浴缸增加的热量与原本浴缸内的水升至相应温度所需吸收的热量相同[11]，并结合散热，得

(5)

模型关键参数如表1所示。

表1 关键参数

结合式(1)、式(4)和式(5)，求解热水阀门控制曲线，得:

3 装置与实验

3.1 装置设计

为实现对洗浴水温的控制，设计水温控制管路[12]。管路系统主要包括冷热水进水管、电动调节阀、储水箱、温度传感器、搅拌叶片和浴缸。

其中,电动调节阀[13]由步进电机与阀门组成，基于热水阀门控制曲线，采用PLC+步进电机控制构架，实现对热水阀门开口的连续控制。冷热水进水管直接连接储水箱，将搅拌叶片设置在储水箱底部，实现冷热水的快速均匀混合。利用温度传感器实时测量储水箱中混合水温度，将测量值返回至控制模块，并与目标温度进行对比，水温过高则减小热水阀门的开口大小，水温过低则执行相反操作。若在15 s内混合水温度始终不符合设定温度，则进水口电动调节阀得到信号，关闭阀门，进水结束，发出停水警报。具体水温控制管路如图3所示。

图3 水温控制管路

结合水温控制管路设计以及实际应用需求，研制老人助浴装置样机[14]，样机主要由管路模块、浴缸本体、储水模块以及PLC控制模块组成。其中，管路模块主要包括冷热水进水管和排水管等，置于缸体底部;储水模块包括储水箱、搅拌叶片和温度传感器，直接与浴缸本体结合，置于一端;PLC控制模块主要由PLC、电动调节阀和触屏显示器组成，置于储水箱外侧。

3.2 测试实验

测试前，浴缸内放水至恒定水位，并将水温维持在35 ℃。测试开始，进水口和排水口同时打开，保持水位恒定。基于热水阀门控制曲线，连续控制热水阀门的开口大小，实现浴缸内水温的自动升高。在此期间，每间隔15 s用温度变送器测量浴缸内的水温[15]，记录数据。

整个测试过程，重复进行10次实验，每次测试周期为5 min，共计得到10组水温控制过程中的实际温度，并列出了部分测量数据(3组)，汇总于表2中。

表2 部分实验测量数据

3.3 结果分析

对上述实验获得的10组测量数据取平均值，将其与升温阶段人体适温曲线图进行比较，通过MATLAB绘制出对比图[16]如图4所示。

由图4可以看出，星号为10组测量数据的平均值，在入浴后的升温过程中，实际温度离散点分布在人体适温曲线附近，因此，水温变化的整体趋势基本符合人体适温曲线规律。

图4 实际温度与人体适温曲线

4 结束语

本文以提高老年人洗浴舒适与安全性为目标，研究入浴时人体适温控制技术及装置，主要研究内容总结如下：

a.基于人体适温规律，设计体感温升数据获取实验，采用最小二乘法构建人体适温曲线。

b.根据人体适温曲线，提出热水阀门开度控制模型，结合水流速率、热量损失和水比热容等参数，求解热水阀门控制曲线。

c.设计水温控制管路，在老人助浴装置中实际应用并设计测试实验。

最终实验结果表明，入浴时浴缸水温实际变化与所构建人体适温曲线基本吻合，实现入浴时的人体适温控制。