基于智能温控的热水器节水循环装置的研制

刘霞 徐昭 徐 琯 刘 洪 徐浩

（1.国网重庆市电力公司綦南供电分公司 重庆 401420；2.武汉工程大学电气信息学院 武汉 430205； 3.武汉海关技术中心 武汉 430051；4.成都智明达电子股份有限公司 成都 610091； 5.上汽大众汽车有限公司 上海 201805）

前言

热水器通过热水管道与水龙头和淋浴莲蓬用水点连接。由于水龙头与热水器之间有一段距离，当人们使用热水时，从龙头里通常先流出一段冷水。流出冷水量的多少随水龙头与热水器之间距离的增加而增加。一般这部分流出来的冷水会被浪费掉。另外，人们洗澡前等候冷水加热成热水的过程，不仅使人感到烦恼，而且还容易感冒[1]。

虽然市场上销售的热水器种类很多，但是很多热水器没有解决好洗澡前出冷水浪费水资源的问题[2,3]。有些高端的热水器虽然能实现恒温出水，但是实现结构较复杂，费用较高[4]。为节约用水，提高人们的生活质量，简单实用的家用热水器节水循环装置的研制就显得很有必要。

1 设计方案

1.1 总体设计方案

热水器节水循环装置总体设计方案图如图1所示。热水器节水循环装置需要安装一段循环水管[5,6]，由循环泵、智能温控开关、温度传感器和布设的温度传感器信号线、温度控制仪信号传输线、电磁阀、单向阀、双控开关组成。

图1 热水器节水循环装置设计方案图

热水器节水循环装置方案的核心是由智能温控开关、温度传感器、电磁阀、双控开关、循环泵所组成的自动控制装置。温度控制器中的温度传感器将水温信号传递给智能温控开关，如低于预定的下限温度，则启动循环泵对热水管内的水进行循环加热，当检查到温度超过预定的上限温度，则停止循环泵工作，从而维持热水管内的水温在一定的范围。

温度传感器布置在用水干道与主要干道的交接处，用来采集水温。循环泵提供对管道残余冷水进行循环的动力，使得水有比较快的循环速度，要求启动迅速，寿命可靠。单向阀只允许水向一个方向流动，可以防止在对管道残余冷水进行循环加热时水反流入主供水管道。双控开关布置在水龙头和淋浴莲蓬用水点处，当设置温度偏高而等待过久时可以用来将泵直接停止。开关板上的信号灯亮表示智能温控开关在工作，当用户不用热水时，可以按下双控开关令信号灯熄灭。

1.2 智能温控开关的设计

智能温控开关将温度控制器集成在30×45×70 mm3的空间内，可设定温度上下限，可以接受温度传感器传来的温度信号。

电磁阀由智能温控开关来进行控制，通过电磁作用来实现阀门的开启与关闭。水泵开始工作后，电磁阀由开到闭，当温度达到设定温度后，智能温度开关将泵停止，与此同时电磁阀重新变为开启。实际工作过程中不需要对水加热时，电磁阀的常开状态对用水没有影响。

智能温控开关中央控制单元ECU的控制规则为：

1）当不需要用热水时，电磁阀为常开状态，此时热水器的性能与未装热水器节水循环装置时一样。

2）当需要热水时，用户可以通过智能温控开关设置温度上下限。温度传感器从水龙头处采集的温度信号通过温度传感器信号线总成输送到智能温控开关，智能温控开关将测得的温度与设定温度做比较，当水温低于设定温度时，电磁阀的状态由常开状态变为常闭，同时开启循环泵，在循环泵的作用下，管道中的水开始流动，热水器对管道中的残余冷水进行循环加热。当水管中水的的温度达到设定温度时，电磁阀打开，循环泵停止工作。

1.3 循环泵所需功率的计算

根据GB 50013－2018《室外给水设计规范》推荐流速和Carrier设计手册的推荐值，可知流速控制与管径有关系，一般水流速在1.0～2.5 m/s。一般工程上计算时，水管路压力常见为0.1～0.6 MPa，水管中水流速为1～3 m/s，常取1.5 m/s。按照国家标准和行业社会承诺，自来水管网压力达到0.14 Mpa即为合格。按照GB 50096-2011《住宅设计规范》6.1.2的规定，套内分户水表前的给水静压力不应小于50 kPa。GB 50096-2011《住宅设计规范》6.1.3又规定，住宅室内给水系统最低给水点的静压力宜为300～350 kPa，大于400 kPa时，应采用竖向分区或减压设施。民用住宅用户管道压力不低于0.16 MPa。基于以上规定，在设计计算中，选取的相关参数为：水管中水压水为0.2 Mpa，水管中水的流速取为1.5 m/s，水管的直径D选取为20 mm。

泵的运行状态在特性曲线上的位置由与泵连接的管路特性决定。泵的实际工作点是泵的实际性能曲线与管路系统性能曲线的交点，此时泵的扬程与管路系统所需的水头相等[7]。输配水管道沿程阻力损失包含沿程水头损失和局部水头损失，而局部水头损失一般为沿程水头损失的510 %[8]。由达西公式可知，沿程阻力损失为[9,10]。上式以水力坡3降J表示为由谢维列夫修正公式可得，经查表，40 ℃时水的运动粘滞度为0.653×10－6m2／s，可得水力坡度为

假如家庭房间为100 m2，为计算方便，设房间面积为边长为10 m的正方形，该正方形的对角线的长度为可以近似认为，循环管道单向长度为那么双向长度约为30 m，考虑到局部水头损失，可得在循环的过程中水头损失约为4.815 m 。由公式P0=F·V=△p·A·v0，为了使得水温在加热后不至于过高，我们选取v0=3 m/s，又△p=ρghf0。考虑到效率的关系，取其整体的传递效率为0.75，则实际水泵要求的功率为，为了安全起见，选取一定的可靠系数，循环泵的功率最终确定为80 W。

2 装置的选取与实现

智能温控开关采用欣灵品质数显温控开关HH48NE5C4来改进和组装，如图2所示。该智能温控开关在测量的温度范围内能根据用户所设温度范围对系统进行温度控制。用户设定的温度参数存储到存储器中，并存储有参数的多个备份，掉电不会丢失数据。有4种不同的温度控制模式，可实现（-20～120）℃范围内温度控制。上限温度达到时，自动接通电源（输出），负载可通电工作；下限温度到时，自动切断电源（关闭输出），输出指示灯同时熄灭。

图2 智能温控开关简图

热水循环泵选取大明水泵热水循环泵PH-40E，该循环泵体积小，噪音非常小，轴封采用优质机械密封材料，动静环由新型硬质合金制成，不漏水，寿命长，机加长轴上，运行平稳。

电磁阀可选用AB、AG系列多用途电磁阀，该电磁阀具有性能高，寿命长，密封性好，接线方向任意，规格品种组合多变的优良特点。AB系列为二位直动型，AG系列为二位三通型阀门。通电时吸合动铁芯上提，开启阀门；断电时，动铁芯由弹簧力作用下落，关闭阀门。

温度传感器采用热敏电阻非接触式温度传感器，该传感器具有良好的绝缘性，同时测试水温的误差比较小，并且反应迅速，信号传递迅速可靠。

3 系统效果及分析

经实验，安装家用热水器节水循环装置后，当设定好温度，打开水龙头几秒钟后就有热水流出，温度符合设定的温度范围，该装置具有良好的实用性。

家用热水器节水循环装置可以有效的节约生活用水。以一家3口人计算,假定每人每天洗脸、洗手共开燃气式热水器4次,则每天共12次,每次以平均节约1.5 L水计算,则一天可以节约用水18 L。如果全国的所有燃气热水器都配上这套装置的话,一年下来可以节省自来水6亿立方米,可以节约资金9亿元[11]。

4 结论

本文所述热水器节水循环装置通过安装小功率循环水泵作为动力源，利用智能温控开关接收温度传感器采集的水温信号，对循环水泵和电磁阀做出合理的控制，不仅能实现打开水龙头就有热水的功能，能有效地节约生活用水。而且该装置具有良好的实用性，结构简单，所占空间体积小，投资小且易于安装，用户使用方便。