容積式開水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與節(jié)能控制系統(tǒng)研制

李玉玲，王祥仲

（1.北京聯(lián)合大學(xué) 生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100023；2.華北科技學(xué)院 計算機學(xué)院，河北 廊坊 101601）

0 引 言

我國是能耗大國，在資源極度短缺的背景下，節(jié)能減排已成為國策，但在我們身邊仍有大量用電設(shè)備存在無效的能量消耗卻并未引起人們的足夠重視。容積式電開水器就是一種節(jié)能潛力巨大，但被忽視的典型用電設(shè)備。

1 研究現(xiàn)狀

在教學(xué)樓、宿舍樓、辦公樓等公共建筑物中，容積式電開水器已成為常規(guī)配置，成為建筑電耗的主要源頭之一。傳統(tǒng)的電開水器一般采用單水箱結(jié)構(gòu)，電加熱器功率大，只有一個溫度傳感器和一個液位開關(guān)，導(dǎo)致無效電耗較大。通過調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生無效電耗的主要因素[1]：使用模式和結(jié)構(gòu)不合理，造成熱水器頻繁加熱；存在熱橋，導(dǎo)致外表面散熱浪費巨大。如果通過調(diào)研和實驗方式，查找出傳統(tǒng)電開水器產(chǎn)生無效電耗的原因，研究有針對性的節(jié)電技術(shù)措施，將大幅降低其電耗，具有較大的實際應(yīng)用價值。

2 方案設(shè)計

2.1 可控式出水模式

2.1.1 存在問題

傳統(tǒng)開水器的供水方式多采用普通水龍頭，受人們行為習(xí)慣的影響，水和能量的浪費現(xiàn)象比較普遍。因此，我們必須改進人們的行為模式，實現(xiàn)按需供水。

2.1.2 技術(shù)措施

（1）出水方式：普通模式和按需模式。

（2）硬件結(jié)構(gòu)：在水龍頭上安裝電磁閥，控制器按設(shè)定的出水時長實現(xiàn)按需定量供水控制。

（3）出水時長設(shè)定：通過對不同功能建筑物的觀察和調(diào)研，經(jīng)過統(tǒng)計得到飲用水量定額，見表1所列。

表1 飲水量定額表

（4）出水動作邏輯分為按需模式與普通模式。按需模式即點動模式。按需要供水：水量/（人×天），若容器已滿，水未停，則手動關(guān)水并清零。普通模式需長時間按住按鈕。在特定條件下，有大水量需求時，采用普通模式，長時間按住按鈕即可。放開按扭，則立即停止供水，恢復(fù)到按需模式?？刂破骺蓪崿F(xiàn)自動記時，計算供水時間。

2.2 雙水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 存在問題

（1）傳統(tǒng)開水器一般采用單水箱結(jié)構(gòu)，需要整箱水都達到100 ℃方可飲用，所需電加熱器功率較大，且需反復(fù)燒水。

（2）人們對飲用水的需求不同，但水沸騰后晾成溫水才能飲用。泡茶時80 ℃的水溫最為適宜，但夏天水溫需適合直接飲用。

2.2.2 技術(shù)改進措施

將開水器做成雙水箱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。右側(cè)開水箱：小容積；左側(cè)溫水箱：大容積。溫水箱采用溢流方式，從開水箱流入溫水箱，溫水箱最低溫度控制為45 ℃。采用此措施后，電加熱器功率減少了1/3。

圖1 雙水箱結(jié)構(gòu)

2.3 進水方式優(yōu)化

2.3.1 存在問題

傳統(tǒng)的開水器進水口開在箱體內(nèi)壁，水以射流摻混方式進入，電加熱器難以進行有效加熱。傳統(tǒng)進水方式如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)進水方式

2.3.2 技術(shù)改進措施

（1）在設(shè)計上，將進水管插入加熱器上部，在進水管下部均勻開孔，電加熱器可較充分的加熱進水。水流狀態(tài)優(yōu)化加熱技術(shù)提高了加熱效率。改進后的進水方式如圖3所示。

圖3 改進后的進水方式

（2）在邏輯上，先開電加熱器，延遲一定時間后再進水。

2.4 防熱橋措施

2.4.1 存在問題

開水器熱成像如圖4所示。傳統(tǒng)開水器由于2個水龍頭與外壁連接，形成熱橋，導(dǎo)致外壁溫度較高，出口處溫度最高可達到65 ℃，外壁散熱損失較大[2]。

圖4 開水器熱成像

2.4.2 技術(shù)改進措施

用絕熱材料處理防熱橋，減少外壁散熱，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，改進后的熱成像效果如圖6所示。通過圖4、圖6對比A、B兩點可以發(fā)現(xiàn)，防熱橋作用明顯。

圖5 防熱橋裝置

圖6 改進后的熱成像

2.5 多傳感器技術(shù)

2.5.1 存在問題

傳統(tǒng)單水箱開水器只有一個溫度傳感器和一個液位開關(guān)，只能實現(xiàn)簡單控制功能。為了實現(xiàn)可控式出水和雙水箱模式，需采用多傳感設(shè)計。

2.5.2 技術(shù)改進措施

為達到節(jié)能目的，安裝了開水箱溫度傳感器、溫水箱溫度傳感器、開水箱高液位開關(guān)、溫水箱高液位開關(guān)、開水箱低液位開關(guān)和溫水箱低液位開關(guān)，優(yōu)化進水、供水、電加熱過程，降低電加熱器啟動頻率。傳感器示意圖如圖7所示。

圖7 傳感器示意圖

字母符號見表2所列，動作邏輯見表3所列，故障處理見表4所列。

表2 符號說明

表3 傳感器動作邏輯

表4 故障處理

2.6 自動斷電功能

電熱水器安裝后，需由物業(yè)值班人員進行開閉操作。通過設(shè)置自動斷電，解決了夜間或者午時電開水器空載，浪費電能的情況。遇到特殊情況時電熱水器也會自動斷電（如水閥漏水等）[3]。

3 理論設(shè)計

3.1 公式說明

為了節(jié)約電能，我們?yōu)殚_水箱和溫水箱設(shè)置了不同功率的電加熱器；在開水箱處將加熱器設(shè)置為兩組，可在不同環(huán)境下分組使用，從而節(jié)約電能。目前一般采用以下步驟進行電加熱器的選擇計算。

（1）計算在規(guī)定時間內(nèi)加熱至設(shè)定溫度所需功率：

（2）計算介質(zhì)溫度不變前提下，實際需維持溫度的功率：

根據(jù)以上計算結(jié)果選擇加熱器的型號和數(shù)量。

符號說明：C1，C2為容器和介質(zhì)的比熱；M1，M2為容器和介質(zhì)的質(zhì)量；M3為每小時所增加的介質(zhì)質(zhì)量；ΔT為目標(biāo)溫度和初始溫度之差；P為最終溫度下容器的熱散量。

3.2 計算結(jié)果

電加熱器計算見表5所列。

表5 電加熱器計算表

4 開水器智能控制

為了實現(xiàn)容積式開水器的功能，需對其進行智能控制。本系統(tǒng)采用MCXS128單片機作為控制器。

4.1 信號輸入與輸出

輸入信號包括液位、溫度等，如圖8所示。輸出信號包括加熱、供水等，如圖9所示。

圖8 信號輸入

圖9 信號輸出

4.2 流程

為實現(xiàn)設(shè)計的動作模式，設(shè)計了如下3種模式的流程。

4.2.1 注水模式流程

注水模式流程如圖10所示。

圖10 注水模式流程

4.2.2 開水箱出水模式流程

開水箱出水模式流程如圖11所示。

圖11 開水箱出水模式流程

4.2.3 溫水箱加溫模式流程

溫水箱加溫模式流程如圖12所示。

圖12 溫水箱加溫模式流程

5 實物展示

熱水器外觀如圖13所示，控制線路如圖14所示，內(nèi)部環(huán)境如圖15所示。

圖13 外觀

圖14 控制線路

圖15 內(nèi)部環(huán)境

6 節(jié)能分析

以本校辦公樓為例，對改進后的開水器進行節(jié)能分析。

（1）通過改造熱水器，改變了人們的行為模式，有助于全校師生樹立環(huán)保意識。

（2）采用雙水箱結(jié)構(gòu)，降低電加熱器功率，可根據(jù)觀察的加熱時間計算保持水溫所用電量。

（3）根據(jù)區(qū)域外壁平均溫度、表面積、換熱系數(shù)可簡單估算降低的外壁散熱量，見表6所列。

表6 開水器散熱量計算表

（4）采用的多傳感器技術(shù)和水流優(yōu)化加熱技術(shù)等措施可有效降低能耗[5]。

7 結(jié) 語

北京地區(qū)約有150萬臺普通電加熱管開水器，其中黨政機關(guān)、醫(yī)院、學(xué)校約為30萬臺。如果全部更換為改進型電開水器，每年節(jié)電約18億千瓦時，節(jié)約資金約12.6億元，可減少CO2排放179.46萬噸，減少SO2排放5.4萬噸。改進型容積式開水器具有廣闊的應(yīng)用前景與良好的社會效益。