一體式水質預處理模塊在電熱水器上的研究及應用

盛保敬 王建飛 劉洋 蔡想周 趙小勇

青島經濟技術開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

1 引言

隨著中國社會經濟建設的發(fā)展，消費者生活水平的提高和中國城鎮(zhèn)化進程的加快，熱水器已經成為消費者不可缺少的家用電器。在物質生活水平飛速提升的今天，人們對電熱水器的要求已經不僅僅停留在基礎安全層面，而是開始追求更舒適、健康的洗浴方式。水資源污染的日益加重，使人們對洗浴用水的水質產生了前所未有的擔憂，進而對洗浴的水質條件提出了更高的要求，如何才能更加健康的洗浴逐漸成為消費者新的關注點。

本文主要通過對新的洗浴凈水技術的介紹，提供一種新的清潔洗浴用水方式，滿足消費者對健康洗浴的訴求，并通過實驗驗證實現(xiàn)推廣應用。

2 洗浴用水的現(xiàn)狀及水清潔方式簡介

人們洗浴用水主要來源為自來水和地下水，而各地的水質因為環(huán)境的不同也存在較大的差異。自來水對地下管道具有一定的腐蝕性，長期接觸會造成管道生銹。銹渣及水中泥沙顆粒本身對人體無害，但通過管道進入內膽內，沉底后無法排除，最終形成膠體狀物質，造成衛(wèi)生死角，滋生有害細菌；另外，自來水中會殘留一定量的重金屬，洗浴過程中會殘留在人體皮膚上，使部分敏感人群產生過敏、濕疹等不適反應；自來水出廠前會進行氯處理殺菌，在此過程中會有一部分氯殘留在水中形成氯離子。氯離子對金屬內膽有較強的腐蝕性，減短熱水器的使用壽命，同時對人體皮膚也有一定的刺激性；地下水作為一種重要的水源，水中的泥沙、細菌等雜質含量更多，洗浴過程中對用戶體感舒適度的影響會更大。基于以上水質問題，目前熱水器生產商主要采取三種解決方式：一是由售后人員定期通過拆卸電熱水器的鎂棒，通過排污口將膽內的水排空并清洗膽壁。此方式操作復雜，需專業(yè)人員現(xiàn)場操作；二是通過在電熱水器鎂棒處安裝球型閥，定期由用戶將水排空并通水清洗內膽實現(xiàn)水質的清潔。這種方式無法將內膽中的水垢、細菌等徹底清除，留有殘余雜質。同時放水過程耗時較長，浪費水源，給用戶造成不便；三是通過在用戶家的進水管上安裝凈水濾芯，這種方案濾芯體積較大，裸露在管路上影響浴室環(huán)境的一體化；同時安裝時需要破壞用戶的進水管路，長期承壓容易造成管路破裂漏水；用戶在購買熱水器安裝后如果再需要增加也需要對管路進行較大改動，操作復雜；同時現(xiàn)有凈水模塊不便于用戶自清理，更換方式復雜，并且用戶無法確認凈水效果及濾芯的使用情況。

3 一體式水質預處理技術的介紹

該技術將電熱水器與凈水模塊進行一體化設計，實現(xiàn)二者的結合，并通過含有多種材質濾料的復合濾芯實現(xiàn)洗浴用水的前端處理，保證洗浴用水及熱水器內膽的清潔。

3.1 凈水模塊一體式實現(xiàn)方式介紹

一體式凈水模塊的實現(xiàn)基于循環(huán)水路結構的基礎。如圖1所示，冷水通過左側的進水孔進入模塊，在水壓作用下沿濾芯方向向右流動，在最右側的入口進入濾芯，并通過濾芯向左流動，最終從左側的出水口流出，此循環(huán)水路有效縮短了模塊的長度；濾芯的圓周尺寸，通過調整濾料量與水流量的比例關系，達到水流與濾料交換面積的最大化，在保證洗浴流量不受影響的前提下，壓縮模塊直徑，使模塊可以完全隱藏在熱水器的防電墻罩內部，避免模塊暴露在熱水器的外部；因為整個體系都是在承壓狀態(tài)下工作的，模塊外殼采用全金屬材質，內部承裝濾料的濾芯殼體使用高強度承壓工程樹脂，殼體之間螺紋連接，并使用雙重硅膠圈進行密封，確保各接口的承壓安全，防止漏水。模塊主體預留熱水器進水管接口，通過活接方便與熱水器進水口直接相連，實現(xiàn)模塊與熱水器的整體結合。

3.2 凈水模塊凈水系統(tǒng)介紹

水質預處理是通過凈水模塊的三級凈水系統(tǒng)實現(xiàn)的。如圖1所示，冷水通過凈水模塊進水口進入模塊內部，沿一級濾網(wǎng)外部的空腔自左向右流動。在填充空腔的過程中，冷水會透過一級濾網(wǎng)，進入濾芯內部。一級過濾為120目的不銹鋼濾網(wǎng)，阻止水中的大顆粒泥沙、鐵屑進入濾芯；水通過一級濾網(wǎng)后，會沿著濾網(wǎng)與濾芯之間的空腔向右側流動，進而從右側的入口進入濾芯。二級過濾為復合濾層，水在從右向左的流動過程中與復合濾料接觸，濾料通過吸附、置換等物理化學過程，將水中的重金屬、余氯及細菌等過濾出來；在濾芯的最左側是三級過濾網(wǎng)，將水中的微量濾料阻隔在濾網(wǎng)內部。經過以上三重過濾，預處理過的凈水才從模塊的出水口流程并進入熱水器內膽中。

3.3 凈水模塊核心濾芯介紹

作為核心的部分，目前市場上的洗浴凈水濾芯主要選擇活性炭或者維生素C作為濾料?；钚蕴繛V料過濾效果通常需要濾料量保障，往往導致模塊的體積較大，在高溫的條件下，會反析出雜質，弱化凈水效果，還容易滋生細菌；維生素C、亞硫酸鈣濾料很難控制釋放速度，導致濾芯的使用壽命短。表1為單組分濾料除去余氯效果試驗對比，從表中可以看到，單組分濾料前期過濾效果較好，但隨著使用時間的延長，過濾效果衰減較快。經濾料分析，單組分濾料在過水過程中容易發(fā)生板結現(xiàn)象，降低交換面積而影響凈水效果。

從表1中可以看到，銅鋅合金單組分濾料的持久性最好，選擇其作為主要的濾料成分。而通常不同特定范圍大小的顆粒組合可以打亂顆粒之間的排列次序，降低顆粒的比表面能，使合金顆粒保持足夠表面積的同時合金顆粒間的接觸面盡量減少，從而減少顆粒之間的聚集作用。因此在銅鋅合金中嘗試混合一定比例的亞硫酸鈣和活性炭，配成多組分的復合濾料。加入一定量的亞硫酸鈣可以提升濾芯前期的除余氯效果，加入一定量的活性炭能對水中的異味和余氯有較強的吸附作用，同時可以起到對金屬顆粒的適當隔離，減少板結現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 凈水模塊結構剖視圖

圖2 凈水模塊的余氯去除率效果隨走水量的變化

通過對多組不同配比濾料的除余氯及除菌試驗結果對比，從表2和表3的數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，當銅鋅合金/活性炭/亞硫酸鈣的質量百分含量配比為85%/10%/5%時，濾芯的除余氯和殺菌的效果最明顯，且持續(xù)性最好，因此濾料配比選擇5號樣品配比。經分析，亞硫酸鈣的加入可以在水溫較低的情況下彌補金屬合金對余氯去除效果不理想的問題。銅鋅合金有較好的耐高溫性能，當進水口偶爾有熱水回流現(xiàn)象時，濾料不會因為水溫過高而失效。觀察過水后的濾料品貌發(fā)現(xiàn)，混合10%活性炭的濾料明顯更分散，濾料板結現(xiàn)象少，分析該現(xiàn)象的原因是活性炭的加入在一定程度上隔離了銅鋅合金顆粒，使合金顆粒更難接觸發(fā)生聚集現(xiàn)象。

圖3 凈水模塊與電熱水器連接示意圖

表1 單組分濾料對去除余氯的效果對比數(shù)據(jù)（注：組分百分含量為質量百分含量）

表2 不同配比的混合濾料對去除余氯效果的對比數(shù)據(jù)（注：復合組分百分含量為質量百分含量）

表3 不同配比的混合濾料對去除細菌效果的對比數(shù)據(jù)（注：復合組分百分含量為質量百分含量）

表4 凈水模塊的除菌性能測試結果

4 凈水效果試驗結果及分析

通過上述分析確定了復合濾料的組成成分及各組分含量比例關系，并根據(jù)得到的結論試制了成品模塊，進行去除余氯和殺菌的試驗，試驗結果如圖2和表4所示。

圖2是凈水模塊的余氯去除率與過水量的變化關系圖，從圖中可以看到，凈水模塊的除余氯效果隨著過水量的增加沒有明顯的衰減，過水量超過120噸時余氯去除率仍然可以達到65%（大量調研數(shù)據(jù)顯示，120噸水大約為普通3口家庭1年的熱水使用量）。也就是說，一個濾芯在除余氯方面可以連續(xù)使用1年時間。除余氯效果較好且持續(xù)性好。表4是凈水模塊的除菌性能測試結果匯總表，從表中可以看到，凈水模塊的除菌效果較好，抑菌率可以達到90%以上。對于用戶來說，完全可以達到健康洗浴的效果。

5 凈水模塊應用方案

通過凈水模塊凈水能力的驗證結果，結合電熱水器水路設計特點，可以將凈水模塊與電熱水器通過現(xiàn)有的標準連接件有機地結合為一個整體，達到對洗浴用水預處理的目的。凈水模塊與電熱水器的一體式連接方案如圖3所示。

5.1 凈水模塊與電熱水器的結合方案簡介

如圖3所示，凈水模塊的進水口端預留外絲，用于連接安裝電熱水器必須的安全閥和水流量傳感器。凈水模塊的出水口預留活接，可以直接與電熱水器的進水管相連。管路中的冷水流經凈水模塊，去除水中的雜質后，才會進入熱水器內膽中。考慮到模塊的外殼重量較大，為保證模塊與熱水器固定牢固可靠，可以根據(jù)凈水模塊的外殼直徑，設計專用的支架。模塊與熱水器連接完畢后，用螺釘將支架與熱水器固定在一起，確保凈水模塊安裝牢固。根據(jù)凈水模塊安裝后的高度，合理設計熱水器防電墻罩的高度，確保安裝后凈水模塊完全不會出現(xiàn)在用戶視野內。提升熱水器整體外觀精細化效果。在熱水器的使用過程中，水中的泥沙顆粒會被隔離在凈水模塊一級濾網(wǎng)外，時間越久淤積的泥沙越多，會導致進水流量的減少，降低洗浴的舒適度。擴大濾網(wǎng)的孔徑解決堵塞會降低模塊的凈水效果，同時雜質顆粒會降低濾芯的使用壽命。拆卸濾芯清洗工作量較大，同時存在拆卸安裝漏水隱患。因此，凈水模塊在一級濾網(wǎng)處可以設置自清潔排污口，當泥沙堆積至一定程度，用戶可以自行打開排污開關，在有水流的情況下將濾網(wǎng)外沉積的泥沙沖洗出來。待排出的水沒有雜質后關閉排水閥門即可。用戶可以根據(jù)洗浴時最大水流量的變化，判斷泥沙的沉積情況，定期進行排污操作，保證水質清潔的同時可以延長濾芯的使用壽命。

5.2 凈水模塊檢測系統(tǒng)設計

現(xiàn)有凈水功能的熱水器對于濾芯更換一般以固定周期作為依據(jù)，定期更換濾芯。但因為各地區(qū)水質差異較大，水質好的地區(qū)容易造成濾芯浪費，水質差的地區(qū)則無法保證凈水效果。為實現(xiàn)智能跟蹤水質、濾芯使用情況及提示用戶的功能，凈水模塊可以搭配了特定的檢測系統(tǒng)，并通過熱水器的控制系統(tǒng)直觀的為用戶提供智能提示。凈水模塊濾芯的使用情況可以從多個不同的維度進行檢測。第一維度是水流量檢測。從熱水器第一次檢測到用戶用水開始統(tǒng)計用水量，濾芯凈水量的增加表示凈水濾芯的消耗，此作為濾芯更換的第一判斷條件；第二維度是出水管口TDS值檢測。熱水器出水口流出的水TDS會隨著濾芯的消耗發(fā)生變化，此作為濾芯更換的第二判斷條件；第三維度是加熱時長檢測。從熱水器正常通電加熱到設定溫度開始累積加熱時間，加熱時間間接反映出濾芯的使用時長，此作為濾芯更換的第三判斷條件。找到判斷凈水模塊使用情況的判斷條件后，通過熱水器控制面板上的指示燈，直觀的為用戶反饋模塊是否可以繼續(xù)使用。

圖4中藍色的環(huán)形燈可以代表濾芯的使用狀態(tài)。濾芯使用初期，環(huán)形燈全亮，隨著熱水器的不斷使用，濾芯消耗的同時，環(huán)形燈會逐一熄滅。當藍色燈環(huán)全部熄滅時，說明凈水模塊濾芯已經達到凈水的極限，需進行更換保證凈水效果。更換濾芯后，操作控制系統(tǒng)的復位鍵，流量、TDS值及熱水器工作時間數(shù)據(jù)會清零重新計算，同時環(huán)形燈會重新全部點亮。通過上述監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以很直觀的看到模塊的使用情況，并根據(jù)提示更換濾芯。

6 結束語

通過上述凈水模塊的工作原理論證、實驗數(shù)據(jù)分析，體現(xiàn)了該模塊對洗浴用水的凈化作用，確保用戶洗浴用水的清潔。此模塊目前已經在上市產品中得以應用。隨著人們對健康洗浴意識的不斷提升，凈水產品未來的市場需求也會越來越高，凈水模塊為健康型電熱水器提供了新的發(fā)展方向，可以帶動整個電熱水器行業(yè)健康技術升級，為熱水器行業(yè)提供更廣闊的研究空間。

[1] GB/T 20289-2006 《儲水式電熱水器》.

[2] GB 21519-2008 儲水式電熱水器能效限定值及能效等級.