商用凈水器節(jié)能方法研究與應(yīng)用

魏禮松 曹滿清 周夢(mèng)德

（艾歐史密斯（中國(guó)）環(huán)境電器有限公司，江蘇 南京 210038）

0 引言

隨著人們對(duì)生活飲用水質(zhì)量要求的提高，辦公場(chǎng)合（企事業(yè)單位、學(xué)校、工廠、商場(chǎng)等）對(duì)商用凈水器的需求量越來越高，商用凈水器因其優(yōu)良的過濾和凈化效果，同時(shí)可以滿足消費(fèi)者對(duì)水質(zhì)安全、節(jié)能的需求，備受消費(fèi)者青睞。文獻(xiàn)[1]介紹了一種步進(jìn)式加熱共享熱水機(jī)的設(shè)計(jì)方法，KG316T時(shí)控開關(guān)解決了裝有21L的步進(jìn)式加熱水箱飲水機(jī)的定時(shí)加熱問題。文獻(xiàn)[2]針對(duì)飲水機(jī)熱控系統(tǒng)提出了一種EPH快速加熱方法，克服了傳統(tǒng)飲水機(jī)“加熱－保溫－加熱”的循環(huán)加熱高能耗、飲水健康缺陷等局限。文獻(xiàn)[3]提出了一種加熱水量可控的節(jié)能飲水機(jī)技術(shù)方案，與傳統(tǒng)以水箱最大容量的反復(fù)加熱模式相比，該文提出的技術(shù)方案具有能耗低、飲水質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。上述商用凈水器加熱系統(tǒng)方案雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，但是仍然存在加熱系統(tǒng)效率偏低、水質(zhì)不安全、消費(fèi)者體驗(yàn)較差的問題，制約著商用凈水器的進(jìn)一步發(fā)展。若將步進(jìn)式加熱控制系統(tǒng)[4]、熱交換能量回收系統(tǒng)[5]、蒸汽熱能回收系統(tǒng)、AES智能節(jié)能控制模式[6]等設(shè)計(jì)集成在商用凈水器上，不僅方便消費(fèi)者使用，還降低了能源損耗，較傳統(tǒng)商用凈水器節(jié)能省電最高可達(dá)60%以上?；谏鲜鲂枨?，該文將著重介紹商用凈水器節(jié)能方法。

1 加熱系統(tǒng)節(jié)能方法設(shè)計(jì)

1.1 步進(jìn)式運(yùn)用

傳統(tǒng)商用凈水器加熱系統(tǒng)是將整個(gè)加熱罐內(nèi)的水加熱至沸騰或設(shè)定溫度后停止加熱，這種加熱方式已經(jīng)不滿足消費(fèi)者對(duì)飲用水安全性的要求。全新商用凈水器采用底層進(jìn)水，可以避免傳統(tǒng)凈水器上層直接“傾倒式”進(jìn)水造成生水與沸水混合，即市場(chǎng)消費(fèi)者關(guān)心的“陰陽水”問題。如圖1所示，根據(jù)熱水分層原理，不同溫度的水在同一容器內(nèi)分布在不同的高度，底層進(jìn)入熱罐的生水溫度較低，沉積在熱罐底部，有效防止由于水力攪動(dòng)導(dǎo)致的熱對(duì)流，防止生水與沸水出現(xiàn)混合。在熱罐中加熱管底部增加分水器隔板，從底部進(jìn)水的水源可以均勻進(jìn)入熱罐，避免生水直接接觸加熱管頂部的沸水。由于存在水力擾動(dòng)和分子擴(kuò)散等因素，一次性補(bǔ)滿熱罐的方式不能完全避免生水混進(jìn)上層沸水中。為了進(jìn)一步改善生水、沸騰水混合問題，同時(shí)又能保證一次加熱一次沸騰，避免出現(xiàn)“陰陽水”、“千滾水”問題，可通過電控設(shè)計(jì)優(yōu)化，分批次補(bǔ)一定的生水，加熱管持續(xù)加熱，每當(dāng)加熱溫度即將達(dá)到沸點(diǎn)（溫控器監(jiān)測(cè)）時(shí)，再次補(bǔ)水，如此反復(fù)，直到熱罐中水滿為止。同時(shí)也避免了因?yàn)閭鹘y(tǒng)商用凈水器整個(gè)熱罐加熱沸騰后才可取水而導(dǎo)致的較長(zhǎng)等待時(shí)間（首沸時(shí)間需要40min~75min，不能及時(shí)取水），該過程一次加熱一次沸騰，降低了傳統(tǒng)商用凈水器反復(fù)啟停加熱、持續(xù)沸騰導(dǎo)致的電能損耗。商用凈水器采用全電腦控制，具有定時(shí)加熱功能，可根據(jù)消費(fèi)者的需要設(shè)定工作日進(jìn)行加熱，一天中可設(shè)定加熱時(shí)段，避免夜間或非工作時(shí)間的加熱，系統(tǒng)自動(dòng)控制管理，不需要人工值守，可實(shí)現(xiàn)整機(jī)自我管理，很適合用于辦公場(chǎng)所，較傳統(tǒng)開水器（控制溫控器，圍繞設(shè)定的溫度重復(fù)加熱）減少了50%無效工作時(shí)間；步進(jìn)式加熱方式，不僅保證飲用水安全而且還可以高效節(jié)能，即開即飲，無須等待較長(zhǎng)時(shí)間。商用凈水器通過全電腦控制、精確的溫度控制、進(jìn)水控制與加熱件配合，加熱效率比傳統(tǒng)商用凈水器加熱效率提高30%以上，采用逐層加熱技術(shù)，可最大限度地避免熱量散失，整體較傳統(tǒng)商用凈水器省電達(dá)60%以上。

圖1 加熱系統(tǒng)圖

1.2 蒸汽回收運(yùn)用

如圖1所示，商用凈水器為保證正常出水，熱罐內(nèi)部需要和大氣保持壓力的平衡。因此，傳統(tǒng)商用凈水器會(huì)在熱罐的頂部設(shè)置面向大氣的進(jìn)氣或排氣管路，將加熱過程中產(chǎn)生的沸騰蒸汽通過排氣管路向外排出，保持熱罐與外界壓力的平衡，使凈水器能夠正常出水。排放的蒸汽是由水加熱沸騰而產(chǎn)生，這就需要消耗大量的能源，任何蒸汽的浪費(fèi)都會(huì)造成能源的浪費(fèi)，給蒸汽消費(fèi)者帶來額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，在蒸汽排放的管路上設(shè)計(jì)一個(gè)回收系統(tǒng)管路，將蒸汽回收再利用，不僅有利于減少能源的消耗，也可節(jié)約經(jīng)濟(jì)。如圖2和圖3所示，在熱罐內(nèi)部水加熱至沸騰時(shí)，大量沸騰蒸汽會(huì)通過排氣管路直接排向大氣并產(chǎn)生白色煙霧，消費(fèi)者體驗(yàn)差并且蒸汽攜帶的熱量耗散導(dǎo)致整機(jī)能耗增大。通過優(yōu)化熱罐的排氣管路，熱罐中沸騰蒸汽通過排氣閥進(jìn)入蒸汽回收的管路（管中管結(jié)構(gòu)），蒸汽通過內(nèi)管通道，常溫水通過外管通道。蒸汽通過管壁能量交換，冷卻形成冷凝水，在汽化過程產(chǎn)生的熱能被外管中的水吸收，使水溫由20℃提升到30℃~50℃，提升后的溫水通過管路進(jìn)入熱罐中加熱，使熱罐進(jìn)水水溫提高10℃~30℃，縮小了熱罐進(jìn)水的加熱溫度區(qū)間（由原來80℃加熱溫度區(qū)間，降低為50℃~70℃），一定程度上可避免沸騰蒸汽排放產(chǎn)生的白色煙霧的現(xiàn)象，同時(shí)也能減少整機(jī)能源消耗。根據(jù)測(cè)試驗(yàn)證，采用蒸汽熱能回收，可使商用凈水器節(jié)電10%~30%。

圖2 蒸汽回收管路圖

圖3 蒸汽回收原理圖

1.3 熱交換能量回收運(yùn)用

市場(chǎng)上的商用凈水器，均提供90℃以上的熱水，并不能滿足所有消費(fèi)者的飲水需求。像校園、幼兒園等飲水群體，高溫?zé)崴泻艽蟮陌踩[患，他們對(duì)溫開水（45℃）有較大的需求。目前，市場(chǎng)上的解決方案，均是將生水加熱至45℃或?qū)㈤_水與生水混合至45℃。但這些方案均會(huì)帶來一個(gè)問題，生水或混合生水，在一定程度上會(huì)帶來飲用水衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)（如生水、細(xì)菌超標(biāo)、“陰陽水”等問題）。通過技術(shù)方案不斷創(chuàng)新，在商用凈水器上運(yùn)用熱交換技術(shù)（回收示意圖如圖4所示、工作原理如圖5所示），在熱罐的進(jìn)出水水路上設(shè)置管中管的熱交換器，20℃溫水經(jīng)過熱交換器的外管，通過換熱后再進(jìn)入熱罐中進(jìn)行加熱。100℃的開水經(jīng)過熱交換器的內(nèi)管，通過管壁能量交換產(chǎn)生的熱能被外管中的水吸收，將100℃開水降溫至45℃溫開水。此技術(shù)方案采用了零混水的技術(shù)，完全可以避免生水飲用問題。20℃常溫水通過熱交換器，將100℃開水的熱能經(jīng)過熱傳遞給20℃常溫水，常溫水在進(jìn)入熱罐之前就已經(jīng)把溫度提高到85℃左右，進(jìn)而在熱罐內(nèi)部直接將85℃的生水加熱至沸騰，只需要15℃加熱區(qū)間即可。而傳統(tǒng)商用凈水器，熱罐是把常溫水從20℃加熱到100℃，需要加熱80℃，不僅加熱溫度區(qū)間較大，而且整機(jī)能耗也較高。帶有熱交換功能的商用凈水器與傳統(tǒng)機(jī)器相比，理論節(jié)能率：（80-15）÷80=81.25%，實(shí)測(cè)節(jié)能率＞70%。商用凈水器通過集成熱交換技術(shù)后，可節(jié)能約為72%，對(duì)比測(cè)試值見表1。

圖5 熱交換能量回收原理圖

表1 商用凈水器集成熱交換技術(shù)前后節(jié)能對(duì)比測(cè)試

圖4 熱交換能量回收?qǐng)D

2 AES智能節(jié)能設(shè)計(jì)

AES是一個(gè)智能學(xué)習(xí)的程序，在消費(fèi)者使用一段時(shí)間機(jī)器后，根據(jù)消費(fèi)者的飲水習(xí)慣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判斷用水的高峰期，學(xué)習(xí)消費(fèi)者的飲水規(guī)律，通過數(shù)據(jù)分析后可以自動(dòng)預(yù)測(cè)消費(fèi)者下一次用水時(shí)間段。在下一次用水時(shí)間段之前，程序會(huì)提前啟動(dòng)，將機(jī)器提前加熱，準(zhǔn)備好熱水保證消費(fèi)者用水的需求。而在其余閑暇時(shí)間，程序會(huì)關(guān)閉機(jī)器的加熱棒，避免夜間或非工作時(shí)間的加熱，系統(tǒng)程序自動(dòng)控制管理，不需要人工設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)整機(jī)智能的自我管理，減少耗能動(dòng)作（如回流殺菌、保溫加熱等），以達(dá)到節(jié)能目的，很適合用于辦公場(chǎng)所使用。帶有AES的商用凈水器可以隨消費(fèi)者的飲水習(xí)慣的改變而智能改變，根據(jù)消費(fèi)者飲水習(xí)慣自動(dòng)調(diào)節(jié)整機(jī)加熱狀態(tài)，避免無謂的能源浪費(fèi)，同時(shí)可根據(jù)消費(fèi)者習(xí)慣的打水時(shí)間自動(dòng)準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)備好開水，方便消費(fèi)者使用，減少熱量散失帶來的能源損耗。通過AES智能節(jié)能設(shè)計(jì)后，整機(jī)節(jié)能約為40%以上，對(duì)比測(cè)試值見表2。

表2 商用凈水器集成AES功能前后節(jié)能對(duì)比測(cè)試

3 節(jié)能設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)效果對(duì)比

商用凈水器集成各種節(jié)能設(shè)計(jì)方案后，不僅能確保水質(zhì)安全，提高消費(fèi)者的體驗(yàn)感、而且在節(jié)能方面也有很大的改進(jìn)和提高。商用凈水器廣泛地應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、高鐵站、醫(yī)院、校園、工廠等場(chǎng)所，通過長(zhǎng)時(shí)間消費(fèi)者體驗(yàn)后，進(jìn)行市場(chǎng)消費(fèi)者的調(diào)研對(duì)比，見表3。

表3 商用凈水器節(jié)能設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)凈水器的市場(chǎng)反饋對(duì)比

4 結(jié)論

國(guó)家對(duì)節(jié)能減排工作的重視以及人們對(duì)節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)商用凈水器已經(jīng)飽受詬病。安全、環(huán)保、節(jié)能、高效的產(chǎn)品越來越受到人們的青睞。商用凈水器通過在步進(jìn)式加熱控制系統(tǒng)、熱交換能量回收系統(tǒng)、蒸汽熱能回收系統(tǒng)、AES智能節(jié)能控制模式等節(jié)能設(shè)計(jì)上的不斷創(chuàng)新，不僅有效杜絕“陰陽水”、“千滾水”，避免了飲水健康問題，同時(shí)也是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的革新，大大降低了能耗，給消費(fèi)者帶來了更好的使用體驗(yàn)，節(jié)約消費(fèi)者的使用成本，更是響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能的號(hào)召。經(jīng)過產(chǎn)品實(shí)踐，該節(jié)能理念可以在商用凈水器設(shè)計(jì)中大力推廣和應(yīng)用。