液位傳感器在熱水器智能輔助出水裝置中的應用

 

近年來，隨著人們生活水平日益提高，熱水器市場發展迅速。然而在熱水器正常出熱水前，滯留于熱水管內的余水和未達設定溫度的冷水無法正常利用，由此導致用戶等待熱水時間長。而根據大量調查數據，91%的用戶會選擇將這些冷水浪費。此外，目前市場上關于熱水器節水式輔助出水方法也存在以下缺陷：管道排空式出水法無法排盡水平管路內的無效冷水，且只適合于太陽能熱水器，應用范圍比較局限；循環泵回水式出水法中循環泵持續工作，電能消耗多，管路改動大，不適合普通家庭用戶。針對以上問題，本項目組設計了一種熱水器智能輔助出水裝置。對社會而言，本裝置有利于減少水資源浪費和能源消耗，推動熱水器行業向節能環保的方向發展；對用戶而言，可節省大量水資源，保障居民用水安全舒適，并可引導性地提高節水意識。此外，本裝置結構簡單，成本低廉，普適性高，易于進行市場推廣應用。

 

1 設計方案

熱水器智能輔助出水裝置通過溫度傳感器、液位傳感器檢測熱水管路和儲水箱內的水況，配合電磁空氣閥、空氣增壓泵的開合以及二位三通閥的轉換，在不同場合分別采用單次大量用水模式或多次少量用水模式，從而實現滯留冷水的有效利用。

 

1.1 整體結構設計

本裝置主要由儲水箱以及其他控制單元組成，其結構如圖 1 所示。

 

位于儲水箱內部底面的溫度傳感器探頭，用來檢測水溫；位于儲水箱頂部的超聲波測距傳感器，用來實時測量水位，兩者均采用玻璃膠粘合，起到密封效果。電磁空氣閥同樣位于頂部，采用螺紋連接，處于常閉狀態，其通過開閉保證箱內氣壓穩定；控溫顯示屏固定于儲水箱正表面，用戶可按需設定出水溫度檔位；智能混水閥由步進電機和三通球閥通過萬向聯軸器連接，控制冷熱水進水比例；出水閥與儲水箱間連接著空氣增壓泵，用于預混增壓出水；儲水箱由塑料外殼和搪瓷內膽組成。

1.2 控制系統設計

1.2.1 控制方案設計

控制器主要由水溫檢測單元、水位測量單元、溫度設定單元、繼電器模塊、智能混水閥和主控單元 MCU 組成。其中水溫檢測單元采用 DS18B20 溫度傳感器，具有防水溫度探頭，滿足誤差要求同時保證足夠靈敏度，并將測得水溫數據傳送至主控單元；水位測量單元采用 HC-SR04 超聲波測距傳感器，實時將液面位置數據傳送至主控單元，判斷液面是否變化并與設定水位線數值進行比較，從而確定儲水箱當前工作狀態；溫度設定單元由獨立按鍵和液晶顯示屏組成，用戶可設定出水溫度，并通過顯示屏獲知實際水溫；繼電器模塊包括電磁空氣閥和空氣增壓泵，用來保證順利進出水。

 

1.2.2 工作狀態設計

本裝置完成整套工作流程需經過預混和出水兩種工作狀態。

 

1.2.2.1 預混狀態

用戶通過控溫顯示屏按需設定溫度檔位 T，主控單元MCU 控制繼電器開啟空氣閥，同時控制步進電機使三通閥熱水端全開，熱水管道內的滯留冷水與熱水器的熱水先后進入儲水箱進行預混，水溫 t 達到 T，控制三通閥關閉并提示用戶開啟出水閥，預混階段結束。其控制流程如圖 2 所示。

 

1.2.2.2 出水狀態

出水閥在浴室、廚房等不同場合有不同使用模式，主要分為單次大量用水模式和多次少量用水模式，其完整控制流程如圖 3 所示。

單次大量用水模式：混水結束并開始用水后，在液面到達水位線之前，水位不斷下降，控制增壓泵開啟，實現箱內溫水增壓出水，提高洗浴舒適度；液面到達水位線時，MCU控制繼電器關閉空氣閥和增壓泵，并通過溫度傳感器和智能混水閥配合，實現定溫出水。

 

多次少量用水模式：混水結束并開始增壓出水使用后，由于用水量少，在液面到達水位線之前，用水結束，水位停止變化，系統進入死循環，等待下次用水；多次少量用水時間跨度長，箱內水溫下降，當用水至液面到達水位線，提示重設溫度 T 恢復初始化。

 

2 理論設計計算

2.1 儲水箱外形尺寸設計

設計儲水箱外形尺寸時，需根據熱水器排出的冷水體積與預混所需的熱水體積求和所得。武漢市居民熱水器使用現狀調研結果表明，各種熱水器浪費的冷水量可按 1 L 的梯度分為 1 L、2 L、3 L、4 L、5 L 共 5 種類別。而相應的熱水體積由熱交換公式計算得到，由此得出不同系列的儲水箱體積，從而設計出箱體的外形尺寸。

 

2.2 出水原理分析

2.2.1 預混增壓出水

為避免浪費熱水器排出的冷水，需將該段冷水暫存于儲水箱內并與熱水混合至設定溫度，電磁空氣閥需由常閉轉為開啟狀態，使箱體排出或進入空氣，以便順利進出水。此外，預混所得溫水只依靠重力勢能，一般無法提供正常水壓，所以需要通過空氣增壓泵短暫性增壓。

 

2.2.2 定溫常壓出水

液面降至水位線時，電磁空氣閥關閉，保障儲水箱氣壓的穩定；基于壓強平衡原理，混水閥進水流量取決于出水流量，使液面處于水位線，達到動態平衡。此時，智能混水閥控制水溫基本恒定，出水壓力由冷熱水自身提供，減少電能損耗，實現定溫常壓出水。

 

2.3 溫度設定原理分析

用戶通過溫度設定單元預設出水溫度，采用溫度梯度設定的原理，組成溫控顯示屏的每個獨立按鍵對應溫度范圍為±2.5 ℃的檔位。此外，對于已有設定溫度的熱水器如燃氣式熱水器，本裝置設定檔位不應高于熱水溫度，該溫度設定與熱水器溫度設定相關聯，進一步保持溫度恒定，避免發生水溫突變等安全隱患。

 

3 結束語

本裝置體積小、操作簡便，利用儲水箱對滯留冷水的暫儲或冷熱水的預混功能，在不改變居民用水習慣的同時，實現熱水器水資源零浪費，能夠作為一種新型智能家居廣泛應用于普通家庭中，與同類熱水器輔助出水產品相比，占有較大優勢。

 

此外，該裝置結構獨立、不同規格的系列化設計、單次大量用水與多次少量用水的切換模式，使其能適用于各種不同類型的熱水器。有望作為新型熱水器出水模塊，為熱水器行業的發展提供節能環保的新思路。

 

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