基于市場常用熱水器對新型家用常熱儲(chǔ)水式電熱水器的研究

孫志永+嚴(yán)振宇

摘 ?要：新型常熱儲(chǔ)水式電熱水器依靠主副兩個(gè)儲(chǔ)水桶進(jìn)行熱水常熱控制，主副內(nèi)均有通過溫控器、定時(shí)器等控制的加熱管。冷水先進(jìn)入副桶內(nèi)加熱，當(dāng)主桶水位下降到設(shè)定的臨界水位時(shí)，通過單片機(jī)控制主副桶之間的水閘打開，副桶已加熱的熱水立即全部進(jìn)入主桶中，副桶關(guān)閉出水口，開啟進(jìn)水口，進(jìn)行迅速加熱，以此循環(huán)，達(dá)到常熱控制的目的。同時(shí)，副桶加熱部分耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于整桶的耗電。

關(guān)鍵詞：常熱儲(chǔ)水器;節(jié)能;電熱水器研究

一、電熱水器及其市場前景

2013年12月，中國熱水器市場上，電熱水器依然是市場主流熱水器類型，其關(guān)注比例接近燃?xì)鉄崴鳟a(chǎn)品的兩倍。其中電熱水器產(chǎn)品的關(guān)注比例為64.9%，燃?xì)鉄崴鞯年P(guān)注比例為35.1%，而“九正建材網(wǎng)”根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在整個(gè)熱水器市場上，儲(chǔ)水式電熱水器占了53%的份額，燃?xì)鉄崴鞯氖袌龇蓊~在30%左右，太陽能熱水器只有10%的份額，空氣源熱泵式熱水器的份額不足4%，即熱式熱水器的份額不足3%。由此，電熱水器的發(fā)展是個(gè)必然的趨勢。電熱水器的發(fā)展關(guān)鍵在于它的內(nèi)膽。現(xiàn)在市場上的電熱水器內(nèi)膽有以下幾種：鍍鋅板內(nèi)膽、不銹鋼內(nèi)膽、搪瓷內(nèi)膽、A.O.Smith金圭內(nèi)膽。其中A.O.Smith金圭內(nèi)膽比較防腐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，A.O.Smith電熱水器產(chǎn)品用戶其使用壽命大都超過30年。同時(shí)，有關(guān)專家對電熱水器市場前景相當(dāng)看好，認(rèn)為電熱水器將是今后發(fā)展的趨勢，市場份額將會(huì)越來越大，最后主導(dǎo)地位。電熱水器的發(fā)展主要著重于衛(wèi)生、安全、環(huán)保。由于這樣的發(fā)展優(yōu)勢，使得很多研究者，熱水器廠家對這方面的投入。

二、研究的目的

常規(guī)家用儲(chǔ)水式電熱水器有預(yù)熱時(shí)間長、加熱遲緩，使用不便當(dāng)，耗電，預(yù)熱及保溫過程需大量散熱水量有限，經(jīng)常遇到洗澡洗到一半沒有熱水的現(xiàn)象且洗澡時(shí)水溫不穩(wěn)定，普通水溫越洗越?jīng)雠R時(shí)用熱水用不上等缺點(diǎn)，造成了其大面積推廣使用的困難。而新型常熱家用電熱水器通過主副桶分工加熱，水量控制從而不需要全桶加熱造成能源浪費(fèi)水溫不恒定等一系列問題，有效的解決了常規(guī)儲(chǔ)水式熱水器的缺點(diǎn)。

三、項(xiàng)目研究目標(biāo)及主要內(nèi)容

通過對常規(guī)儲(chǔ)水式熱水器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其克服原有的一系列缺點(diǎn)，從而使達(dá)到具有節(jié)能，方便等優(yōu)點(diǎn)。

（一）初步擬定設(shè)計(jì)思路：將熱水器內(nèi)膽分為主副兩塊，V主桶：V副=2：1，主副桶均由溫控器，水位控制器進(jìn)行控制。附桶內(nèi)的加熱器功率高于主桶，電源開啟時(shí)，主副桶同時(shí)工作進(jìn)行加熱，冷水由入水口進(jìn)入附桶內(nèi)進(jìn)行首次加熱，附桶內(nèi)的加熱器進(jìn)行快速加溫工作。主桶內(nèi)的水溫控制器控制主桶內(nèi)的水溫，當(dāng)水溫達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的值時(shí)，主桶自動(dòng)進(jìn)行自身的加熱過程。當(dāng)水位控制器感應(yīng)到主桶水位下降到其預(yù)先設(shè)定的臨界值時(shí)，水位控制器進(jìn)行工作，控制附桶與主桶連接通道開啟，附桶加熱的水全部進(jìn)入主桶，水位控制器再次測量水位，發(fā)出關(guān)閉連接口的指令。附桶的水位控制器從而控制開來冷水的進(jìn)水口，進(jìn)而產(chǎn)生循環(huán)，有效的保證水溫和水量的恒定。

（二）熱水負(fù)荷計(jì)算及其相關(guān)數(shù)據(jù)比較。淋浴器熱水熱負(fù)荷計(jì)算按照GB 50015—2003《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（09 版） ，以熱水用水定額來計(jì)算，主要公式[3]如下：

Qw = cpqtρ（ θh-θl ）1 000 （1）

根據(jù)式（ 1） 計(jì)算電熱水器用戶的洗澡加熱水所需的熱負(fù)荷，再依據(jù)式計(jì)算得到用戶洗澡的耗電量。

E = Qw/6ηe

式中E———耗電量，kW·h

ηe———電熱水器效率，取95%

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用SPSS 軟件計(jì)算得到，電熱水器用戶的人均洗澡時(shí)間為18.47 min /（ 人·d） ，人均耗電量為1. 22 kW·h。

家庭常用電熱水器與新型家用常熱電熱水器經(jīng)濟(jì)分析基本參數(shù)

（三）工作原理及單片機(jī)的選擇。新型家用常熱儲(chǔ)水式電熱水器工作原理：剛開始啟動(dòng)電源，水溫為T1 、流量為q1 的冷水從進(jìn)水管流入熱水器副桶，主桶。經(jīng)功率為W 的電熱元件， 加熱后變成溫度為T 的熱水，由出水管流出。當(dāng)主桶水位下降到40L水量時(shí)，副桶水立刻通過中間閥門，將已加熱的水注入到主桶內(nèi)。水溫控制是通過設(shè)定值與測量值之間的比較進(jìn)行的。當(dāng)測量值低于設(shè)定值時(shí)， 控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通來控制加熱管工作，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，停止加熱。為了避免加熱管的頻繁啟停， 程序設(shè)計(jì)中設(shè)置了回差控制。當(dāng)水溫低于設(shè)定值一個(gè)回差后，才再次啟動(dòng)加熱管工作，直至水溫重新到達(dá)設(shè)定值，水位控制是通過設(shè)定值和測量值來進(jìn)行比較的，當(dāng)水位低于設(shè)定值程序設(shè)計(jì)中會(huì)反饋中間閥門控制器打開進(jìn)行注水。同時(shí)副桶冷水進(jìn)水口進(jìn)水，這種熱水器功率較大，進(jìn)行快速加熱，可連續(xù)提供熱水，主桶可持續(xù)熱水洗澡。

電熱水器控制器是以ATMEL 公司的AT89C52單片機(jī)為核心， 模擬信號輸入經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換器ADC0804，控制面板的內(nèi)容顯示采用真空熒光顯示器VFD（Vacuum Fluorescent Dis

play），VFD 的控制與驅(qū)動(dòng)由芯片uPD16311 來完成。AT89C52 單片機(jī)簡介本控制系統(tǒng)采用了ATMEL 公司生產(chǎn)的高性能的8 bit 單片機(jī)AT89C52 為主控制器。它在40 引腳的封裝內(nèi)集成了以下主要功能：一個(gè)高性能的8 bitCPU 內(nèi)核;256x8bit 內(nèi)部

RAM ;8 kB 可反復(fù)擦寫Flash ROM;3 個(gè)16 bit 可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器;8個(gè)中斷源;32 個(gè)雙向I/O 口;可編程UART 串行通道;低功耗空閑和掉電模式等。

四、項(xiàng)目創(chuàng)新特色概述

針對常規(guī)儲(chǔ)水式熱水器的缺點(diǎn)缺點(diǎn)加熱慢，不適合人口多的家庭使用等缺點(diǎn)，進(jìn)行對其創(chuàng)新改造，從而達(dá)成節(jié)能，方便的優(yōu)點(diǎn)，有效促進(jìn)儲(chǔ)水式電熱水器的推廣，具有良好的市場效益。

五、結(jié)論與建議

本系統(tǒng)通過采用以AT89C52 單片機(jī)為核心控制器件實(shí)現(xiàn)了電熱水器的持續(xù)加熱出水功能， 為目前市場上家庭常用電熱水器有預(yù)熱時(shí)間長、加熱遲緩，使用不便當(dāng)，耗電，預(yù)熱及保溫過程需大量散熱水量等不利因素，結(jié)合市場前景十分看好的電熱水器市場開拓了方向。成員在設(shè)計(jì)領(lǐng)域均具有一定的特長，并在不斷的學(xué)習(xí)過程中積累了濃厚的科技創(chuàng)新的興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周航慈教授.電熱水器控制器設(shè)計(jì)[J].廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司

[2] 劉家友.燃?xì)鉄崴髋c電熱水器技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[J].家電科技，2009（ 21）：57-58.