家用新型節能飲水系統設計

丁艷　張輝

摘要：文章介紹了一種新型健康節能飲水系統的創新設計方案，將太陽能引入到家用日常飲水系統，作為飲水的預熱熱源，對凈化后的自來水進行預熱，提高飲水初溫，并設計了具有三種水溫的控制系統，可以控制出水的溫度，具有冷水、溫水和開水的出水選擇，在飲水產品領域，具有一定的參考和推廣價值。

關鍵詞：節能環保；飲水機；太陽能；凈水器；水溫控制系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP274 文章編號：1009-2374（2017）05-0110-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.053

當今社會，國家大力提倡節能環保，社會倡導綠色、低碳、和諧、健康生活。我國的煤炭消耗在全世界的國家排名中居首位，而且在我國的能源消費中，煤炭的消耗又是最高的，煤炭的高占比消費對我國近幾十年的飛躍發展起到了不可替代的作用，但是社會也越來越突顯出環境污染嚴重和高能耗低效率的弊端。因此，大力發展新能源與可再生能源已成為我國21世紀發展國民經濟和全面建設小康社會刻不容緩的重要任務。太陽能是一種可再生可持續利用的經濟型清潔能源，如何充分利用太陽能一直倍受各界的高度關注。近年來，我國太陽能熱水系統快速發展，已經廣泛應用于各種住宅工程中，提高了人們的生活質量，降低了能源的消耗，同時也降低了污染物的排放。本文將從家用飲水系統切入，將太陽能引入日常生活飲水系統，介紹一種新型健康節能飲水系統的創新設計方案，在飲水產品研究領域，將具有一定的參考價值和推廣價值。

1 系統介紹

家用新型節能飲水系統主要是將太陽能引入飲水系統，作為飲水的預熱熱源，提高飲水初溫，節省了電能的消耗，同時也改變了傳統的加熱方式，實現無膽加熱，即飲即熱，極大地節省了反復加熱時的能耗，同時也規避了“千滾水”的問題，并對出水溫度進行控制，提供多種飲水溫度，并利用出水冷卻余熱，加熱廚房洗刷用水。該系統由凈水器、太陽能保溫箱、即熱器、冷卻器、加熱器、制冷器、儲水箱等裝置組成。系統大致結構圖如圖1所示。

2 凈水器的選擇及工作原理

本系統的水源采用的是自來水，目前雖然自來水廠凈化水的技術得到了很大的提高，但是還不能完全達到直接飲用的程度，而且經過太陽集熱器加熱后的飲用水也無法直接飲用，因此本文采用凈水器裝置，對水進行凈化處理。考慮到溫度對凈水器的凈化作用有一定影響，本文將凈水器安裝在太陽能熱水器的前端，這樣整個系統的凈水效果最佳。

凈水器采用5級凈水裝置。第1級為PP濾芯棉，能濾除水中大顆粒的雜質；第2級為顆粒活性炭濾芯，能去除水中異味、三氯甲烷其他的附產品；第3級為CTO壓縮活性炭濾芯，能深度去除余氯、異色、細菌等雜質；第4級為超濾濾芯，過濾精度達0.01微米，深度濾除水中病毒、水中極微小的懸浮有毒有害物質，保留有益人體的礦物質微量元素；第5級為載銀后置活性炭濾芯，通過銀離子交換進行活性炭的微孔，徹底改變了傳統吸附型產品不能分解有害氣體、重金屬離子，同時達到抑菌功能，以防再次污染。經過五級凈化，能達到直接飲用的標準。

3 太陽能保溫箱改造設計及工作原理

太陽光透過集熱器的第1層玻璃外殼照射到第2層玻璃的黑色吸熱層上，該吸熱層是一種特殊的涂層，對太陽光中可見光具有很高的吸收作用，吸收太陽光的熱量，而吸熱層與第1層玻璃間又是真空隔熱的，所以絕大部分吸收的熱量只能傳給吸熱管內的冷水，將吸熱管內的冷水加熱為熱水，由于冷水的比重大，熱水就會自動上升，吸熱管不斷吸收熱量，不斷傳遞給吸熱管內的冷水，從而形成一個循環的上升動力，將熱水不斷送入太陽能保溫箱，而太陽能保溫箱內溫度相對較低的水也不斷進入吸熱管進行補充，如此循環，太陽能保溫箱內的水不斷加熱。

本系統的創新點是將太陽能引入系統，來提高水的初溫，把太陽能保溫箱進行改造，根據傳熱學的知識，可以采用逆流、增大換熱面積等方法來提高換熱效果，因此本文在太陽能保溫箱內安裝螺旋盤管，增大換熱面積進行換熱。經過計算，該方案換熱效果很好，可以提高水的初溫，將太陽的保溫箱進行改造，在保溫箱中安置螺旋盤管，飲用水經過螺旋盤管與管外的熱水進行換熱達到提高初溫的效果。

4 控制系統設計及工作原理

本系統的控制部分主要有冷水控制系統、溫水控制系統和開水控制系統。飲水系統設置了冷水按鈕（圖1中的冷水圖標）、溫水按鈕（圖1中的溫水圖標）和開水按鈕（圖1中的開水圖標），通過三個按鈕選擇不同的出水溫度。

下面對其工作原理進行大致的介紹：

4.1 冷水控制系統

冷水控制系統：可以獲取10℃冷水。

在炎熱的夏季，人們通常想飲用冷水來解渴，此時只需要按下冷水按鈕，便可得到一杯冷水。當按下冷水按鈕，開關1打開，制冷器通電工作，同時進行溫度檢測，當水溫達到10℃時，開關10自動打開，從出水口便可以流出10℃的冷水。

4.2 溫水控制系統

溫水控制系統：可獲取40℃溫水。

在多數情況下人們習慣飲用溫水（人體適宜飲水溫度為40℃），無論炎熱的夏季還是寒冷的冬季，僅需按下溫水按鈕，便能得到一杯溫水。當按下溫水按鈕，開關2和開關9便會自動打開，太陽能保溫箱內具有一定溫度的水便會流向含有開關3、開關5和開關4的管路，而此時按下的是溫水開關，程序里已經規定好取溫水控制系統中，開關4保持關閉狀態，所以開關4不會產生誤動作，在開關3和開關5處的水溫檢測傳感器，會檢測出管路中的水溫，當溫度高于40℃時，開關3和開關6便會自動打開，通過換熱器將水的溫度冷卻到40℃左右，然后從出水口流出，而通過開關6流經換熱器的冷卻水也就同時被加熱了，這樣的水存儲在儲水箱中，可以作為廚房的洗刷用水；如果經過開關2的水溫低于40℃，開關5將會自動開啟，水便會進入加熱器進行加熱，當溫度達到40℃時，開關8便會自動打開，從出水口也可獲取40℃左右的溫水。在獲取40℃溫水后，再次按下溫水按鈕，開關2、3、5、6、9便會關閉，出水口不再流水溫水。

4.3 開水控制系統

開水控制系統：獲取100℃開水。

開水也不能離開人們的生活，當人們需要開水時，則可以按下開水開關，便可以得到一杯熱騰騰的開水。當按下開水按鈕，開關2和開關9便會自動打開，在太陽能保溫箱內具有一定溫度的水便會流向含有開關3、開關5以及開關4的管路，由于按下的是開水按鈕，程序設定開關3和開關5一直處于關閉狀態，此時開關4中的溫度傳感器便會檢測水溫，當溫度低于100℃時，開關4便會打開，然后通過即熱器進行加熱，當水溫達到100℃時，開關11便會打開，這樣從出水口流出的就是具有100℃的開水，獲取100℃開水之后，當再次按下開水按鈕，便會使相關開關處于關閉狀態，出水口不再流出100℃的開水。

5 結語

本文對以上方案進行了驗證測試，本方案將太陽能熱水器引入飲水系統，確實可以提高飲水的初溫；系統中選用即熱式加熱方式，極大地節省了反復加熱時的能耗，杜絕了“千滾水”的存在；通過相關的控制系統，實現了三種水溫飲用水的輸出；利用余熱，實現了廚房洗刷用水進行適當加熱。本設計方案具有一定實用價值與參考價值。

參考文獻

[1] 羅運俊.太陽能技術及利用[M].北京：中國化工出版社，2005.

[2] 賀平.供熱工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[3] 楊艷.“千滾水”式飲水機的智能改進[J].硅谷，2013，（9）.

[4] 王高琛.新型節能健康飲水機設計[J].企業導報，2011，（9）.

[5] 賈艷婷.半導體制冷研究綜述[J].制冷，2012，（1）.

作者簡介：丁艷（1980-），女，江蘇徐州人，中國礦業大學徐海學院講師，碩士，研究方向：熱能與動力工程專業方面的教學與研究。

（責任編輯：王 波）