一種新型節能環保殺菌消毒飲水機的研究與應用

魏禮松 周夢德

艾歐史密斯（中國）環境電器有限公司 江蘇南京 210038

飲水機是一種能夠滿足人們日常飲水需求的器具，能夠向用戶提供溫水，或者溫水與熱水、冷水等的組合[1]。飲水機與傳統的開水器相比具有以下優點：第一是節能，由于飲水機采用熱交換技術，相對傳統的開水器而言，能夠節約電能80%以上；第二是直飲，能夠保證用戶直接飲用到30至45℃的溫開水（該溫開水是被高溫消毒的水與進水換熱后冷卻下來的水）。由于飲水機具有上述優點，其在各個場合得到了廣泛的應用，包括：學校、醫院、大型超市等等。然而，對飲水機而言，其提供溫開水的出水管路中在使用過程中容易滋生細菌[2]。主要原因在于出水管路內流通的是30至45℃（攝氏度）的溫水，該溫度非常適宜細菌的繁殖。特別是當用戶一段時間不使用時，出水管路中靜置的水環境為細菌提供了適宜的溫度和濕度，導致細菌在此大量繁殖，常被稱為飲水機的二次污染問題[3]。為解決這一問題，現有技術中一種常見的解決方案是直接將儲水罐中的“隔夜水”從排污口進行排空。后續如果需要對出水管路進行殺菌，則可能會利用儲水罐中加熱至設定溫度（該設定溫度低于沸點溫度，一般為94至95℃）的水進行沖洗。但是上述排空和殺菌的方式在節能環保以及殺菌可靠性上均有待提高。因此有必要對飲水機作進一步改進，實現節能環保并保證有效殺菌，提高用戶體驗。本文將在傳統飲水機的基礎上，加以改進，提出一種新型環保的飲水機殺菌消毒方案。

1 總體方案設計

本方案擬提出一種新型飲水機，能夠利用待排出的水對出水管路進行殺菌，既能夠有效避免傳統飲水機存在的二次污染問題，還可以同時兼顧節能環保的虛求，帶來較大的用戶體驗提升。這就需要巧妙利用飲水機出/入水的管路結構，對出水和入水管道進行合理有效改進，保證在下一取水周期之前，對出水管路進行簡單便捷且較為充分的殺菌消毒操作，較佳地避免用戶喝到受細菌污染的水，保證用戶的身體健康并提高用戶的使用體驗。

一般的，為了避免飲水機的二次污染問題，隔夜水需要被排空。在向用戶供水前，會將儲水罐中的隔夜水通過排污口進行排空，后續再向儲水罐中注入水，并將注入的水加熱至預定溫度（該設定溫度低于沸點溫度，一般為94至95℃）。后續可以利用該預定溫度的熱水沖洗出水管路。但是，目前的排空和消毒是相對獨立的兩個過程，不僅效率低下，而且還會浪費較多的水資源，最重要的是最后的殺菌效果也無法得到較佳的保證。假如沖洗用的熱水較多，則會導致更多的水資源浪費，假如沖洗用的熱水較少，很有可能并不能達到理想的殺菌效果。

本設計中飲水機系統中沒有額外復雜冗余的殺菌系統，僅利用特定管道組成的消毒通路就可以對水路管道進行行之有效的殺菌。飲水機常規取水和殺菌消毒操作的示意圖如圖1所示。

2 飲水機結構及殺菌方案設計

2.1 供水水源

從水源上來說，該飲水機具有凈水系統，從自來水端供入的水，在經過凈水系統凈化后，可以將自來水進行高效過濾，去除有害物質，獲得凈化后的常溫水。該凈水系統與飲水機進水閥連通，從而能將凈化后的常溫水通入進水管路中。采用自來水也大大降低了用水成本。

圖1 飲水機常規取水和殺菌消毒操作示意圖

2.2 飲水機結構設計

本設計中的飲水機主要包括儲水罐，供/取水管路和排空消毒管路，換熱機構和人體感應裝置等，具體如圖2所示。

圖2 飲水機結構圖

（1）儲水罐設計。在常規取水階段，置有加熱元件的儲水罐將對儲存的水進行加熱。特別指出：①這里采用圓柱形儲水罐，這是由于圓柱形水罐具有較佳的承壓能力。當儲水罐加熱而產生較大壓力且該壓力沒有被及時排放出時，圓柱形儲水罐各個方向上承受的壓力比較均勻，整體上耐壓能力較佳，抗變形能力較強；②加熱元件可以采用電加熱的形式，比如設置在內部的加熱棒。加熱棒的個數可以為一個，也可以為多個。當加熱棒的個數為多個時，可以根據實際加熱功率等需要，啟動加熱棒中的一個或者全部。此外，對于單個加熱棒而言，還可以采用加熱功率可調的形式；③整體上，為了保證在排空時能夠將儲水罐中的水徹底排出，排水口被設置在儲水罐的低端。此時，排水口不僅可以作為排空時的出口，還可以作為進水口用于向該儲水罐供水；④儲水罐頂端設置有進氣口，用于將儲水罐中的氣體排出，并設置有機械式排氣閥（由懸浮球以及與外部大氣相通的配合孔構成），以保證儲水罐能始終處于滿罐的狀態。具體實現方式為：沒有滿罐時，懸浮球與配合孔之間有一定的間隙，儲水罐中的空氣能夠通過該間隙由配合孔向外排出；滿罐時，懸浮球將配合孔封堵。因此在整體上可以保持儲水罐內始終滿罐，且其內部的水流動力均來自于進水端水壓，無需增加額外的水泵作為動力源，節能環保，并且出水量始終等于入水量，出水流量大且穩定。

（2）管路設計。飲水機供取水管路總體上可以分為3路，具體如下：①供水管路。下游一端與儲水罐進水口（也是排空時的排水口）相連接，另一端設置有進水閥，與凈水系統相接。進水閥可以選用電磁式的進水閥，與控制器電性連接，當接受到控制器的控制信號后，可以打開或關閉。一般的，該進水閥處于常開狀態，當需要啟動熱水排空消毒模式時，進水閥處于關閉狀態；②取水管路。一端與單向閥相連通，另一端設置有電磁式出水閥，與控制器電性連接，開關可控。此外，出水閥還可以設置有感應器，當識別到用戶的人體信號時即打開出水，或者設置手動開關，當用戶打開該手動開關時，出水閥即打開出水。其中，出水閥的個數可以根據需要設置一個或多個；③旁通支路（排空消毒管路）。儲水罐上端的出水口下游設置有第一單向閥，用于保證出水口至取水管路單向導通，且單向閥下游與排水口之間設置有水泵和電磁閥，由旁通支路進行連接。同時，在旁通支路中設置第二單向閥，用于保證所述旁通支路中的水自上游端至下游端單向導通。在某些特殊情況下，例如水壓波動時，旁通支路中的水不會倒流，從而提高了管路整體的可靠性。

（3）其他設計。主要包括換熱機構，比例閥，文丘里結構及人體感應裝置等。①換熱機構：考慮到節能環保的需求，可以在供水管路與取水管路之間設置熱交換器，使供水管路通過熱交換的方式至少能與部分取水管路換熱。其中，熱交換器包括：內外套設的內管和外管。其中，內管設置在取水管路中，用于出溫度較高的熱水，外管設置在供水管路中，用于對熱水進行降溫冷卻，同時外管中被熱水預熱后的水供入儲水罐中，可以達到節能的效果。為保證換熱效果，熱交換器呈螺旋型。②比例閥：飲水機還包括比例閥和供水管路（包括第一支路和第二支路），其中，第一支路、第二支路分別與比例閥相連通，第一支路為設置有外管的支路，從進水閥流入的常溫水流經第一支路的外管時能與內管中的高溫水進行換熱，以對內管中的高溫水進行冷卻。第二支路直接將進水閥供入的常溫水傳送給儲水罐。比例閥用于調節進入第一支路和第二支路的流量。例如，當外界環境溫度較高，需要適當調低出口的溫度時，可以通過該比例閥進行調節，加大進入第一支路的水流量，使得從儲水罐流出的高溫水能夠被冷卻至預定的較低溫度。同樣的，當外界環境溫度較低時，需要適當調高出口的溫度時，可以通過該比例閥進行調節，減小進入第一支路的水流量，使得從儲水罐流出的高溫水不被冷卻至較低的溫度。③文丘里裝置及人體感應裝置：取水管路中靠近出水閥的位置設有縮頸段帶開口的文丘里結構，當取水管路中有流體流通時，縮頸段在開口位置形成負壓，管路中的流體不會從開口位置流出。常規取水階段以及啟動熱水排空消毒模式或蒸汽消毒模式時，出水閥處于打開狀態，取水管路中有流體流通，此時，流體可以通過出水閥的出口排出，而不會從文丘里的開口溢出；另一種情況，在熱水排空消毒模式或蒸汽消毒模式下，為了防止從出水閥流出的沸水或蒸汽誤傷用戶，借助飲水機中設置的與控制器相連接的人體信號識別模塊，在接收到人體識別信號后，出水閥關閉，儲水罐中產生的蒸汽或沸水通過文丘里結構的開口排出。人體信號識別模塊包括下述中的任意一種或其組合：紅外檢測模塊、按鍵模塊、語音接收模塊、WIFI模塊。以紅外檢測模塊為例，紅外檢測模塊可以檢測到預定范圍（例如3米至5米）內的人體信號，當用戶靠近時，出水閥立即關閉。

2.3 殺菌消毒方案

主要包括熱水排空消毒模式，蒸汽消毒模式，UV殺菌燈消毒模式，可以為一種或多種模式的組合。

（1）熱水排空消毒模式：當啟動熱水排空消毒模式時，進水閥關閉，電磁閥打開，水泵啟動，在水泵的驅動力下，將儲水罐中的滿罐沸水自排水口（也是常規取水時的進水口，但由于此時進水閥關閉，進水口僅作為排空消毒的排水口）流經電磁閥和旁通支路，并由取水管路向外排出。也就是說，當啟動熱水排空消毒模式時，飲水機內的儲水罐、水泵和旁通支路、取水管路相連通形成排空消毒通路。該通路中的流通的熱水為儲水罐中被加熱的沸水，并且該沸水是需要被排出的隔夜水。

（2）蒸汽消毒模式：當啟動蒸汽消毒模式時，加熱元件啟動，將儲水罐中充滿的水加熱至沸騰后產生預定時長的蒸汽，蒸汽自儲水罐的出水口由取水管路排出。

（3）蒸汽+熱水排空消毒模式：在啟動熱水排空消毒模式進行隔夜水沖洗前，可以先對取水管路進行蒸汽殺菌。具體的，可以將儲水罐中待排出的隔夜水加熱至沸騰，沸騰時產生的蒸汽通過出水口流經取水管路后可以從出水閥排出，從而實現了對取水管路的蒸汽殺菌。其中，蒸汽流經的路徑為飲水機正常工作時的出水路徑。蒸汽殺菌的預定時長至少為1分鐘。當蒸汽消毒模式結束后，可以啟動熱水排空消毒模式。當取水管路經過蒸汽消毒和沸水排空消毒后，菌落數能降為0。

（4）UV殺菌燈消毒模式：出溫水段的取水管路在一段時間不出水后容易滋生細菌。為了盡可能降低取水管路中細菌數量，可以在取水管路中設置UV燈殺菌機構。UV燈是利用紫外線的殺菌原理制成的燈管，可以較好地殺滅水中的各種細菌。

3 應用實例

對于學校用的飲水機（以下簡稱校園機），啟動消毒模式的啟動信號可以通過設置定時器定時啟動，也可以通過設置按鈕手動啟動。當通過定時器定時啟動時，其開機時間可以根據需要進行設定，例如為早上6點鐘。針對該開機時間，可以設置啟動消毒模式（包括熱水排空消毒模式和蒸汽消毒模式）。其中，例如蒸汽消毒模式對應的時長可以為15分鐘，熱水排空消毒模式對應的時長可以為30分鐘。則在5時15分時，通過定時器發出信號首先啟動蒸汽消毒模式。

當啟動蒸汽消毒模式時，關閉進水閥，打開取水閥，加熱元件啟動。加熱元件的加熱功率調至最大，以將儲水罐中的水快速加熱至沸騰；然后利用沸水產生的蒸汽對取水管路進行消毒15分鐘。正常情況下，出水閥打開時，蒸汽從出水閥的出口排出。當用戶靠近校園機時，為了避免高溫蒸汽燙傷用戶，出水閥關閉，蒸汽通過文丘里結構的開口排出。當儲水罐中的水沸騰預定時長后，即上述的蒸汽流通15分鐘后，蒸汽消毒模式結束，啟動熱水排空消毒模式。此時，排水口下游的電磁閥打開，水泵啟動，將儲水罐中充滿的沸水自取水管路排出，完成儲水罐排空的同時實現了對取水管路的消毒殺菌。同樣的，沸水的終端出口可以為出水閥的出口或文丘里結構的開口。因此，在特殊情況下，當校園機處于排蒸汽或沸水的狀態時（即處于蒸汽消毒模式或熱水排空消毒模式時），在接收到人體信號識別模塊獲取到的人體信號時，關閉取水閥，儲水罐中產生的蒸汽或者沸水通過文丘里結構的開口排出，從而避免高溫的蒸汽或水誤傷用戶。

4 結語

針對飲水機存在的二次污染問題，本文提供了一種新型節能環保殺菌消毒飲水機，通過在儲水罐的出水口下游的第一單向閥與排水口之間設置水泵和電磁閥，引入旁通支路，改變了傳統的排空路徑，將排空路徑和消毒路徑進行了巧妙地合并。具體而言，將儲水罐中待排空的隔夜水加熱至沸騰，并利用儲水罐、水泵和取水管路相連通形成的消毒通路進行排水（蒸汽）和殺菌，實現了節能環保，且能夠保證有效殺菌，大大提高了用戶的使用體驗。