基于不帶回水管的零冷水節能方案研究

伍藝俊

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528300）

引言

零冷水（指使用生活熱水時沒有冷水部分，用戶能直接使用到熱水的功能）是燃氣熱水器實現高質量生活用水的一個重要功能；一般家庭使用零冷水功能時，家里的水管都有兩種：一種是沒有回水管的，這種是比較舊的水路，此水路若要使用零冷水功能，只可以把冷水管的水也加熱，這種情況下給人們使用反而帶來更多的不便；另一種是有回水管的水路，這種水路是專門針對帶零冷水功能的水路，熱水只存在于熱水管與回水管，冷水管是沒有熱水的；下面分析我們著重研究不帶回水管的零冷水水路，這種水路讓消費者不敢使用零冷水功能，希望在技術上解決用戶痛點。

1 零冷水工作原理

當熱水器通過溫度探頭檢測到水溫低于目標溫度以下時，就會通過之前預設的零冷水模式啟動水泵，水泵后會帶動衛浴循環水流動，衛浴循環水量達到啟動條件并且熱水器通過了安全檢測后，就會啟動點火程序；點火燃燒后，水泵不斷地把衛浴循環管路的自來水都抽回到熱水器中加熱，熱水器按預設的目標溫度輸出生活熱水，就這樣把循環回路里面的冷水加熱成熱水，當加熱到規定時間或把循環水路里面的冷水完全加熱后，就自動停止水泵并且停止燃燒，完成一個加熱周期；當人們用水時，由于管路的水已經加熱完畢，所以打開水龍頭時，就會直接出熱水。通過其工作原理可知，零冷水功能是提前把水路的冷水加熱，等用戶用水時就會出熱水的。

通過上面原理不難得出，每次零冷水工作時，都得把熱水管與冷水管的水加熱到指定的目標溫度，這得為整個水路提供一個比較大的輸出負荷，因為整條管路的水量比較多，所需求的熱量也比較大；但通常我們需要提供熱水的部分并不需要整條管路，細想一下，能否通過合理的邏輯算法，把熱水控制在熱水管路中去，盡管讓冷水管的水沒有被加熱到，這樣，我們所加熱的水量就減少了許多，在完全理想的情況下，我們可能讓每個家庭在零冷水功能方面，節約了約很多的燃氣，當然實際可能與這個數值相差比較大，這里只是理想模型下的數值，實際上要考慮各種因素，包括每個家庭的水路接法、每個用戶使用熱水時的習慣等等，都會影響實際節約能源的多少。

通過我們所學習到的知識，一個簡單物理公式很容易得出：

式中：

Q —把水溫加熱到目標溫度所需要的熱量（焦）；

c—水比熱容（焦/千克攝氏度）；

t2—目標溫度（攝氏度）

t1—進水溫度（攝氏度）；

ρ —水的密度；

V —水的體積。

通過這個物理關系式我們不難得出，水比熱容c 和水的密度ρ 都是常數，而水的體積v 在用戶安裝好所有水路后也是常數，并且對我們運行起來也不產生任何影響；而在溫升上，雖然每家每戶不一樣，我們在技術上不能要求用戶降低溫升來達到節能的目的；若從技術上忽略用戶不同溫升的情況下，當加熱水管在固定的溫升需求下，主要看用戶家庭熱水管與冷水管水量的大小，這個體積決定了維持零冷水功能，所需要輸出的負荷；從以上參數可以看出，我們可以通過只加熱部分水來維持零冷水功能，但加熱哪部分水呢？通過仔細觀察圖1，我們慢慢有一個構想，能否只加熱熱水管的水，而冷水管的水不加熱呢？我們建立一個簡單的測試方案，并且在以下水路中加入不同的測試點，詳細如下圖所標注的地方。

圖1 不帶回水管水路（圖片源于網絡）

我們通過現有的熱水器的基本能力，研究一個能盡量解決消費者痛點的邏輯控制原理：首先在有零冷水需求（首次使用零冷水或長期沒使用過）時，熱水器啟動零冷水水泵，通過水流量傳感器檢測水流量；當滿足燃燒啟動所需要的一切條件后，開始燃燒加熱，同時通過水流量傳感器累計水流量L0，直到滿足零冷水停止條件后，停止燃燒，此時無論是熱水管還是冷水管都是熱水；接著打開其中一個用水點，模擬用戶用水，此時無論是熱水管還是冷水管，冷水都會補充進來；當冷水補充進熱水管時，啟動熱水器加熱，把補充進熱水管的冷水按目標溫度加熱，使用熱水管的水溫維持在目標溫度值附近，當用戶使用了一段時間后，會就形成熱水管的水還是熱水，但冷水管的水有一部分是冷水的情況；再接下來，等待用戶使用完畢后，再馬上啟動零冷水功能，加熱冷水管冷水部分的水，當燃氣熱水器偶到熱水時，即加熱完冷水管冷水部分水時，就立刻停止水泵和停止加熱，在這個過程中，可以通過衛浴水流量傳感器測試到冷水量，記錄為L1；然后等待一段相對長的時間不使用零冷水時，即水管的水自然冷卻時，熱水器再次啟動點火燃燒，以維持零冷水功能，此時加熱水管的水量不再是L0，而是Lx = L0 - L1；即通過上次用水可以運算出哪部分的水是冷水管的，此部分水就不必加熱，以達到節能減排的效果；最后在不同的用水點不斷重復用水的情況下，熱水器通過收集每次使用時的數據，通過數據分析處理，不斷調整實際所需要加熱的水的體積，最終以達到不會加熱冷水管的水，只加熱熱水管的水的目的；下面規劃了一個工作流程圖。

按以上邏輯流程，建立芯片程序，在實驗室搭建一個測試水路，水路上面分別增加監測點，詳細如圖2所示。

圖2 測試水路

圖3 零冷水節能調節邏輯

圖4 冷熱水管多次運行后的曲線

測試條件見表1。

表1 測試前提數據

記錄在實驗室測試的數據（單位℃）見表2。

表2 測試數據

2 數據分析

從總體數據來看，零冷水運行次數較少時水管里面的冷熱水分布沒有明顯的差別，使用過程中也體現不出有明顯的不同點；在零冷水多次運行后，冷熱水的分布續漸分明，熱水慢慢集中在熱水管里面，而冷水也慢慢集中在冷水管里面，說明這里需要一個數據積累處理過程，這與用戶使用次數與每次使用生活熱水的量有相當關系，用戶使用的水量與放水點是系統冷熱水分布合理的關鍵因素。現分別求出冷熱水管的平均溫度并且把每次的平均溫度記錄在二維圖上，得出以下曲線圖。從曲線圖可以更清晰與直觀的看出，冷熱水管的溫度走勢狀態。相對較平緩的是熱水管的曲線，相對變化較大的是冷水管曲線。

我們把數據細化分析，從熱水管的測試分布點A′、B′、C′和D′看出，熱水管的平均溫度是保持在目標溫度附近的，并沒有太大的變化，所以零冷水的功能得以保證；再從冷水管的測試分布點A、B、C 和D 點看出：由A 點到D 點，隨便消費者不斷使用生活熱水，水溫續漸從高到低的變化，說明冷水管的水從點A 開始慢慢補充了冷水進來，并且此部分冷水沒有被強制加熱。也同樣說明從開始使用后，就已經體現出節能的效果了，隨著使用的次數增加，數據不斷地累積，節能的效果會越來越明顯，同時用戶會慢慢察覺出節能與舒適。

3 總結

通過實驗數據分析，我們得出這樣的結果：在不帶回水管時使用零冷水功能，可以一定情度地解決冷水管有熱水的問題，從而也達到節能減排效果。通過技術智能檢測，在日常使用中熱水器自動識別消費者家庭水路的情況，使之前冷熱水管都是熱水的情況得以改善，做到冷水管里面沒有熱水，熱水管里面只有熱水，滿足用戶使用的同時又不浪費能源消耗；本工作只對單一水路作出研究，由于每個家庭的水路各不相同，實際情況遠比這復雜得多，我們將進一步對不同水路作研究。