魏礼松 曹满清 周梦德

（艾欧史密斯（中国）环境电器有限公司，江苏 南京 210038）

0 引言

随着人们对生活饮用水质量要求的提高，办公场合（企事业单位、学校、工厂、商场等）对商用净水器的需求量越来越高，商用净水器因其优良的过滤和净化效果，同时可以满足消费者对水质安全、节能的需求，备受消费者青睐。文献[1]介绍了一种步进式加热共享热水机的设计方法，KG316T时控开关解决了装有21L的步进式加热水箱饮水机的定时加热问题。文献[2]针对饮水机热控系统提出了一种EPH快速加热方法，克服了传统饮水机“加热－保温－加热”的循环加热高能耗、饮水健康缺陷等局限。文献[3]提出了一种加热水量可控的节能饮水机技术方案，与传统以水箱最大容量的反复加热模式相比，该文提出的技术方案具有能耗低、饮水质量高的优点。上述商用净水器加热系统方案虽然在一定程度上实现了节能，但是仍然存在加热系统效率偏低、水质不安全、消费者体验较差的问题，制约着商用净水器的进一步发展。若将步进式加热控制系统[4]、热交换能量回收系统[5]、蒸汽热能回收系统、AES智能节能控制模式[6]等设计集成在商用净水器上，不仅方便消费者使用，还降低了能源损耗，较传统商用净水器节能省电最高可达60%以上。基于上述需求，该文将着重介绍商用净水器节能方法。

1 加热系统节能方法设计

1.1 步进式运用

传统商用净水器加热系统是将整个加热罐内的水加热至沸腾或设定温度后停止加热，这种加热方式已经不满足消费者对饮用水安全性的要求。全新商用净水器采用底层进水，可以避免传统净水器上层直接“倾倒式”进水造成生水与沸水混合，即市场消费者关心的“阴阳水”问题。如图1所示，根据热水分层原理，不同温度的水在同一容器内分布在不同的高度，底层进入热罐的生水温度较低，沉积在热罐底部，有效防止由于水力搅动导致的热对流，防止生水与沸水出现混合。在热罐中加热管底部增加分水器隔板，从底部进水的水源可以均匀进入热罐，避免生水直接接触加热管顶部的沸水。由于存在水力扰动和分子扩散等因素，一次性补满热罐的方式不能完全避免生水混进上层沸水中。为了进一步改善生水、沸腾水混合问题，同时又能保证一次加热一次沸腾，避免出现“阴阳水”、“千滚水”问题，可通过电控设计优化，分批次补一定的生水，加热管持续加热，每当加热温度即将达到沸点（温控器监测）时，再次补水，如此反复，直到热罐中水满为止。同时也避免了因为传统商用净水器整个热罐加热沸腾后才可取水而导致的较长等待时间（首沸时间需要40min~75min，不能及时取水），该过程一次加热一次沸腾，降低了传统商用净水器反复启停加热、持续沸腾导致的电能损耗。商用净水器采用全电脑控制，具有定时加热功能，可根据消费者的需要设定工作日进行加热，一天中可设定加热时段，避免夜间或非工作时间的加热，系统自动控制管理，不需要人工值守，可实现整机自我管理，很适合用于办公场所，较传统开水器（控制温控器，围绕设定的温度重复加热）减少了50%无效工作时间；步进式加热方式，不仅保证饮用水安全而且还可以高效节能，即开即饮，无须等待较长时间。商用净水器通过全电脑控制、精确的温度控制、进水控制与加热件配合，加热效率比传统商用净水器加热效率提高30%以上，采用逐层加热技术，可最大限度地避免热量散失，整体较传统商用净水器省电达60%以上。

图1 加热系统图

1.2 蒸汽回收运用

如图1所示，商用净水器为保证正常出水，热罐内部需要和大气保持压力的平衡。因此，传统商用净水器会在热罐的顶部设置面向大气的进气或排气管路，将加热过程中产生的沸腾蒸汽通过排气管路向外排出，保持热罐与外界压力的平衡，使净水器能够正常出水。排放的蒸汽是由水加热沸腾而产生，这就需要消耗大量的能源，任何蒸汽的浪费都会造成能源的浪费，给蒸汽消费者带来额外的经济负担。因此，在蒸汽排放的管路上设计一个回收系统管路，将蒸汽回收再利用，不仅有利于减少能源的消耗，也可节约经济。如图2和图3所示，在热罐内部水加热至沸腾时，大量沸腾蒸汽会通过排气管路直接排向大气并产生白色烟雾，消费者体验差并且蒸汽携带的热量耗散导致整机能耗增大。通过优化热罐的排气管路，热罐中沸腾蒸汽通过排气阀进入蒸汽回收的管路（管中管结构），蒸汽通过内管通道，常温水通过外管通道。蒸汽通过管壁能量交换，冷却形成冷凝水，在汽化过程产生的热能被外管中的水吸收，使水温由20℃提升到30℃~50℃，提升后的温水通过管路进入热罐中加热，使热罐进水水温提高10℃~30℃，缩小了热罐进水的加热温度区间（由原来80℃加热温度区间，降低为50℃~70℃），一定程度上可避免沸腾蒸汽排放产生的白色烟雾的现象，同时也能减少整机能源消耗。根据测试验证，采用蒸汽热能回收，可使商用净水器节电10%~30%。

图2 蒸汽回收管路图

图3 蒸汽回收原理图

1.3 热交换能量回收运用

市场上的商用净水器，均提供90℃以上的热水，并不能满足所有消费者的饮水需求。像校园、幼儿园等饮水群体，高温热水有很大的安全隐患，他们对温开水（45℃）有较大的需求。目前，市场上的解决方案，均是将生水加热至45℃或将开水与生水混合至45℃。但这些方案均会带来一个问题，生水或混合生水，在一定程度上会带来饮用水卫生风险（如生水、细菌超标、“阴阳水”等问题）。通过技术方案不断创新，在商用净水器上运用热交换技术（回收示意图如图4所示、工作原理如图5所示），在热罐的进出水水路上设置管中管的热交换器，20℃温水经过热交换器的外管，通过换热后再进入热罐中进行加热。100℃的开水经过热交换器的内管，通过管壁能量交换产生的热能被外管中的水吸收，将100℃开水降温至45℃温开水。此技术方案采用了零混水的技术，完全可以避免生水饮用问题。20℃常温水通过热交换器，将100℃开水的热能经过热传递给20℃常温水，常温水在进入热罐之前就已经把温度提高到85℃左右，进而在热罐内部直接将85℃的生水加热至沸腾，只需要15℃加热区间即可。而传统商用净水器，热罐是把常温水从20℃加热到100℃，需要加热80℃，不仅加热温度区间较大，而且整机能耗也较高。带有热交换功能的商用净水器与传统机器相比，理论节能率：（80-15）÷80=81.25%，实测节能率＞70%。商用净水器通过集成热交换技术后，可节能约为72%，对比测试值见表1。

图5 热交换能量回收原理图

表1 商用净水器集成热交换技术前后节能对比测试

图4 热交换能量回收图

2 AES智能节能设计

AES是一个智能学习的程序，在消费者使用一段时间机器后，根据消费者的饮水习惯进行数据分析、判断用水的高峰期，学习消费者的饮水规律，通过数据分析后可以自动预测消费者下一次用水时间段。在下一次用水时间段之前，程序会提前启动，将机器提前加热，准备好热水保证消费者用水的需求。而在其余闲暇时间，程序会关闭机器的加热棒，避免夜间或非工作时间的加热，系统程序自动控制管理，不需要人工设置，可实现整机智能的自我管理，减少耗能动作（如回流杀菌、保温加热等），以达到节能目的，很适合用于办公场所使用。带有AES的商用净水器可以随消费者的饮水习惯的改变而智能改变，根据消费者饮水习惯自动调节整机加热状态，避免无谓的能源浪费，同时可根据消费者习惯的打水时间自动准时准备好开水，方便消费者使用，减少热量散失带来的能源损耗。通过AES智能节能设计后，整机节能约为40%以上，对比测试值见表2。

表2 商用净水器集成AES功能前后节能对比测试

3 节能设计与传统设计效果对比

商用净水器集成各种节能设计方案后，不仅能确保水质安全，提高消费者的体验感、而且在节能方面也有很大的改进和提高。商用净水器广泛地应用于机场、高铁站、医院、校园、工厂等场所，通过长时间消费者体验后，进行市场消费者的调研对比，见表3。

表3 商用净水器节能设计与传统净水器的市场反馈对比

4 结论

国家对节能减排工作的重视以及人们对节能环保意识的不断增强，传统商用净水器已经饱受诟病。安全、环保、节能、高效的产品越来越受到人们的青睐。商用净水器通过在步进式加热控制系统、热交换能量回收系统、蒸汽热能回收系统、AES智能节能控制模式等节能设计上的不断创新，不仅有效杜绝“阴阳水”、“千滚水”，避免了饮水健康问题，同时也是对传统设计的革新，大大降低了能耗，给消费者带来了更好的使用体验，节约消费者的使用成本，更是响应了国家节能的号召。经过产品实践，该节能理念可以在商用净水器设计中大力推广和应用。