节能型智能马桶盖之温水冲洗加热模块的研究*

林文汉

(厦门优胜卫厨科技有限公司 福建 厦门 361000)

1 智能马桶传统温水冲洗加热模块简介

国标GB/T 23131-2008对智能坐便盖的定义为：指安装在陶瓷或者塑料等坐便基座上的由电子电路控制的包括用于清洗人体臀部等冲洗装置在内的器具。该器具至少具有人体臀部和女性下体的温水冲洗功能，可相应增加臀部干燥、坐垫加温以及环境除臭等辅助功能[1]。由国标的定义可以很明显地看出，温水冲洗功能是最为核心的功能，其余的功能都是在这基础上相应增加。温水冲洗功能传统技术为水箱加热式也称储热式。水箱式特点比较明显：体积大、无法实时调整水温、水温使用过程中会降低，最关键的一点需要提前加热，使水箱内的水维持一定的水温，让使用者使用温水冲洗功能时，马上能有温水冲洗(见图1)。

图1 储热式加热水箱

2 智能马桶温水冲洗功能原理介绍

自来水通过稳压阀组件控制水路开启或关闭，并将进水压力稳定在一定范围内，保证电子座便器系统内的流压不超过0.11 MPa。自来水进入即热式水加热模块加热后，即热式水加热模块在此起瞬间加热水的作用，温水经过防虹吸小水箱再送给换向阀组件，再利用空气泵组件将空气增压，增压后的空气同时也送给换向阀组件，实现水汽混合；利用换向阀换向及流量控制的功能，实现水流量的控制和水路方向的切换，使得混有空气的温水能分别供给臀部清洗、女性清洗、强洗或自动清洁功能(见图2)。

图2 即热式水路原理

3 智能马桶水节能型加热模块的技术要求说明

智能马桶盖初期的产品大多为储热式，不仅费电，能耗高；而且整个产品体积也比较大，笨重，占空间，现在人们对空间的需求越来越讲究，马桶盖也往体积小的方向发展，新型节能型温水加热即热模块(瞬间加热)就是主流了。以及主要介绍下瞬间加热模块的技术要求[2]：

3.1 升温性能

输出最高档时，进水温度为5 ℃，水接触到人体是的温度应不低于30 ℃，水接触到人体后1 s内，水温度应不低于35 ℃。

3.2 水温稳定性

清洗用水最高档的温度应控制在35～42 ℃，在30 s内水温偏差正负2 ℃。全功率加热，5 ℃进水，8 s(理论上，自洁8 s)内，温升要达到35 ℃。

3.3 水加热过温保护(可软件保护)

在(35±2)℃的进水温度下向样品供水，水温度调节装置设定为最高档，流量设定为最小档，启动臀部清洗功能10 min后，短路加热器的功率输出元件，使水加热回路持续满功率输出，储热式水加热器20 s，即热式水加热器50 s，或直至产品安全装置启动。监控该过程中是否有大于48 ℃的水触及便器上平面。

3.4 水温异常

出水温度不应超过65 ℃器具以额定电压供电并在正常工作状态下运行，能够预料的任何故障状态，每次试验只出现一种故障：温控器故障；继电器故障；元件开路或者短路；程序停止在任意位置。

4 节能型智能马桶瞬间加热模块研究关键所在

因为传统水箱式的加热模块，技术原理是预热水箱内的水，类似储水式热水器原理。它所需的功率不用太大。而即热式的温水加热模块，技术原理是即热式，要让水温加热到同水箱式一样高，那功率一定会比较高。需要多大的功率是瞬间加热模块设计的关键所在，我们通过以下计算：国标升温性能的要求：输出最高档时，进水温度为5 ℃，水接触到人体时的温度应不低于30 ℃，水接触到人体后1 s内，水温度应不低于35 ℃。冲洗功能的温水设置为6档：关～31 ℃～33 ℃～35 ℃～37 ℃～39 ℃。流量设置为5档：350 ml/min～400 ml/min～500 ml/min～550 ml/min～600 ml/min；结合技术要求可以得知最高温度为39 ℃，最大的流量为600 ml/min。水加热是这样的：陶瓷加热管发热，把热量传递给水，这是个能量转换的一个过程。通过能量守恒定律计算，加热管发出的热量被水吸收：η×P×t=C×m×△T=C×ρ×Q×t×△T。

根据上述的基本要求，可以得出表1中关键的数据。

表1 流量参数表

根据公式以及表1的数据可以得出功率：

P=C×ρ×Q×t×△T÷(η×t)

= 4 200 J/kg·℃×10-3kg/cm3×600 mL/min÷60 s×1S×(39-5)℃÷(0.98×1 s)

= 1 500 J/S

= 1 500 W

式中：η为热效率，98%；P为功率，W；C为水的比热容，C=4 200 J/kg·℃；m为质，kg；ρ为水的密度，ρ=1 g/cm3=10-3kg/cm3=10-3kg/mL3；单位换算：1 kW·h=3 600 000 j，即 1 W·S=1 J。

通过上述计算可以得出，陶瓷加热管的所需的功率为1 500 W。从加热功率：水箱式加热功率500 W，即热式温水加热模块加热功率1 500 W，表面上看功率大的好像能耗越高，其实不然，通过以下计算来验证，到底水箱式的能耗高还是即热式的能耗高。

5 水箱式模块和瞬间加热式模块的能耗计算

首先按智能马桶设计寿命算方法[7]：①以一家3口(1男2女)使用10年计算。(2男1女的使用次数会更少，男的小解不使用清洗功能，所以按1男2女考虑)；②每天每人使用马桶的次数：大解1次，小解4次。这样每天共计使用11次电子马桶盖，总共约4万次。

传统水箱式加热一般功率为500 W，流量是600 ml/min,每次冲洗时间是3 min。

Q1=500 W×3 min/60×11=275 W·H

传统水箱式加热模块，因为是水箱式的，需要预热水箱，并且实时保证水箱内温度要在35 ℃左右。经过我们的试验测算要保证水箱内水温保持在35 度，加热的平均功率大约是120 W。

Q2=120 W×(24-3/60×11)H=2 814 W·H

也就是说水箱加热式所需的能耗为Q=Q1+Q2=275+2814=3 089 W·H

即热式温水加热模块功率1 500 W，流量600 ml/min,每次冲洗时间是3 min。

Qa=1 500 W×3 min/60×11=825 W·H

从以上的计算可看出即热式所消耗的能耗为825 W·H,水箱式加热模块所消耗的能耗约为3 089 W·H。很明显即热式能耗小，比水箱式加热模块能耗降了2 264 W·H。

6 对瞬间加热模块进一步降低能耗

水垢与我们的生活形影不离。它的化学性质十分稳定，不仅会影响热交换率，消耗能源(1 mm厚的水垢能多消耗10%的能源)，而且过多的水垢会造成堵塞，使水流变小，以致带来安全隐患。全球各地的水质都不一样，有的地区水偏硬，有的地区水偏软。水垢有很多的危害，特别是硬垢导热性很差，会导致受热面传热情况恶化，从而浪费燃料或电力。

传统水箱式加热模块，在水质差或者使用一段时间后，加热管表面会产生水垢，水箱式的加热模块，设计自动除垢装置困难。而即热式水加热模块，体积小内部的水流速快，可以利用水流速度，在加热管的表面加上螺纹结构，使得水流和陶瓷加热管外壁增加剪切力，最终防止水垢的形成。螺纹结构如图3所示，有螺纹结构后，使得大部分的水都按螺纹的方向旋转流动。实验结果表明，加热管表面结构严重度，有螺纹结构的效果远远优于没有螺纹结构的。图4中1#为有螺纹结构的陶瓷加热管；2#为没有螺纹结构的陶瓷加热管。2#样品的表面有明显的水垢层，1#样品仅形成轻微的水垢。

图3 螺纹结构水温图

图4 加热管螺纹结构和无螺纹结构结垢程度对比

7 结语

此瞬间加热水加热模块的研究技术上比传统的水箱式有一定的优势，无论体积上，能耗上都有一定的优势；时代在进步，科技也在发展，每时每刻都有新的技术产生，同时也在淘汰落后的技术。卫浴行业的智能马桶盖也在日益更新，同时需求每年都在增加，消费者也变得更加“挑剔”，而且节能减耗要求越来越高的背景下，要在行业内能有一席之地，只能不断在技术方面创新。因此我们在工作中需要不断地总结和积累，将实践反作用于理论，不断地优化和改进瞬间加热水加热膜组在实际运用中的性能，提高产品竞争力。