基于不带回水管的零冷水节能方案研究

伍艺俊

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528300）

引言

零冷水（指使用生活热水时没有冷水部分，用户能直接使用到热水的功能）是燃气热水器实现高质量生活用水的一个重要功能；一般家庭使用零冷水功能时，家里的水管都有两种：一种是没有回水管的，这种是比较旧的水路，此水路若要使用零冷水功能，只可以把冷水管的水也加热，这种情况下给人们使用反而带来更多的不便；另一种是有回水管的水路，这种水路是专门针对带零冷水功能的水路，热水只存在于热水管与回水管，冷水管是没有热水的；下面分析我们着重研究不带回水管的零冷水水路，这种水路让消费者不敢使用零冷水功能，希望在技术上解决用户痛点。

1 零冷水工作原理

当热水器通过温度探头检测到水温低于目标温度以下时，就会通过之前预设的零冷水模式启动水泵，水泵后会带动卫浴循环水流动，卫浴循环水量达到启动条件并且热水器通过了安全检测后，就会启动点火程序；点火燃烧后，水泵不断地把卫浴循环管路的自来水都抽回到热水器中加热，热水器按预设的目标温度输出生活热水，就这样把循环回路里面的冷水加热成热水，当加热到规定时间或把循环水路里面的冷水完全加热后，就自动停止水泵并且停止燃烧，完成一个加热周期；当人们用水时，由于管路的水已经加热完毕，所以打开水龙头时，就会直接出热水。通过其工作原理可知，零冷水功能是提前把水路的冷水加热，等用户用水时就会出热水的。

通过上面原理不难得出，每次零冷水工作时，都得把热水管与冷水管的水加热到指定的目标温度，这得为整个水路提供一个比较大的输出负荷，因为整条管路的水量比较多，所需求的热量也比较大；但通常我们需要提供热水的部分并不需要整条管路，细想一下，能否通过合理的逻辑算法，把热水控制在热水管路中去，尽管让冷水管的水没有被加热到，这样，我们所加热的水量就减少了许多，在完全理想的情况下，我们可能让每个家庭在零冷水功能方面，节约了约很多的燃气，当然实际可能与这个数值相差比较大，这里只是理想模型下的数值，实际上要考虑各种因素，包括每个家庭的水路接法、每个用户使用热水时的习惯等等，都会影响实际节约能源的多少。

通过我们所学习到的知识，一个简单物理公式很容易得出：

式中：

Q —把水温加热到目标温度所需要的热量（焦）；

c—水比热容（焦/千克摄氏度）；

t2—目标温度（摄氏度）

t1—进水温度（摄氏度）；

ρ —水的密度；

V —水的体积。

通过这个物理关系式我们不难得出，水比热容c 和水的密度ρ 都是常数，而水的体积v 在用户安装好所有水路后也是常数，并且对我们运行起来也不产生任何影响；而在温升上，虽然每家每户不一样，我们在技术上不能要求用户降低温升来达到节能的目的；若从技术上忽略用户不同温升的情况下，当加热水管在固定的温升需求下，主要看用户家庭热水管与冷水管水量的大小，这个体积决定了维持零冷水功能，所需要输出的负荷；从以上参数可以看出，我们可以通过只加热部分水来维持零冷水功能，但加热哪部分水呢？通过仔细观察图1，我们慢慢有一个构想，能否只加热热水管的水，而冷水管的水不加热呢？我们建立一个简单的测试方案，并且在以下水路中加入不同的测试点，详细如下图所标注的地方。

图1 不带回水管水路（图片源于网络）

我们通过现有的热水器的基本能力，研究一个能尽量解决消费者痛点的逻辑控制原理：首先在有零冷水需求（首次使用零冷水或长期没使用过）时，热水器启动零冷水水泵，通过水流量传感器检测水流量；当满足燃烧启动所需要的一切条件后，开始燃烧加热，同时通过水流量传感器累计水流量L0，直到满足零冷水停止条件后，停止燃烧，此时无论是热水管还是冷水管都是热水；接着打开其中一个用水点，模拟用户用水，此时无论是热水管还是冷水管，冷水都会补充进来；当冷水补充进热水管时，启动热水器加热，把补充进热水管的冷水按目标温度加热，使用热水管的水温维持在目标温度值附近，当用户使用了一段时间后，会就形成热水管的水还是热水，但冷水管的水有一部分是冷水的情况；再接下来，等待用户使用完毕后，再马上启动零冷水功能，加热冷水管冷水部分的水，当燃气热水器偶到热水时，即加热完冷水管冷水部分水时，就立刻停止水泵和停止加热，在这个过程中，可以通过卫浴水流量传感器测试到冷水量，记录为L1；然后等待一段相对长的时间不使用零冷水时，即水管的水自然冷却时，热水器再次启动点火燃烧，以维持零冷水功能，此时加热水管的水量不再是L0，而是Lx = L0 - L1；即通过上次用水可以运算出哪部分的水是冷水管的，此部分水就不必加热，以达到节能减排的效果；最后在不同的用水点不断重复用水的情况下，热水器通过收集每次使用时的数据，通过数据分析处理，不断调整实际所需要加热的水的体积，最终以达到不会加热冷水管的水，只加热热水管的水的目的；下面规划了一个工作流程图。

按以上逻辑流程，建立芯片程序，在实验室搭建一个测试水路，水路上面分别增加监测点，详细如图2所示。

图2 测试水路

图3 零冷水节能调节逻辑

图4 冷热水管多次运行后的曲线

测试条件见表1。

表1 测试前提数据

记录在实验室测试的数据（单位℃）见表2。

表2 测试数据

2 数据分析

从总体数据来看，零冷水运行次数较少时水管里面的冷热水分布没有明显的差别，使用过程中也体现不出有明显的不同点；在零冷水多次运行后，冷热水的分布续渐分明，热水慢慢集中在热水管里面，而冷水也慢慢集中在冷水管里面，说明这里需要一个数据积累处理过程，这与用户使用次数与每次使用生活热水的量有相当关系，用户使用的水量与放水点是系统冷热水分布合理的关键因素。现分别求出冷热水管的平均温度并且把每次的平均温度记录在二维图上，得出以下曲线图。从曲线图可以更清晰与直观的看出，冷热水管的温度走势状态。相对较平缓的是热水管的曲线，相对变化较大的是冷水管曲线。

我们把数据细化分析，从热水管的测试分布点A′、B′、C′和D′看出，热水管的平均温度是保持在目标温度附近的，并没有太大的变化，所以零冷水的功能得以保证；再从冷水管的测试分布点A、B、C 和D 点看出：由A 点到D 点，随便消费者不断使用生活热水，水温续渐从高到低的变化，说明冷水管的水从点A 开始慢慢补充了冷水进来，并且此部分冷水没有被强制加热。也同样说明从开始使用后，就已经体现出节能的效果了，随着使用的次数增加，数据不断地累积，节能的效果会越来越明显，同时用户会慢慢察觉出节能与舒适。

3 总结

通过实验数据分析，我们得出这样的结果：在不带回水管时使用零冷水功能，可以一定情度地解决冷水管有热水的问题，从而也达到节能减排效果。通过技术智能检测，在日常使用中热水器自动识别消费者家庭水路的情况，使之前冷热水管都是热水的情况得以改善，做到冷水管里面没有热水，热水管里面只有热水，满足用户使用的同时又不浪费能源消耗；本工作只对单一水路作出研究，由于每个家庭的水路各不相同，实际情况远比这复杂得多，我们将进一步对不同水路作研究。