液位传感器在热水器智能辅助出水装置中的应用

 

近年来，随着人们生活水平日益提高，热水器市场发展迅速。然而在热水器正常出热水前，滞留于热水管内的余水和未达设定温度的冷水无法正常利用，由此导致用户等待热水时间长。而根据大量调查数据，91%的用户会选择将这些冷水浪费。此外，目前市场上关于热水器节水式辅助出水方法也存在以下缺陷：管道排空式出水法无法排尽水平管路内的无效冷水，且只适合于太阳能热水器，应用范围比较局限；循环泵回水式出水法中循环泵持续工作，电能消耗多，管路改动大，不适合普通家庭用户。针对以上问题，本项目组设计了一种热水器智能辅助出水装置。对社会而言，本装置有利于减少水资源浪费和能源消耗，推动热水器行业向节能环保的方向发展；对用户而言，可节省大量水资源，保障居民用水安全舒适，并可引导性地提高节水意识。此外，本装置结构简单，成本低廉，普适性高，易于进行市场推广应用。

 

1 设计方案

热水器智能辅助出水装置通过温度传感器、液位传感器检测热水管路和储水箱内的水况，配合电磁空气阀、空气增压泵的开合以及二位三通阀的转换，在不同场合分别采用单次大量用水模式或多次少量用水模式，从而实现滞留冷水的有效利用。

 

1.1 整体结构设计

本装置主要由储水箱以及其他控制单元组成，其结构如图 1 所示。

 

位于储水箱内部底面的温度传感器探头，用来检测水温；位于储水箱顶部的超声波测距传感器，用来实时测量水位，两者均采用玻璃胶粘合，起到密封效果。电磁空气阀同样位于顶部，采用螺纹连接，处于常闭状态，其通过开闭保证箱内气压稳定；控温显示屏固定于储水箱正表面，用户可按需设定出水温度档位；智能混水阀由步进电机和三通球阀通过万向联轴器连接，控制冷热水进水比例；出水阀与储水箱间连接着空气增压泵，用于预混增压出水；储水箱由塑料外壳和搪瓷内胆组成。

1.2 控制系统设计

1.2.1 控制方案设计

控制器主要由水温检测单元、水位测量单元、温度设定单元、继电器模块、智能混水阀和主控单元 MCU 组成。其中水温检测单元采用 DS18B20 温度传感器，具有防水温度探头，满足误差要求同时保证足够灵敏度，并将测得水温数据传送至主控单元；水位测量单元采用 HC-SR04 超声波测距传感器，实时将液面位置数据传送至主控单元，判断液面是否变化并与设定水位线数值进行比较，从而确定储水箱当前工作状态；温度设定单元由独立按键和液晶显示屏组成，用户可设定出水温度，并通过显示屏获知实际水温；继电器模块包括电磁空气阀和空气增压泵，用来保证顺利进出水。

 

1.2.2 工作状态设计

本装置完成整套工作流程需经过预混和出水两种工作状态。

 

1.2.2.1 预混状态

用户通过控温显示屏按需设定温度档位 T，主控单元MCU 控制继电器开启空气阀，同时控制步进电机使三通阀热水端全开，热水管道内的滞留冷水与热水器的热水先后进入储水箱进行预混，水温 t 达到 T，控制三通阀关闭并提示用户开启出水阀，预混阶段结束。其控制流程如图 2 所示。

 

1.2.2.2 出水状态

出水阀在浴室、厨房等不同场合有不同使用模式，主要分为单次大量用水模式和多次少量用水模式，其完整控制流程如图 3 所示。

单次大量用水模式：混水结束并开始用水后，在液面到达水位线之前，水位不断下降，控制增压泵开启，实现箱内温水增压出水，提高洗浴舒适度；液面到达水位线时，MCU控制继电器关闭空气阀和增压泵，并通过温度传感器和智能混水阀配合，实现定温出水。

 

多次少量用水模式：混水结束并开始增压出水使用后，由于用水量少，在液面到达水位线之前，用水结束，水位停止变化，系统进入死循环，等待下次用水；多次少量用水时间跨度长，箱内水温下降，当用水至液面到达水位线，提示重设温度 T 恢复初始化。

 

2 理论设计计算

2.1 储水箱外形尺寸设计

设计储水箱外形尺寸时，需根据热水器排出的冷水体积与预混所需的热水体积求和所得。武汉市居民热水器使用现状调研结果表明，各种热水器浪费的冷水量可按 1 L 的梯度分为 1 L、2 L、3 L、4 L、5 L 共 5 种类别。而相应的热水体积由热交换公式计算得到，由此得出不同系列的储水箱体积，从而设计出箱体的外形尺寸。

 

2.2 出水原理分析

2.2.1 预混增压出水

为避免浪费热水器排出的冷水，需将该段冷水暂存于储水箱内并与热水混合至设定温度，电磁空气阀需由常闭转为开启状态，使箱体排出或进入空气，以便顺利进出水。此外，预混所得温水只依靠重力势能，一般无法提供正常水压，所以需要通过空气增压泵短暂性增压。

 

2.2.2 定温常压出水

液面降至水位线时，电磁空气阀关闭，保障储水箱气压的稳定；基于压强平衡原理，混水阀进水流量取决于出水流量，使液面处于水位线，达到动态平衡。此时，智能混水阀控制水温基本恒定，出水压力由冷热水自身提供，减少电能损耗，实现定温常压出水。

 

2.3 温度设定原理分析

用户通过温度设定单元预设出水温度，采用温度梯度设定的原理，组成温控显示屏的每个独立按键对应温度范围为±2.5 ℃的档位。此外，对于已有设定温度的热水器如燃气式热水器，本装置设定档位不应高于热水温度，该温度设定与热水器温度设定相关联，进一步保持温度恒定，避免发生水温突变等安全隐患。

 

3 结束语

本装置体积小、操作简便，利用储水箱对滞留冷水的暂储或冷热水的预混功能，在不改变居民用水习惯的同时，实现热水器水资源零浪费，能够作为一种新型智能家居广泛应用于普通家庭中，与同类热水器辅助出水产品相比，占有较大优势。

 

此外，该装置结构独立、不同规格的系列化设计、单次大量用水与多次少量用水的切换模式，使其能适用于各种不同类型的热水器。有望作为新型热水器出水模块，为热水器行业的发展提供节能环保的新思路。

 

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