盛保敬 王建飛 劉洋 蔡想周 趙小勇

青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

1 引言

隨著中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，消費(fèi)者生活水平的提高和中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，熱水器已經(jīng)成為消費(fèi)者不可缺少的家用電器。在物質(zhì)生活水平飛速提升的今天，人們對(duì)電熱水器的要求已經(jīng)不僅僅停留在基礎(chǔ)安全層面，而是開始追求更舒適、健康的洗浴方式。水資源污染的日益加重，使人們對(duì)洗浴用水的水質(zhì)產(chǎn)生了前所未有的擔(dān)憂，進(jìn)而對(duì)洗浴的水質(zhì)條件提出了更高的要求，如何才能更加健康的洗浴逐漸成為消費(fèi)者新的關(guān)注點(diǎn)。

本文主要通過對(duì)新的洗浴凈水技術(shù)的介紹，提供一種新的清潔洗浴用水方式，滿足消費(fèi)者對(duì)健康洗浴的訴求，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。

2 洗浴用水的現(xiàn)狀及水清潔方式簡(jiǎn)介

人們洗浴用水主要來源為自來水和地下水，而各地的水質(zhì)因?yàn)榄h(huán)境的不同也存在較大的差異。自來水對(duì)地下管道具有一定的腐蝕性，長期接觸會(huì)造成管道生銹。銹渣及水中泥沙顆粒本身對(duì)人體無害，但通過管道進(jìn)入內(nèi)膽內(nèi)，沉底后無法排除，最終形成膠體狀物質(zhì)，造成衛(wèi)生死角，滋生有害細(xì)菌；另外，自來水中會(huì)殘留一定量的重金屬，洗浴過程中會(huì)殘留在人體皮膚上，使部分敏感人群產(chǎn)生過敏、濕疹等不適反應(yīng)；自來水出廠前會(huì)進(jìn)行氯處理殺菌，在此過程中會(huì)有一部分氯殘留在水中形成氯離子。氯離子對(duì)金屬內(nèi)膽有較強(qiáng)的腐蝕性，減短熱水器的使用壽命，同時(shí)對(duì)人體皮膚也有一定的刺激性；地下水作為一種重要的水源，水中的泥沙、細(xì)菌等雜質(zhì)含量更多，洗浴過程中對(duì)用戶體感舒適度的影響會(huì)更大?；谝陨纤|(zhì)問題，目前熱水器生產(chǎn)商主要采取三種解決方式：一是由售后人員定期通過拆卸電熱水器的鎂棒，通過排污口將膽內(nèi)的水排空并清洗膽壁。此方式操作復(fù)雜，需專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)操作；二是通過在電熱水器鎂棒處安裝球型閥，定期由用戶將水排空并通水清洗內(nèi)膽實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的清潔。這種方式無法將內(nèi)膽中的水垢、細(xì)菌等徹底清除，留有殘余雜質(zhì)。同時(shí)放水過程耗時(shí)較長，浪費(fèi)水源，給用戶造成不便；三是通過在用戶家的進(jìn)水管上安裝凈水濾芯，這種方案濾芯體積較大，裸露在管路上影響浴室環(huán)境的一體化；同時(shí)安裝時(shí)需要破壞用戶的進(jìn)水管路，長期承壓容易造成管路破裂漏水；用戶在購買熱水器安裝后如果再需要增加也需要對(duì)管路進(jìn)行較大改動(dòng)，操作復(fù)雜；同時(shí)現(xiàn)有凈水模塊不便于用戶自清理，更換方式復(fù)雜，并且用戶無法確認(rèn)凈水效果及濾芯的使用情況。

3 一體式水質(zhì)預(yù)處理技術(shù)的介紹

該技術(shù)將電熱水器與凈水模塊進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合，并通過含有多種材質(zhì)濾料的復(fù)合濾芯實(shí)現(xiàn)洗浴用水的前端處理，保證洗浴用水及熱水器內(nèi)膽的清潔。

3.1 凈水模塊一體式實(shí)現(xiàn)方式介紹

一體式凈水模塊的實(shí)現(xiàn)基于循環(huán)水路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。如圖1所示，冷水通過左側(cè)的進(jìn)水孔進(jìn)入模塊，在水壓作用下沿濾芯方向向右流動(dòng)，在最右側(cè)的入口進(jìn)入濾芯，并通過濾芯向左流動(dòng)，最終從左側(cè)的出水口流出，此循環(huán)水路有效縮短了模塊的長度；濾芯的圓周尺寸，通過調(diào)整濾料量與水流量的比例關(guān)系，達(dá)到水流與濾料交換面積的最大化，在保證洗浴流量不受影響的前提下，壓縮模塊直徑，使模塊可以完全隱藏在熱水器的防電墻罩內(nèi)部，避免模塊暴露在熱水器的外部；因?yàn)檎麄€(gè)體系都是在承壓狀態(tài)下工作的，模塊外殼采用全金屬材質(zhì)，內(nèi)部承裝濾料的濾芯殼體使用高強(qiáng)度承壓工程樹脂，殼體之間螺紋連接，并使用雙重硅膠圈進(jìn)行密封，確保各接口的承壓安全，防止漏水。模塊主體預(yù)留熱水器進(jìn)水管接口，通過活接方便與熱水器進(jìn)水口直接相連，實(shí)現(xiàn)模塊與熱水器的整體結(jié)合。

3.2 凈水模塊凈水系統(tǒng)介紹

水質(zhì)預(yù)處理是通過凈水模塊的三級(jí)凈水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。如圖1所示，冷水通過凈水模塊進(jìn)水口進(jìn)入模塊內(nèi)部，沿一級(jí)濾網(wǎng)外部的空腔自左向右流動(dòng)。在填充空腔的過程中，冷水會(huì)透過一級(jí)濾網(wǎng)，進(jìn)入濾芯內(nèi)部。一級(jí)過濾為120目的不銹鋼濾網(wǎng)，阻止水中的大顆粒泥沙、鐵屑進(jìn)入濾芯；水通過一級(jí)濾網(wǎng)后，會(huì)沿著濾網(wǎng)與濾芯之間的空腔向右側(cè)流動(dòng)，進(jìn)而從右側(cè)的入口進(jìn)入濾芯。二級(jí)過濾為復(fù)合濾層，水在從右向左的流動(dòng)過程中與復(fù)合濾料接觸，濾料通過吸附、置換等物理化學(xué)過程，將水中的重金屬、余氯及細(xì)菌等過濾出來；在濾芯的最左側(cè)是三級(jí)過濾網(wǎng)，將水中的微量濾料阻隔在濾網(wǎng)內(nèi)部。經(jīng)過以上三重過濾，預(yù)處理過的凈水才從模塊的出水口流程并進(jìn)入熱水器內(nèi)膽中。

3.3 凈水模塊核心濾芯介紹

作為核心的部分，目前市場(chǎng)上的洗浴凈水濾芯主要選擇活性炭或者維生素C作為濾料。活性炭濾料過濾效果通常需要濾料量保障，往往導(dǎo)致模塊的體積較大，在高溫的條件下，會(huì)反析出雜質(zhì)，弱化凈水效果，還容易滋生細(xì)菌；維生素C、亞硫酸鈣濾料很難控制釋放速度，導(dǎo)致濾芯的使用壽命短。表1為單組分濾料除去余氯效果試驗(yàn)對(duì)比，從表中可以看到，單組分濾料前期過濾效果較好，但隨著使用時(shí)間的延長，過濾效果衰減較快。經(jīng)濾料分析，單組分濾料在過水過程中容易發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象，降低交換面積而影響凈水效果。

從表1中可以看到，銅鋅合金單組分濾料的持久性最好，選擇其作為主要的濾料成分。而通常不同特定范圍大小的顆粒組合可以打亂顆粒之間的排列次序，降低顆粒的比表面能，使合金顆粒保持足夠表面積的同時(shí)合金顆粒間的接觸面盡量減少，從而減少顆粒之間的聚集作用。因此在銅鋅合金中嘗試混合一定比例的亞硫酸鈣和活性炭，配成多組分的復(fù)合濾料。加入一定量的亞硫酸鈣可以提升濾芯前期的除余氯效果，加入一定量的活性炭能對(duì)水中的異味和余氯有較強(qiáng)的吸附作用，同時(shí)可以起到對(duì)金屬顆粒的適當(dāng)隔離，減少板結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 凈水模塊結(jié)構(gòu)剖視圖

圖2 凈水模塊的余氯去除率效果隨走水量的變化

通過對(duì)多組不同配比濾料的除余氯及除菌試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，從表2和表3的數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銅鋅合金/活性炭/亞硫酸鈣的質(zhì)量百分含量配比為85%/10%/5%時(shí)，濾芯的除余氯和殺菌的效果最明顯，且持續(xù)性最好，因此濾料配比選擇5號(hào)樣品配比。經(jīng)分析，亞硫酸鈣的加入可以在水溫較低的情況下彌補(bǔ)金屬合金對(duì)余氯去除效果不理想的問題。銅鋅合金有較好的耐高溫性能，當(dāng)進(jìn)水口偶爾有熱水回流現(xiàn)象時(shí)，濾料不會(huì)因?yàn)樗疁剡^高而失效。觀察過水后的濾料品貌發(fā)現(xiàn)，混合10%活性炭的濾料明顯更分散，濾料板結(jié)現(xiàn)象少，分析該現(xiàn)象的原因是活性炭的加入在一定程度上隔離了銅鋅合金顆粒，使合金顆粒更難接觸發(fā)生聚集現(xiàn)象。

圖3 凈水模塊與電熱水器連接示意圖

表1 單組分濾料對(duì)去除余氯的效果對(duì)比數(shù)據(jù)（注：組分百分含量為質(zhì)量百分含量）

表2 不同配比的混合濾料對(duì)去除余氯效果的對(duì)比數(shù)據(jù)（注：復(fù)合組分百分含量為質(zhì)量百分含量）

表3 不同配比的混合濾料對(duì)去除細(xì)菌效果的對(duì)比數(shù)據(jù)（注：復(fù)合組分百分含量為質(zhì)量百分含量）

表4 凈水模塊的除菌性能測(cè)試結(jié)果

4 凈水效果試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過上述分析確定了復(fù)合濾料的組成成分及各組分含量比例關(guān)系，并根據(jù)得到的結(jié)論試制了成品模塊，進(jìn)行去除余氯和殺菌的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2和表4所示。

圖2是凈水模塊的余氯去除率與過水量的變化關(guān)系圖，從圖中可以看到，凈水模塊的除余氯效果隨著過水量的增加沒有明顯的衰減，過水量超過120噸時(shí)余氯去除率仍然可以達(dá)到65%（大量調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，120噸水大約為普通3口家庭1年的熱水使用量）。也就是說，一個(gè)濾芯在除余氯方面可以連續(xù)使用1年時(shí)間。除余氯效果較好且持續(xù)性好。表4是凈水模塊的除菌性能測(cè)試結(jié)果匯總表，從表中可以看到，凈水模塊的除菌效果較好，抑菌率可以達(dá)到90%以上。對(duì)于用戶來說，完全可以達(dá)到健康洗浴的效果。

5 凈水模塊應(yīng)用方案

通過凈水模塊凈水能力的驗(yàn)證結(jié)果，結(jié)合電熱水器水路設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可以將凈水模塊與電熱水器通過現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)連接件有機(jī)地結(jié)合為一個(gè)整體，達(dá)到對(duì)洗浴用水預(yù)處理的目的。凈水模塊與電熱水器的一體式連接方案如圖3所示。

5.1 凈水模塊與電熱水器的結(jié)合方案簡(jiǎn)介

如圖3所示，凈水模塊的進(jìn)水口端預(yù)留外絲，用于連接安裝電熱水器必須的安全閥和水流量傳感器。凈水模塊的出水口預(yù)留活接，可以直接與電熱水器的進(jìn)水管相連。管路中的冷水流經(jīng)凈水模塊，去除水中的雜質(zhì)后，才會(huì)進(jìn)入熱水器內(nèi)膽中?？紤]到模塊的外殼重量較大，為保證模塊與熱水器固定牢固可靠，可以根據(jù)凈水模塊的外殼直徑，設(shè)計(jì)專用的支架。模塊與熱水器連接完畢后，用螺釘將支架與熱水器固定在一起，確保凈水模塊安裝牢固。根據(jù)凈水模塊安裝后的高度，合理設(shè)計(jì)熱水器防電墻罩的高度，確保安裝后凈水模塊完全不會(huì)出現(xiàn)在用戶視野內(nèi)。提升熱水器整體外觀精細(xì)化效果。在熱水器的使用過程中，水中的泥沙顆粒會(huì)被隔離在凈水模塊一級(jí)濾網(wǎng)外，時(shí)間越久淤積的泥沙越多，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水流量的減少，降低洗浴的舒適度。擴(kuò)大濾網(wǎng)的孔徑解決堵塞會(huì)降低模塊的凈水效果，同時(shí)雜質(zhì)顆粒會(huì)降低濾芯的使用壽命。拆卸濾芯清洗工作量較大，同時(shí)存在拆卸安裝漏水隱患。因此，凈水模塊在一級(jí)濾網(wǎng)處可以設(shè)置自清潔排污口，當(dāng)泥沙堆積至一定程度，用戶可以自行打開排污開關(guān)，在有水流的情況下將濾網(wǎng)外沉積的泥沙沖洗出來。待排出的水沒有雜質(zhì)后關(guān)閉排水閥門即可。用戶可以根據(jù)洗浴時(shí)最大水流量的變化，判斷泥沙的沉積情況，定期進(jìn)行排污操作，保證水質(zhì)清潔的同時(shí)可以延長濾芯的使用壽命。

5.2 凈水模塊檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有凈水功能的熱水器對(duì)于濾芯更換一般以固定周期作為依據(jù)，定期更換濾芯。但因?yàn)楦鞯貐^(qū)水質(zhì)差異較大，水質(zhì)好的地區(qū)容易造成濾芯浪費(fèi)，水質(zhì)差的地區(qū)則無法保證凈水效果。為實(shí)現(xiàn)智能跟蹤水質(zhì)、濾芯使用情況及提示用戶的功能，凈水模塊可以搭配了特定的檢測(cè)系統(tǒng)，并通過熱水器的控制系統(tǒng)直觀的為用戶提供智能提示。凈水模塊濾芯的使用情況可以從多個(gè)不同的維度進(jìn)行檢測(cè)。第一維度是水流量檢測(cè)。從熱水器第一次檢測(cè)到用戶用水開始統(tǒng)計(jì)用水量，濾芯凈水量的增加表示凈水濾芯的消耗，此作為濾芯更換的第一判斷條件；第二維度是出水管口TDS值檢測(cè)。熱水器出水口流出的水TDS會(huì)隨著濾芯的消耗發(fā)生變化，此作為濾芯更換的第二判斷條件；第三維度是加熱時(shí)長檢測(cè)。從熱水器正常通電加熱到設(shè)定溫度開始累積加熱時(shí)間，加熱時(shí)間間接反映出濾芯的使用時(shí)長，此作為濾芯更換的第三判斷條件。找到判斷凈水模塊使用情況的判斷條件后，通過熱水器控制面板上的指示燈，直觀的為用戶反饋模塊是否可以繼續(xù)使用。

圖4中藍(lán)色的環(huán)形燈可以代表濾芯的使用狀態(tài)。濾芯使用初期，環(huán)形燈全亮，隨著熱水器的不斷使用，濾芯消耗的同時(shí)，環(huán)形燈會(huì)逐一熄滅。當(dāng)藍(lán)色燈環(huán)全部熄滅時(shí)，說明凈水模塊濾芯已經(jīng)達(dá)到凈水的極限，需進(jìn)行更換保證凈水效果。更換濾芯后，操作控制系統(tǒng)的復(fù)位鍵，流量、TDS值及熱水器工作時(shí)間數(shù)據(jù)會(huì)清零重新計(jì)算，同時(shí)環(huán)形燈會(huì)重新全部點(diǎn)亮。通過上述監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以很直觀的看到模塊的使用情況，并根據(jù)提示更換濾芯。

6 結(jié)束語

通過上述凈水模塊的工作原理論證、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，體現(xiàn)了該模塊對(duì)洗浴用水的凈化作用，確保用戶洗浴用水的清潔。此模塊目前已經(jīng)在上市產(chǎn)品中得以應(yīng)用。隨著人們對(duì)健康洗浴意識(shí)的不斷提升，凈水產(chǎn)品未來的市場(chǎng)需求也會(huì)越來越高，凈水模塊為健康型電熱水器提供了新的發(fā)展方向，可以帶動(dòng)整個(gè)電熱水器行業(yè)健康技術(shù)升級(jí)，為熱水器行業(yè)提供更廣闊的研究空間。

[1] GB/T 20289-2006 《儲(chǔ)水式電熱水器》.

[2] GB 21519-2008 儲(chǔ)水式電熱水器能效限定值及能效等級(jí).