林文漢

(廈門優(yōu)勝衛(wèi)廚科技有限公司 福建 廈門 361000)

1 智能馬桶傳統(tǒng)溫水沖洗加熱模塊簡介

國標(biāo)GB/T 23131-2008對(duì)智能坐便蓋的定義為：指安裝在陶瓷或者塑料等坐便基座上的由電子電路控制的包括用于清洗人體臀部等沖洗裝置在內(nèi)的器具。該器具至少具有人體臀部和女性下體的溫水沖洗功能，可相應(yīng)增加臀部干燥、坐墊加溫以及環(huán)境除臭等輔助功能[1]。由國標(biāo)的定義可以很明顯地看出，溫水沖洗功能是最為核心的功能，其余的功能都是在這基礎(chǔ)上相應(yīng)增加。溫水沖洗功能傳統(tǒng)技術(shù)為水箱加熱式也稱儲(chǔ)熱式。水箱式特點(diǎn)比較明顯：體積大、無法實(shí)時(shí)調(diào)整水溫、水溫使用過程中會(huì)降低，最關(guān)鍵的一點(diǎn)需要提前加熱，使水箱內(nèi)的水維持一定的水溫，讓使用者使用溫水沖洗功能時(shí)，馬上能有溫水沖洗(見圖1)。

圖1 儲(chǔ)熱式加熱水箱

2 智能馬桶溫水沖洗功能原理介紹

自來水通過穩(wěn)壓閥組件控制水路開啟或關(guān)閉，并將進(jìn)水壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，保證電子座便器系統(tǒng)內(nèi)的流壓不超過0.11 MPa。自來水進(jìn)入即熱式水加熱模塊加熱后，即熱式水加熱模塊在此起瞬間加熱水的作用，溫水經(jīng)過防虹吸小水箱再送給換向閥組件，再利用空氣泵組件將空氣增壓，增壓后的空氣同時(shí)也送給換向閥組件，實(shí)現(xiàn)水汽混合；利用換向閥換向及流量控制的功能，實(shí)現(xiàn)水流量的控制和水路方向的切換，使得混有空氣的溫水能分別供給臀部清洗、女性清洗、強(qiáng)洗或自動(dòng)清潔功能(見圖2)。

圖2 即熱式水路原理

3 智能馬桶水節(jié)能型加熱模塊的技術(shù)要求說明

智能馬桶蓋初期的產(chǎn)品大多為儲(chǔ)熱式，不僅費(fèi)電，能耗高；而且整個(gè)產(chǎn)品體積也比較大，笨重，占空間，現(xiàn)在人們對(duì)空間的需求越來越講究，馬桶蓋也往體積小的方向發(fā)展，新型節(jié)能型溫水加熱即熱模塊(瞬間加熱)就是主流了。以及主要介紹下瞬間加熱模塊的技術(shù)要求[2]：

3.1 升溫性能

輸出最高檔時(shí)，進(jìn)水溫度為5 ℃，水接觸到人體是的溫度應(yīng)不低于30 ℃，水接觸到人體后1 s內(nèi)，水溫度應(yīng)不低于35 ℃。

3.2 水溫穩(wěn)定性

清洗用水最高檔的溫度應(yīng)控制在35～42 ℃，在30 s內(nèi)水溫偏差正負(fù)2 ℃。全功率加熱，5 ℃進(jìn)水，8 s(理論上，自潔8 s)內(nèi)，溫升要達(dá)到35 ℃。

3.3 水加熱過溫保護(hù)(可軟件保護(hù))

在(35±2)℃的進(jìn)水溫度下向樣品供水，水溫度調(diào)節(jié)裝置設(shè)定為最高檔，流量設(shè)定為最小檔，啟動(dòng)臀部清洗功能10 min后，短路加熱器的功率輸出元件，使水加熱回路持續(xù)滿功率輸出，儲(chǔ)熱式水加熱器20 s，即熱式水加熱器50 s，或直至產(chǎn)品安全裝置啟動(dòng)。監(jiān)控該過程中是否有大于48 ℃的水觸及便器上平面。

3.4 水溫異常

出水溫度不應(yīng)超過65 ℃器具以額定電壓供電并在正常工作狀態(tài)下運(yùn)行，能夠預(yù)料的任何故障狀態(tài)，每次試驗(yàn)只出現(xiàn)一種故障：溫控器故障；繼電器故障；元件開路或者短路；程序停止在任意位置。

4 節(jié)能型智能馬桶瞬間加熱模塊研究關(guān)鍵所在

因?yàn)閭鹘y(tǒng)水箱式的加熱模塊，技術(shù)原理是預(yù)熱水箱內(nèi)的水，類似儲(chǔ)水式熱水器原理。它所需的功率不用太大。而即熱式的溫水加熱模塊，技術(shù)原理是即熱式，要讓水溫加熱到同水箱式一樣高，那功率一定會(huì)比較高。需要多大的功率是瞬間加熱模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，我們通過以下計(jì)算：國標(biāo)升溫性能的要求：輸出最高檔時(shí)，進(jìn)水溫度為5 ℃，水接觸到人體時(shí)的溫度應(yīng)不低于30 ℃，水接觸到人體后1 s內(nèi)，水溫度應(yīng)不低于35 ℃。沖洗功能的溫水設(shè)置為6檔：關(guān)～31 ℃～33 ℃～35 ℃～37 ℃～39 ℃。流量設(shè)置為5檔：350 ml/min～400 ml/min～500 ml/min～550 ml/min～600 ml/min；結(jié)合技術(shù)要求可以得知最高溫度為39 ℃，最大的流量為600 ml/min。水加熱是這樣的：陶瓷加熱管發(fā)熱，把熱量傳遞給水，這是個(gè)能量轉(zhuǎn)換的一個(gè)過程。通過能量守恒定律計(jì)算，加熱管發(fā)出的熱量被水吸收：η×P×t=C×m×△T=C×ρ×Q×t×△T。

根據(jù)上述的基本要求，可以得出表1中關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。

表1 流量參數(shù)表

根據(jù)公式以及表1的數(shù)據(jù)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為熱效率，98%；P為功率，W；C為水的比熱容，C=4 200 J/kg·℃；m為質(zhì)，kg；ρ為水的密度，ρ=1 g/cm3=10-3kg/cm3=10-3kg/mL3；單位換算：1 kW·h=3 600 000 j，即 1 W·S=1 J。

通過上述計(jì)算可以得出，陶瓷加熱管的所需的功率為1 500 W。從加熱功率：水箱式加熱功率500 W，即熱式溫水加熱模塊加熱功率1 500 W，表面上看功率大的好像能耗越高，其實(shí)不然，通過以下計(jì)算來驗(yàn)證，到底水箱式的能耗高還是即熱式的能耗高。

5 水箱式模塊和瞬間加熱式模塊的能耗計(jì)算

首先按智能馬桶設(shè)計(jì)壽命算方法[7]：①以一家3口(1男2女)使用10年計(jì)算。(2男1女的使用次數(shù)會(huì)更少，男的小解不使用清洗功能，所以按1男2女考慮)；②每天每人使用馬桶的次數(shù)：大解1次，小解4次。這樣每天共計(jì)使用11次電子馬桶蓋，總共約4萬次。

傳統(tǒng)水箱式加熱一般功率為500 W，流量是600 ml/min,每次沖洗時(shí)間是3 min。

Q1=500 W×3 min/60×11=275 W·H

傳統(tǒng)水箱式加熱模塊，因?yàn)槭撬涫降?，需要預(yù)熱水箱，并且實(shí)時(shí)保證水箱內(nèi)溫度要在35 ℃左右。經(jīng)過我們的試驗(yàn)測算要保證水箱內(nèi)水溫保持在35 度，加熱的平均功率大約是120 W。

Q2=120 W×(24-3/60×11)H=2 814 W·H

也就是說水箱加熱式所需的能耗為Q=Q1+Q2=275+2814=3 089 W·H

即熱式溫水加熱模塊功率1 500 W，流量600 ml/min,每次沖洗時(shí)間是3 min。

Qa=1 500 W×3 min/60×11=825 W·H

從以上的計(jì)算可看出即熱式所消耗的能耗為825 W·H,水箱式加熱模塊所消耗的能耗約為3 089 W·H。很明顯即熱式能耗小，比水箱式加熱模塊能耗降了2 264 W·H。

6 對(duì)瞬間加熱模塊進(jìn)一步降低能耗

水垢與我們的生活形影不離。它的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不僅會(huì)影響熱交換率，消耗能源(1 mm厚的水垢能多消耗10%的能源)，而且過多的水垢會(huì)造成堵塞，使水流變小，以致帶來安全隱患。全球各地的水質(zhì)都不一樣，有的地區(qū)水偏硬，有的地區(qū)水偏軟。水垢有很多的危害，特別是硬垢導(dǎo)熱性很差，會(huì)導(dǎo)致受熱面?zhèn)鳠崆闆r惡化，從而浪費(fèi)燃料或電力。

傳統(tǒng)水箱式加熱模塊，在水質(zhì)差或者使用一段時(shí)間后，加熱管表面會(huì)產(chǎn)生水垢，水箱式的加熱模塊，設(shè)計(jì)自動(dòng)除垢裝置困難。而即熱式水加熱模塊，體積小內(nèi)部的水流速快，可以利用水流速度，在加熱管的表面加上螺紋結(jié)構(gòu)，使得水流和陶瓷加熱管外壁增加剪切力，最終防止水垢的形成。螺紋結(jié)構(gòu)如圖3所示，有螺紋結(jié)構(gòu)后，使得大部分的水都按螺紋的方向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加熱管表面結(jié)構(gòu)嚴(yán)重度，有螺紋結(jié)構(gòu)的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于沒有螺紋結(jié)構(gòu)的。圖4中1#為有螺紋結(jié)構(gòu)的陶瓷加熱管；2#為沒有螺紋結(jié)構(gòu)的陶瓷加熱管。2#樣品的表面有明顯的水垢層，1#樣品僅形成輕微的水垢。

圖3 螺紋結(jié)構(gòu)水溫圖

圖4 加熱管螺紋結(jié)構(gòu)和無螺紋結(jié)構(gòu)結(jié)垢程度對(duì)比

7 結(jié)語

此瞬間加熱水加熱模塊的研究技術(shù)上比傳統(tǒng)的水箱式有一定的優(yōu)勢，無論體積上，能耗上都有一定的優(yōu)勢；時(shí)代在進(jìn)步，科技也在發(fā)展，每時(shí)每刻都有新的技術(shù)產(chǎn)生，同時(shí)也在淘汰落后的技術(shù)。衛(wèi)浴行業(yè)的智能馬桶蓋也在日益更新，同時(shí)需求每年都在增加，消費(fèi)者也變得更加“挑剔”，而且節(jié)能減耗要求越來越高的背景下，要在行業(yè)內(nèi)能有一席之地，只能不斷在技術(shù)方面創(chuàng)新。因此我們在工作中需要不斷地總結(jié)和積累，將實(shí)踐反作用于理論，不斷地優(yōu)化和改進(jìn)瞬間加熱水加熱膜組在實(shí)際運(yùn)用中的性能，提高產(chǎn)品競爭力。