摘要：在我们使用家用燃气热水器的过程中，中途暂停一段时间后再次开启，那么即使燃气热水器有恒温控制装置的情况下，出水阀出水的温度都不会保持恒定，继而会出现忽热忽冷的现象。因此针对家用燃气热水器在实际使用过程中存在未达到预设温度的冷水流出造成水资源浪费的问题，在研究了市场上不同型号燃气热水器使用时的内部工作流程后，通过对现有家用燃气热水器的改造，给出了一种基工作原理上的有效的节水设计，以希望达到恒温出水的目的。
关键词：家用燃气热水器；节水设计；节能环保
一、引言
燃气热水器是已经在当代被人们普遍使用的一种加热冷水的制热设备，由于其方便且充分满足了人们的生活需求，经过了长年发展，被民众充分喜爱并大范围使用。近年来，由于西气东输工程的高速发展以及燃气管道在城镇街区的密集铺设与燃气分配系统的完善，燃气热水器的市场竞争力也在日益提高，竞争实力不容小觑，且发展前景十分可观。但是，燃气热水器有一个非常明显且不易改善的问题：在水阀打开到冷水被加热到恒温这一段时间内，只能让水阀保持打开状态，但是水资源并没有得到充分利用，即水资源的大量浪费问题。如上所述，随着使用燃气热水器的人数越来越多，在水资源的利用率没有得到提高的前提下，水资源的浪费程度也会越来越高。根据前期研究表明，全国范围内仅仅因为加热水温这一段时间内流失浪费的水资源一年就高达数百万吨[1]，因此，对燃气热水器的深入研究并对其节水系统进行完善是当代迫在眉睫的一大问题。近年来我国对节水型燃气热水器的重视程度也在不断提高，但仍然没有具有可实施性的具体方案。就目前开发的热水器热力循环泵系统，虽然其节水机能较高，但是存在其他问题，例如造价成本过高、耗能过高等问题，因此并没有被广泛使用。本文就水资源大量浪费的现状来说，设计了一个新颖独创的发展方向，满足传统意义上的节水系统的不足之处，且高度顺应了燃气热水器节能减排的发展趋势。
二、智能节水装置总体设计方案
本文本着设计一个具有智能系统的热水器节水系统的目标，充分将单片机、传感器、数字转化器等元器件结合起来，由此构成了节水系统的基本电路。采用C编程语言编写出温度采集系统以及自动转化程序，完成对温度的采集与识别系统设计，根据温度识别的结果来控制电磁阀的开关，电磁换向阀的主要作用为将温度不同的水流分管流通，水流分流的标准为是否达到预设温度。由此我们可以将没有达到预设温度但是停留在热水器和喷头之间的冷水分流回燃气热水器中，因此做到冷水回收二次利用，而不是随其浪费，这样的一个设计思路。充分考虑了节水系统的可实施性与高效性，并且操作较为方便简单，让燃气热水器具有高度的自动化性与智能性。
三、部件说明
（一）温度感应装置
该部分主要由温度传感器结合单片机、辅助电路构成。详细过程如下：设置完所需水温后，在热水器进行水加热过程中，温度传感器保持工作状态，实时将水温信号转换为电信号，并与预设温度进行比对。但是，传感器所收集的信号都是模拟信号，要做到真正的温度控制自动化，需要将模拟信号再一次转换成数字信号，再交由单片机进行识别比对，由此才可以做到将没有达到预设温度的水分流。单片机部分在收到数字信号后，若发现水温已经符合预设条件，立即对电磁阀门发出控制指令信号，控制阀门的失得电状态[2]。
（二）电磁阀
为了将所需水与返回水流分流，我们需要一个电磁阀门。该电磁阀门为单片机控制，接受的信号为电信号。在单片机接受到温度传感器接受到传感器返回的信号数据后，进行识别比对，若水温不符合条件，则打开相应的阀门，将水流导回热水器中，进行二次利用。若水温得当，则打开另一阀门，导向淋浴喷头以供使用。
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（三）单向阀
由上所述，我们可以知道我们需要的只有达到预设温度的水流，因此我们的阀门需要控制的是将高温水流导向淋浴位置，而不够温度的水流导回热水器，所以我们使用的是单向阀门。单向阀的主要作用为充分控制水流的流动方向，以防止冷水倒流或错流。在此我们设计想法为充分利用水的重力实现单向流通作用，选用直通式单向阀门，阀内的开关利用阀内弹簧作用。
四、智能节水装置原理及实现
燃气热水器的节水核心在于系统对水温的有效检测与导向流通作用，因此温度传感器是非常重要的一个部件与工作过程技术支持。在此我们将对系统中的软硬件部分进行分别介绍。
（一）智能节水装置硬件设计原理
用户使用热水器时，打开加热开关以及水流开关，燃气热水器开始工作，水开始流向加热部位。此时温度传感器开始在水管中实时检测流动的水温，并且将温度信号转换为电信号传给单片机。温度信号作为单片机的输入信号，阀门电力开关作为输出信号，根据水温的冷热控制阀门开关。若为不合预设要求温度水流，则打开回流阀门，将冷水导回热水器；若温度足够，单片机控制打开单向导通阀门，将热水直接导向淋雨喷头部位，从而实现水流节约与快速控制。
（二）智能节水装置硬件实现电路
我们在燃气热水器中使用的单片机还是使用的最多使用的89C51系列为核心部件。该系列单片机不需要再外接扩展部件，大大简化了我们设计的节水系统整体结构与工作控制过程。89C51的串口输出方式，也简化了电路结构，且其输出频率也满足了我们所需检测要求。温度传感器我们选择的是AD590型号，精度较高，信号传感性较高，不需要外接辅助电源，保持整体系统的简易性。温度传感器所需的电压信号较低，只有几百毫伏，因此需要选择适当的放大电路进行放大信号。另外，我们日常所需的热水器温度变化范围并不会很大，因此我们只需要在整个温控系统中的采集点设计为200个左右即可，这样的设计已经大大满足了热水器温度精度的转换工作要求。89C51系列单片机中的输出端口P3.1引脚为高电平触发引脚，由反相驱动器作用后濒危低电平输出，二极管导通。光敏三极管导通，三极管开始工作，继电器也同时工作通电，电磁阀门工作，打开单向阀门，符合预设温度的水流出。
电磁阀门是最为基础的自动化设备之一，其工作时的开关状态由电磁铁的电流控制。阀门控制需要高度精确性与及时性，因此我们的设计为一条指令控制所有的电磁阀门，这样简单的指令要求工作过程，简化了操作复杂性，降低了故障性与失误率。
（三）智能节水装置软件设计
我们选取的89C51系列单片机系统，其指令兼容性较高，工作范围广泛，资源丰富，操作性高，使用时需要的外部连接元件较少，这样的特性方便与简化操作过程，简单的指令操作即可满足我们的温控系统与节水目的。另外我们选用的编程语言为C语言，是较为简单的一类语言，但是其拥有较丰富强大的操作性与函数内容，实用性强，故障发生可能性低，具有较高的开放性。
五、总结
综上所述，节水设计的本质是对流经换热器但未达到预设温度的水进行再加热并排出供人使用的过程。在本文中，温度检测装置与电磁阀，单向阀都是该设计的重要组成部分。其设计思路是利用 C 语言编写温度采集及自动转化程序，从而实现温度的自动采集和识别，提高水的利用率。在这个过程中，通过软件程序，利用专门的μCOS-II的多任务操作系统开发平台上，采用C语言和汇编语言编写，使设计保留了燃气热水器既有的工作系统，并在其基础上进行补充与完善，在提高燃气热水器整体工作效率方面，又降低了成本。
参考文献：
[1]张国义，刘宸硕.燃气热水器的节水设计与研究[J].安徽建筑，2015，22（03）：180-182.
[2]尹丹桂，王琼.燃气热水器智能节水装置研究与设计[J].大众科技，2016，18（09）：43-44.
论文作者:冯先维
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：温度论文; 燃气热水器论文; 阀门论文; 单片机论文; 水流论文; 信号论文; 系统论文; 《基层建设》2019年第15期论文;