摘 要：新型家用燃气热水器节水装置是为了解决燃气热水器在开启时先放冷水所造成的水资源浪费问题而设计的。该节水装置利用自来水的水压作为动力，推动内部循环管道系统回收燃气热水器从开启到达到所需水温正常工作这段时间所流出的冷水，并将这部分水送入热水器重新加热再利用，实现节约水资源和热水器的“零冷水”功能。文章主要介绍节水装置内部结构设计、工作原理、单片机控制系统控制原理。
关键词：内部结构设计；三种工况；控制原理
1 节水装置循环管道系统的内部结构设计及冷水回收基本原理
1.1 节水装置循环管道系统的内部结构设计
节水装置内部结构设计示意图如图1，循环管道系统由水管、液压缸、储藏缸、活塞及连杆、电磁阀、逆止阀组成。其中液压动力缸是双向液压缸，两个冷水储藏缸为单向液压缸。三个缸中装有活塞，活塞间由连杆连接，不发生相互位移。图中灰色部分为管道，装置通过单片机对常开电磁阀、常闭电磁阀进行控制，使各个管路的通闭随装置运行工况的变化而改变，而水流方向也同时随之改变，进而利用水压作为动力带动活塞进行回收与排水，实现对燃气热水器到花洒间管道内余水以及燃气热水器预热阶段产生的冷水的回收再利用。
1.2 冷水回收基本原理
根据国家规定标准，自来水管网末端服务压强不低于0.14兆帕，压强合格率不低于97%。如果将这部分压力作用在面积0.001m2的表面上，可以产生140N的力。本装置巧妙利用这部分力驱动节水装置进行抽水与排水。本装置使用一个双向液压缸（液压动力缸）和一个单向液压缸（冷水储藏缸），两缸的活塞用连杆连接。
水从液压动力缸右端进入，水压驱动液压动力缸活塞向左移动，带动由连杆连接的冷水储藏缸活塞向左移动，冷水储藏缸抽水。当活塞移动至左端后，改变水流方向，水从液压动力缸左端进入，液压动力缸活塞带动冷水储藏缸活塞向右移动，冷水储藏缸排水。本装置利用这一抽一排，便可实现对热水器所排出的冷水进行回收的功能。
2 循环管道系统的三工况设计及控制系统原理
新型家用燃气热水器的管道工况分为冷水回收工况、冷水再循环工况以及待机工况。整个装置通过三种工况间的自动转换实现对燃气热水器到花洒（出水口）间管道内余水以及燃气热水器预热阶段冷水的回收再加热。
2.1 冷水回收工况
打开自来水开关，此时电磁阀通电，水从管道进入液压动力缸，然后一部分水通过管道流入燃气热水器进行加热，但由于热水器将水加热到所需温度需要一定预热时间，所以这部分进入热水器加热的水并未达到所需温度，故通过管道流入预热冷水储藏缸。而连接液压动力缸的管路与自来管相连，在给动力缸和预热缸送水的同时也给两个缸的活塞带来了水压。在水压的推动下，两个活塞将带动管道冷水储存缸的活塞向左移动，直到受到阻挡或管道工况发生变化。通过这个过程，滞留在管道中的冷水将沿浅管道抽入管道冷水储藏缸，液压动力缸活塞左边的水也将沿着管道进入管道冷水储藏缸。
2.2 冷水排出工况
在冷水回收工况结束时，液压动力缸的活塞已移动到缸内左端。这时循环管道系统进入排水工况。装置出水口附近的温度传感器对热水器管道中的水温进行检测并将信号传递给控制单元，当水温达到用户所设定温度时，控制单元对电磁阀的断电，使管道中的水的流向发生改变。此时自来水由动力缸左端流入，以推动动力缸活塞向右移动，进而通过连杆带动两个储藏缸中的活塞将储藏缸储藏的冷水推出，冷水通过管路进入热水器燃烧室进行加热再利用，这时，热水器加热的水已达到所需温度可直接通过管道流向出水口使用。
2.3 待机工况
排水工况结束后，装置进入待机工况。此时，自来水通过管道经液压动力缸，进入热水器进行加热，由于此时的热水达到用户所预设的温度，温度传感器将信号传递给单片机控制单元，控制单元保持对电磁阀的断电的状态，使水流直接从热水器出口流向出水口。在待机工况，装置和热水器正常工作。出水口开关关闭，控制芯片进入延时程序，5分钟之内再次开启出水口出水开关，装置不运行，当超过5分钟后再重新使用，节水装置才会重新工作，以减少装置的不必要运行。
2.4 控制系统的原理
控制系统是通过控制电磁阀的开闭来实现控制水流方向。为了控制的方便性和准确性，本装置在设计电磁阀的位置和类型时，统一了所有电磁阀的步调——所有电磁阀的通电状态或断电状态是统一的。控制系统可以通过一条指令控制所有的电磁阀，这样大大的降低了程序的复杂性和故障率。花洒阀打开，该装置自动开机，单片机控制系统开始检索温度传感器送入的信号，当温度未达到设定温度，控制系统输出指令控制所有电磁阀通电，进入冷水回收工况；当温度设定温度时，单片机输出控制指令，让所有电磁发断电，系统进入冷水排除工况，接着热水器进入正常工作状态，而节水装置进入待机工况。
3 结束语
这款燃气热水器节水装置跟目前家庭装配的燃气热水器的匹配程度高，可根据燃气热水安装位置与冲凉房的管道距离调整设计管道冷水存储缸截面积的大小及长度。可根据热水器的加热性能调整设计预热水缸的截面积的大小。装在出水口的温度传感器将温度系统传输给电控单元，单片机电控单元根据用户设置的温度自动控制常开、常闭电磁阀工作，实现自动工作。该装置设计经过验证计算，证明装置的可行性。该设计尚在研发阶段，有一定试验基础，在不断改进当中。
参考文献
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