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作者：Hobojunkai 发布时间：16/11/07 浏览次数： 次 本页关键词： 类别： 所属类别： 解决方案 技术文章

 多通道数据记录器改进了复杂的国内热水投诉的法医分析

概要：

通过使用多通道温度记录仪的科学方法和分析，咨询公司Buildera解决了对已经困扰房主多年的冷水淋浴的挫败感。

问题总结

一个能源意识的房主抱怨在早晨和晚上的淋浴，热水不足，特别是在温暖的月份。然而，在一天的其他时间，在寒冷的冬季，热水充足 - 接近烫伤温度超过120ºF。乘客将恒温器设置为制造商推荐的节能设置，安装后保持不变。冲洗热水箱和积累的沉积物在第一次使用期间没有显着升高热水温度。

在法医分析之前，房主怀疑热水器应该更换 - 估计1200美元的修理 - 包括零件和劳动力。为了解决这个谜团，Buildera使用电池供电的四通道温度记录仪对热水系统和恒温器滞后进行了非侵入性的科学分析。本应用笔记详细介绍了故障排除方法，实用提示和解决方案，以帮助承包商，房主，检查员和物业维护经理解决热水问题。

关键事实

热水温度不一致，特别是在早上或晚上的第一次使用
热水不足在较暖（夏季）月份较常见，但通常在较冷（冬季）月份较热
对于连续的淋浴（在30-120分钟内），第二次淋浴有足够的热水，而第一次淋浴没有
每个淋浴都有独立的热水和冷水阀，而不是新式的压力平衡或限温混合阀
这个占地2500平方英尺的住宅建于1994年
墙壁，天花板，地板和热水管根据加利福尼亚州标题24在施工时有效的能源标准
热水使用点包括三间浴室，一间厨房和带水槽的洗衣房
加热器是一个12年50加仑GE天然气罐加热器与双牺牲阳极
坦克位于一楼的实用壁橱内，外面有燃烧空气进口
评价时的热水器年龄约为9年
罗伯特·肖型号R110RTSP恒温器设置为工作温度120ºF
从热水器到第一个淋浴的大约管道是15英尺（5米）
输水系统为3/4“L型铜入口和出口
系统包括返回到热水器底部的绝缘1/2“铜再循环管道，房主以前禁用它以节省能源


燃气热水原理 - 实践评论

尽管在北美地区更多地使用无箱式热水器，但对于大多数单户，轻型商业和多单元住宅，燃气和电力热水器占主导地位。操作简单和更有效的设计提供0.60至0.90及以上的能量因子（EF）。为了清楚起见，本应用指南重点介绍了具有中心烟道的传统储气式热水器，但许多安全原则（包括防烫伤）也适用于电气和高效气体模型。

图2示出了典型的燃气热水器恒温器，该恒温器运行具有连续可变设置的模拟表盘，范围从VACATION模式到HOT（一些制造商标记为顶端非常热）。在此刻度范围内，温度从低到60-80ºF到高到150-160ºF。坦克制造商，EPA（环境保护局）和许多市政府建议将能效和烫伤缓解的目标设置为120ºF。然而，OSHA，美国水暖工程师学会（ASPE）和军团菌专家建议至少140ºF的水杀死有害细菌[1-3]。

为了减少意外烫伤和保持每月帐单，大多数节能的房主将他们的热水器设置为推荐的120ºF设置。图3示出了健康成人的恒温器设置对烫伤时间。注意，婴儿，儿童和老年人具有更薄的皮肤或更慢的反应时间，因此更易于不可逆的烧伤，即使在适度升高的温度下。业主和维修人员必须特别注意这些乘客的防烫伤。例如，暴露于140°F水的成年人将在仅仅五秒钟内经历不可逆的二度或三度烧伤。显然，这种热的水是非常危险的，可以导致严重伤害最有韧性的成人，更不用说儿童，残疾人或老人。

恒温器不良控制出水温度

许多房主和不知情的承包商合理地假设恒温器设置是出水温度的精确代表。虽然更高的恒温器设置产生更高的平均温度是确实的，但是当温度变化大时，平均值没有意义。



热分层 - 也称为热堆积 - 在罐顶部产生与底部相比更热的水[4]。有时温度差可以高达15至30度。当使用从罐的顶部拉热水时，入口供应压力通过内部汲取管将冷水强制到罐底部。这引导最接近加热元件的冷水以获得最佳加热效率。上升的热量迫使更多的浮力热水（因此更多的热量）到罐的顶部，而更冷的进入的水填充底部。热水需求的频繁爆发，例如打开和关闭水龙头几次，或洗衣机循环，导致冷水的顺序插入，将恒温器冲击到二次加热循环中。

由于大多数恒温器测量罐底部的温度，当顶部的水已经达到目标温度时，这种额外的循环会导致热水温度峰值上升，甚至高于120ºF的恒温器设置。此外，ANSI标准Z21.10.1-2013允许恒温器精度±10ºF的变化，现场工程师报告甚至更宽的范围[5]。在极端情况下，热堆叠允许在目标恒温器设置以上达到30度的温升。因此，即使在120ºF的标称设置，热水器也能够产生比预期更热的温度。这种可变性使得乘员具有严重和不可预测的烫伤风险，甚至在标称120°F的恒温器设置下。
 
冷淋巴综合征

相反的情况也发生，其中恒温器滞后和备用热损失导致水温比预期的冷得多。与强制空气炉不同，其中空气温度保持在目标恒温器设置的几度内，热水器恒温器在开/关跳闸点之间具有非常宽的滞后范围。这个范围 - 宽20-30度 - 消除快速循环和过多的能量损失。这意味着虽然恒温器设置读数为120ºF，但是在不使用几小时后，实际水箱水温可能会下降至90-100ºF，特别是在空气温度最低时过夜。罐水温度将继续衰减，直到待机损失导致温度降到最低恒温器跳闸点以下，或直到对热水的突然需求导致冷水涌入，这通知恒温器触发新的加热循环。

在使用点淋浴的典型舒适范围是105-110ºF。由于热水器和喷头之间的热损失，沿着管道的二到五度的温度损失是典型的。因此，为了在108ºF下享受淋浴，假设没有冷水混合，热水器出口的最低可接受温度应至少为110-113°F。给出上述讨论，理由是，即使恒温器设置为120°F，喷头处的实际水温也可以低到满足淋浴的可接受温度的90-95°F。难怪许多消费者抱怨寒冷的淋浴，得出结论他们的坦克或恒温器有缺陷。

使用多通道记录器的法医分析 - 它在数据中

尽管房主容易出故障的热水器，Buildera接近这个调查没有偏见的潜在问题。相反，公正的科学方法使用多通道温度记录仪指导所有的测量和文件。虽然一个简单的修复可能是提高表盘温度，看看发生了什么，这将模糊的根本原因和影响，以及增加无意的烫伤。

执行基线温度测量

当Buildera首先在各种水龙头上使用浸入式热电偶（Fluke®80PK-22或类似产品）测试水温时，热水温度在113-119ºF之间测量，在考虑到加热器和龙头。为了冲洗管道内的温水，水自由流动直到温度稳定在其最大值附近。这表明，在基线测量时，热水器能够产生足够的热水以满足淋浴。然而，这样的测量不足以理解水温如何随着不同的需求负载在一天中变化，并且更具体地，为什么清晨淋浴温度远远低于最低可接受水平。

温度数据记录的注意事项

为了评估总体温度模式，Buildera在其多通道功能和可移动SD存储卡中部署了Extech®SDL200 4通道温度计，简化了向Apple®MacBookAir®的数据输出。使用为测量任务优化的各种Type-K热电偶，在2013年5月25日至27日的两天内进行测试。 Buildera分配了温度记录器通道，如下表所示：

渠道

热电偶标签/位置

预期范围

1

T [热] - 热水管出口温度

90º-140ºF

2

T [冷] - 冷水管入口温度

55º-70ºF

3

T [烟道] - 烟道表面温度

70º-300ºF

4

T [环境] - 设施室周围空气温度

55º-85ºF

然而，在初始设置和验证期间，在所有热电偶通道上出现意外的温度偏移。随后的调查显示，与许多数据记录器和采集系统一样，SDL200在接合系统上测量多个热电偶时易受接地环路的影响。这是由于每个测量节点和非隔离输入放大器之间的小电压偏移。真差分仪表输入放大器与所有其他通道（包括接地）隔离，有助于最大限度地减少通道干扰和接地噪声。

为了说明这一点，K型热电偶具有41μV/℃的热灵敏度。因此，由于有限阻抗上的接地电流差异，即使只有100μV的电压偏移也会在显示的温度测量中产生几度误差。使用Agilent（Keysight）U1273A DMM测量热电偶之间的电压差，几乎所有测量误差都可能与接地传感器之间的电压差相关。虽然热水管和冷水管已经结合在一起，但是在测量点之间安装附加的大规格铜接合线减少了阻抗和偏移误差，但是不足以证明最佳实践。

为了减少测量误差，Buildera使用一层薄薄的Kapton®聚酰亚胺胶带绝缘层重新安装了所有热电偶。该步骤将每个热电偶与接地和接合的效果电隔离。薄带层不会实质上影响目标表面的温度测量精度，并且消除了传感器之间的所有接地回路。尽管非接地热电偶可用，但由于传感器及其外壳的机械隔离，其热响应时间通常较慢。

与Onset计算机公司合作，Buildera随后进行Beta测试，最终将未来现场测量切换到Onset®HOBO®UX120-014M四通道热电偶数据记录器的生产版本（图5），该测量提供了更高的测量精度，电池寿命适合持续数周或数月的扩展温度研究。无论记录器选择如何，用户必须始终测试接地环路错误，并在必要时电隔离每个测量节点。

热水出口温度测量-T [热]

如图6所示的Buildera ThermaDur TM K型管夹表面热电偶安装在距离热水器顶部大约1“的3/4”铜管热水出口周围。在热电偶安装期间取下管道绝缘层并重新安装，以最大限度减少环境温度对热水出口测量的影响。由于铜管的高导热性和快速响应时间，外部管表面温度近似于实际水温，其中Buildera通过从源获得的独立水温测量验证。

冷水入口温度测量-T [冷]

同样，Buildera在3/4英寸冷水铜入口周围安装了第二个热电偶，距离热水器顶部约12英寸。注意避免将热电偶安装在排气烟道附近，这可能不利地损坏温度读数。测量冷水供应的基本原理是确认进入的温度足够低以在足够的冷水涌入之后触发恒温器。

烟气温度测量 - 

Buildera在气体烟道周围部署了一个Fluke®80PK-11型-KVelcro®热电偶，用于非侵入性地测量外部烟道温度。将热电偶放置在烟道出口上方约6“处的热水器通风口上。该测量为恒温器激活提供了一致的代理。在燃烧时，烟道表面温度几乎瞬间增加，升至220℉或附近。当达到高跳闸点时，恒温器关闭燃气阀。烟道温度然后急剧下降，提供恒温器关闭点的可靠指示。在获取烟道温度的数学导数之前执行低通滤波和数据的阈值提供了温度的阶跃变化的非常准确的标记。相邻尖峰之间的时间延迟指示加热循环的持续时间，其随后被转换成二元开/关曲线随时间的变化。

环境空气温度测量-T [环境]

Buildera将一个K型珠热电偶附着在附近的墙壁上，以测量环境空气，这对于了解空气温度对恒温器操作的影响非常有用。

测量结果讨论

如图8的绘图图所示，温度读数持续两天，具有以下观察结果：
恒温器循环4-6次/天，每个循环持续20至60分钟
实用衣柜内的环境空气温度从60º-71ºF不等
在不使用时间段（例如五个或更多个小时）之后，热水温度衰减约2.3°-2.6°F /小时至97°-103°F度 - 高于最小阈值以在第二天早晨使用之前触发恒温器
在早上第一次使用时，头部的淋浴温度在95º-101ºF范围内，远低于可接受的最低值
充足的冷水冲洗后，恒温器打开，触发加热循环，温度升高在0.3º-0.8ºF/分钟之间，取决于恢复期间的需求
温度逐渐上升，持续20至60分钟
给定8-10分钟的典型喷淋持续时间，在第一喷淋期间没有足够的热升高以提供满意的温度
如图9所示，在第二乘客采取晨间淋浴的这一点上，由于更早的恒温器激活，存在充足的热水供应
在5月下旬，当环境温度相对较暖时收集数据
根据热力学定律，如果环境空气温度低得多（例如在冬天期间，空气和罐温度之间的较大差异），则热水器将在夜间更快地失去热量，从而早晨触发恒温器，在第一次淋浴解释前，为什么冬季的晨阵雨比温暖的月份的阵雨热得多。

循环泵溶液

凭借法医知识，补救办法更加明显。一种解决方案提高恒温器温度，使得低跳闸点至少足够热以用于舒适的第一喷淋。使用图8作为建立新阈值的指南，将恒温器设置提高10ºF至130ºF会将最低热水输出提高至107-113ºF，这是更合适的淋浴温度。实际上，在将恒温器高跳闸点增加到130°F之后，房主经历了舒适的淋浴，即使在第一次使用时。然而，该解决方案还由于更高的总体温度和堆叠效应而增加了烫伤的风险。

此外，这种提升在24小时期间还消耗更多的能量，实际上，仅在早晨或在几个小时之后没有热水消耗的情况下需要更热的水。较热的水还可以由于更高的热膨胀而减少罐的寿命，以及加速矿物沉积和结垢。考虑到烫伤风险增加和能量需求增加，这种解决方案只是临时解决冷喷淋困境的一个方法。

循环泵到救援

如前所述，该系统还包括1/2“再循环管线和格兰富泵。由于担心过早的铜管侵蚀，再循环损失的增量能耗以及运行泵的电力，所有者之前已停用再循环系统。

为了减轻这些问题，循环泵提供了一种实用的方法来触发恒温器，对能量使用的影响可以忽略不计。返回管线中的温水接近环境空气温度过夜，将恒温器撞击到加热循环中。在对泵定时器编程时，恒温器复位回到120°F。在5:30 AM自动启动泵几分钟，迫使返回管线中的冷却水使恒温器跳闸，从而重新加热水。当第一个乘客上午淋浴时，热水供应已经达到其目标120ºF的限制。这为至少两个背靠背淋浴提供了充足的热水。

进一步改进

虽然这最后一种方法提供了可行的补救措施，但它依赖于泵时间表与居住者的同步。此外，它仍然使热水回路容易滋生有害细菌，如军团菌。这种困境的最终解决方案是牺牲一些能量效率，以将槽温度增加到135-140°F，足以杀死细菌。为了避免烫伤，ASSE批准的温度补偿混合值必须在热水出口之后通过与冷水混合安装。这样，从细菌角度来看，罐可以保持在安全温度，而120°F输出缓解了烫伤的风险。

这提供了在淋浴期间较慢的热水消耗的额外的好处，因为罐具有超过目标温度的热容量储备。虽然这种方法由于增加的备用损失和随后的混合损失而不太能量有效，其确保了占用者充足的热水供应，而不管季节或时间。但是，请注意，军团菌可以在高达122ºF的温度下保持活性，因此ASHRAE建议在热水供应和返回期间不低于124ºF。考虑到这些较热的温度，防烫水龙头和混合阀是使用时必不可少的安全措施。

结论

通过使用多通道温度记录仪的科学方法和分析，Buildera解决了多年来困扰房主的冷水淋浴的挫折。对温度分布随时间的改进的理解产生了平衡热喷淋的相反需求和能量效率的合理解决方案。将恒温器设置提高约10ºF至130ºF可确保全年有足够的热水。在早上重新启动现有的循环管道是一个替代选择。在分析期间，注意到其他观察和改进以减轻细菌堆积，同时防止在使用点的烫伤，包括在水加热器输出处添加温度补偿混合阀，与在该点的防烫伤夹具的使用。