多通道數(shù)據(jù)記錄器改進(jìn)了復(fù)雜的國(guó)內(nèi)熱水投訴的法醫(yī)分析
概要：
通過(guò)使用多通道溫度記錄儀的科學(xué)方法和分析，咨詢(xún)公司Buildera解決了對(duì)已經(jīng)困擾房主多年的冷水淋浴的挫敗感。
問(wèn)題總結(jié)
一個(gè)能源意識(shí)的房主抱怨在早晨和晚上的淋浴，熱水不足，特別是在溫暖的月份。然而，在一天的其他時(shí)間，在寒冷的冬季，熱水充足 - 接近燙傷溫度超過(guò)120ºF。乘客將恒溫器設(shè)置為制造商推薦的節(jié)能設(shè)置，安裝后保持不變。沖洗熱水箱和積累的沉積物在第一次使用期間沒(méi)有顯著升高熱水溫度。
在法醫(yī)分析之前，房主懷疑熱水器應(yīng)該更換 - 估計(jì)1200美元的修理 - 包括零件和勞動(dòng)力。為了解決這個(gè)謎團(tuán)，Buildera使用電池供電的四通道溫度記錄儀對(duì)熱水系統(tǒng)和恒溫器滯后進(jìn)行了非侵入性的科學(xué)分析。本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了故障排除方法，實(shí)用提示和解決方案，以幫助承包商，房主，檢查員和物業(yè)維護(hù)經(jīng)理解決熱水問(wèn)題。
關(guān)鍵事實(shí)
熱水溫度不一致，特別是在早上或晚上的第一次使用
熱水不足在較暖（夏季）月份較常見(jiàn)，但通常在較冷（冬季）月份較熱
對(duì)于連續(xù)的淋�。ㄔ�30-120分鐘內(nèi)），第二次淋浴有足夠的熱水，而第一次淋浴沒(méi)有
每個(gè)淋浴都有獨(dú)立的熱水和冷水閥，而不是新式的壓力平衡或限溫混合閥
這個(gè)占地2500平方英尺的住宅建于1994年
墻壁，天花板，地板和熱水管根據(jù)加利福尼亞州標(biāo)題24在施工時(shí)有效的能源標(biāo)準(zhǔn)
熱水使用點(diǎn)包括三間浴室，一間廚房和帶水槽的洗衣房
加熱器是一個(gè)12年50加侖GE天然氣罐加熱器與雙犧牲陽(yáng)極
坦克位于一樓的實(shí)用壁櫥內(nèi)，外面有燃燒空氣進(jìn)口
評(píng)價(jià)時(shí)的熱水器年齡約為9年
羅伯特·肖型號(hào)R110RTSP恒溫器設(shè)置為工作溫度120ºF
從熱水器到第一個(gè)淋浴的大約管道是15英尺（5米）
輸水系統(tǒng)為3/4“L型銅入口和出口
系統(tǒng)包括返回到熱水器底部的絕緣1/2“銅再循環(huán)管道，房主以前禁用它以節(jié)省能源
燃?xì)鉄崴?- 實(shí)踐評(píng)論
盡管在北美地區(qū)更多地使用無(wú)箱式熱水器，但對(duì)于大多數(shù)單戶，輕型商業(yè)和多單元住宅，燃?xì)夂碗娏崴髡贾鲗?dǎo)地位。操作簡(jiǎn)單和更有效的設(shè)計(jì)提供0.60至0.90及以上的能量因子（EF）。為了清楚起見(jiàn)，本應(yīng)用指南重點(diǎn)介紹了具有中心煙道的傳統(tǒng)儲(chǔ)氣式熱水器，但許多安全原則（包括防燙傷）也適用于電氣和高效氣體模型。
圖2示出了典型的燃?xì)鉄崴骱銣仄�，該恒溫器運(yùn)行具有連續(xù)可變?cè)O(shè)置的模擬表盤(pán)，范圍從VACATION模式到HOT（一些制造商標(biāo)記為頂端非常熱）。在此刻度范圍內(nèi)，溫度從低到60-80ºF到高到150-160ºF。坦克制造商，EPA（環(huán)境保護(hù)局）和許多市政府建議將能效和燙傷緩解的目標(biāo)設(shè)置為120ºF。然而，OSHA，美國(guó)水暖工程師學(xué)會(huì)（ASPE）和軍團(tuán)菌專(zhuān)家建議至少140ºF的水殺死有害細(xì)菌[1-3]。
為了減少意外燙傷和保持每月帳單，大多數(shù)節(jié)能的房主將他們的熱水器設(shè)置為推薦的120ºF設(shè)置。圖3示出了健康成人的恒溫器設(shè)置對(duì)燙傷時(shí)間。注意，嬰兒，兒童和老年人具有更薄的皮膚或更慢的反應(yīng)時(shí)間，因此更易于不可逆的燒傷，即使在適度升高的溫度下。業(yè)主和維修人員必須特別注意這些乘客的防燙傷。例如，暴露于140°F水的成年人將在僅僅五秒鐘內(nèi)經(jīng)歷不可逆的二度或三度燒傷。顯然，這種熱的水是非常危險(xiǎn)的，可以導(dǎo)致嚴(yán)重傷害最有韌性的成人，更不用說(shuō)兒童，殘疾人或老人。
恒溫器不良控制出水溫度
許多房主和不知情的承包商合理地假設(shè)恒溫器設(shè)置是出水溫度的精確代表。雖然更高的恒溫器設(shè)置產(chǎn)生更高的平均溫度是確實(shí)的，但是當(dāng)溫度變化大時(shí)，平均值沒(méi)有意義。
熱分層 - 也稱(chēng)為熱堆積 - 在罐頂部產(chǎn)生與底部相比更熱的水[4]。有時(shí)溫度差可以高達(dá)15至30度。當(dāng)使用從罐的頂部拉熱水時(shí)，入口供應(yīng)壓力通過(guò)內(nèi)部汲取管將冷水強(qiáng)制到罐底部。這引導(dǎo)最接近加熱元件的冷水以獲得最佳加熱效率。上升的熱量迫使更多的浮力熱水（因此更多的熱量）到罐的頂部，而更冷的進(jìn)入的水填充底部。熱水需求的頻繁爆發(fā)，例如打開(kāi)和關(guān)閉水龍頭幾次，或洗衣機(jī)循環(huán)，導(dǎo)致冷水的順序插入，將恒溫器沖擊到二次加熱循環(huán)中。
由于大多數(shù)恒溫器測(cè)量罐底部的溫度，當(dāng)頂部的水已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，這種額外的循環(huán)會(huì)導(dǎo)致熱水溫度峰值上升，甚至高于120ºF的恒溫器設(shè)置。此外，ANSI標(biāo)準(zhǔn)Z21.10.1-2013允許恒溫器精度±10ºF的變化，現(xiàn)場(chǎng)工程師報(bào)告甚至更寬的范圍[5]。在極端情況下，熱堆疊允許在目標(biāo)恒溫器設(shè)置以上達(dá)到30度的溫升。因此，即使在120ºF的標(biāo)稱(chēng)設(shè)置，熱水器也能夠產(chǎn)生比預(yù)期更熱的溫度。這種可變性使得乘員具有嚴(yán)重和不可預(yù)測(cè)的燙傷風(fēng)險(xiǎn)，甚至在標(biāo)稱(chēng)120°F的恒溫器設(shè)置下。
冷淋巴綜合征
相反的情況也發(fā)生，其中恒溫器滯后和備用熱損失導(dǎo)致水溫比預(yù)期的冷得多。與強(qiáng)制空氣爐不同，其中空氣溫度保持在目標(biāo)恒溫器設(shè)置的幾度內(nèi)，熱水器恒溫器在開(kāi)/關(guān)跳閘點(diǎn)之間具有非常寬的滯后范圍。這個(gè)范圍 - 寬20-30度 - 消除快速循環(huán)和過(guò)多的能量損失。這意味著雖然恒溫器設(shè)置讀數(shù)為120ºF，但是在不使用幾小時(shí)后，實(shí)際水箱水溫可能會(huì)下降至90-100ºF，特別是在空氣溫度最低時(shí)過(guò)夜。罐水溫度將繼續(xù)衰減，直到待機(jī)損失導(dǎo)致溫度降到最低恒溫器跳閘點(diǎn)以下，或直到對(duì)熱水的突然需求導(dǎo)致冷水涌入，這通知恒溫器觸發(fā)新的加熱循環(huán)。
在使用點(diǎn)淋浴的典型舒適范圍是105-110ºF。由于熱水器和噴頭之間的熱損失，沿著管道的二到五度的溫度損失是典型的。因此，為了在108ºF下享受淋浴，假設(shè)沒(méi)有冷水混合，熱水器出口的最低可接受溫度應(yīng)至少為110-113°F。給出上述討論，理由是，即使恒溫器設(shè)置為120°F，噴頭處的實(shí)際水溫也可以低到滿足淋浴的可接受溫度的90-95°F。難怪許多消費(fèi)者抱怨寒冷的淋浴，得出結(jié)論他們的坦克或恒溫器有缺陷。
使用多通道記錄器的法醫(yī)分析 - 它在數(shù)據(jù)中
盡管房主容易出故障的熱水器，Buildera接近這個(gè)調(diào)查沒(méi)有偏見(jiàn)的潛在問(wèn)題。相反，公正的科學(xué)方法使用多通道溫度記錄儀指導(dǎo)所有的測(cè)量和文件。雖然一個(gè)簡(jiǎn)單的修復(fù)可能是提高表盤(pán)溫度，看看發(fā)生了什么，這將模糊的根本原因和影響，以及增加無(wú)意的燙傷。
執(zhí)行基線溫度測(cè)量
當(dāng)Buildera首先在各種水龍頭上使用浸入式熱電偶（Fluke®80PK-22或類(lèi)似產(chǎn)品）測(cè)試水溫時(shí)，熱水溫度在113-119ºF之間測(cè)量，在考慮到加熱器和龍頭。為了沖洗管道內(nèi)的溫水，水自由流動(dòng)直到溫度穩(wěn)定在其最大值附近。這表明，在基線測(cè)量時(shí)，熱水器能夠產(chǎn)生足夠的熱水以滿足淋浴。然而，這樣的測(cè)量不足以理解水溫如何隨著不同的需求負(fù)載在一天中變化，并且更具體地，為什么清晨淋浴溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最低可接受水平。
溫度數(shù)據(jù)記錄的注意事項(xiàng)
為了評(píng)估總體溫度模式，Buildera在其多通道功能和可移動(dòng)SD存儲(chǔ)卡中部署了Extech®SDL200 4通道溫度計(jì)，簡(jiǎn)化了向Apple®MacBookAir®的數(shù)據(jù)輸出。使用為測(cè)量任務(wù)優(yōu)化的各種Type-K熱電偶，在2013年5月25日至27日的兩天內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。 Buildera分配了溫度記錄器通道，如下表所示：
渠道
熱電偶標(biāo)簽/位置
預(yù)期范圍
1
T [熱] - 熱水管出口溫度
90º-140ºF
2
T [冷] - 冷水管入口溫度
55º-70ºF
3
T [煙道] - 煙道表面溫度
70º-300ºF
4
T [環(huán)境] - 設(shè)施室周?chē)諝鉁囟?/P>
55º-85ºF
然而，在初始設(shè)置和驗(yàn)證期間，在所有熱電偶通道上出現(xiàn)意外的溫度偏移。隨后的調(diào)查顯示，與許多數(shù)據(jù)記錄器和采集系統(tǒng)一樣，SDL200在接合系統(tǒng)上測(cè)量多個(gè)熱電偶時(shí)易受接地環(huán)路的影響。這是由于每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)和非隔離輸入放大器之間的小電壓偏移。真差分儀表輸入放大器與所有其他通道（包括接地）隔離，有助于最大限度地減少通道干擾和接地噪聲。
為了說(shuō)明這一點(diǎn)，K型熱電偶具有41μV/℃的熱靈敏度。因此，由于有限阻抗上的接地電流差異，即使只有100μV的電壓偏移也會(huì)在顯示的溫度測(cè)量中產(chǎn)生幾度誤差。使用Agilent（Keysight）U1273A DMM測(cè)量熱電偶之間的電壓差，幾乎所有測(cè)量誤差都可能與接地傳感器之間的電壓差相關(guān)。雖然熱水管和冷水管已經(jīng)結(jié)合在一起，但是在測(cè)量點(diǎn)之間安裝附加的大規(guī)格銅接合線減少了阻抗和偏移誤差，但是不足以證明最佳實(shí)踐。
為了減少測(cè)量誤差，Buildera使用一層薄薄的Kapton®聚酰亞胺膠帶絕緣層重新安裝了所有熱電偶。該步驟將每個(gè)熱電偶與接地和接合的效果電隔離。薄帶層不會(huì)實(shí)質(zhì)上影響目標(biāo)表面的溫度測(cè)量精度，并且消除了傳感器之間的所有接地回路。盡管非接地?zé)犭娕伎捎�，但由于傳感器及其外殼的機(jī)械隔離，其熱響應(yīng)時(shí)間通常較慢。
與Onset計(jì)算機(jī)公司合作，Buildera隨后進(jìn)行Beta測(cè)試，最終將未來(lái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量切換到Onset®HOBO®UX120-014M四通道熱電偶數(shù)據(jù)記錄器的生產(chǎn)版本（圖5），該測(cè)量提供了更高的測(cè)量精度，電池壽命適合持續(xù)數(shù)周或數(shù)月的擴(kuò)展溫度研究。無(wú)論記錄器選擇如何，用戶必須始終測(cè)試接地環(huán)路錯(cuò)誤，并在必要時(shí)電隔離每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)。
熱水出口溫度測(cè)量-T [熱]
如圖6所示的Buildera ThermaDur TM K型管夾表面熱電偶安裝在距離熱水器頂部大約1“的3/4”銅管熱水出口周?chē)�。在熱電偶安裝期間取下管道絕緣層并重新安裝，以最大限度減少環(huán)境溫度對(duì)熱水出口測(cè)量的影響。由于銅管的高導(dǎo)熱性和快速響應(yīng)時(shí)間，外部管表面溫度近似于實(shí)際水溫，其中Buildera通過(guò)從源獲得的獨(dú)立水溫測(cè)量驗(yàn)證。
冷水入口溫度測(cè)量-T [冷]
同樣，Buildera在3/4英寸冷水銅入口周?chē)惭b了第二個(gè)熱電偶，距離熱水器頂部約12英寸。注意避免將熱電偶安裝在排氣煙道附近，這可能不利地?fù)p壞溫度讀數(shù)。測(cè)量冷水供應(yīng)的基本原理是確認(rèn)進(jìn)入的溫度足夠低以在足夠的冷水涌入之后觸發(fā)恒溫器。
煙氣溫度測(cè)量 -
Buildera在氣體煙道周?chē)渴鹆艘粋�(gè)Fluke®80PK-11型-KVelcro®熱電偶，用于非侵入性地測(cè)量外部煙道溫度。將熱電偶放置在煙道出口上方約6“處的熱水器通風(fēng)口上。該測(cè)量為恒溫器激活提供了一致的代理。在燃燒時(shí)，煙道表面溫度幾乎瞬間增加，升至220℉或附近。當(dāng)達(dá)到高跳閘點(diǎn)時(shí)，恒溫器關(guān)閉燃?xì)忾y。煙道溫度然后急劇下降，提供恒溫器關(guān)閉點(diǎn)的可靠指示。在獲取煙道溫度的數(shù)學(xué)導(dǎo)數(shù)之前執(zhí)行低通濾波和數(shù)據(jù)的閾值提供了溫度的階躍變化的非常準(zhǔn)確的標(biāo)記。相鄰尖峰之間的時(shí)間延遲指示加熱循環(huán)的持續(xù)時(shí)間，其隨后被轉(zhuǎn)換成二元開(kāi)/關(guān)曲線隨時(shí)間的變化。
環(huán)境空氣溫度測(cè)量-T [環(huán)境]
Buildera將一個(gè)K型珠熱電偶附著在附近的墻壁上，以測(cè)量環(huán)境空氣，這對(duì)于了解空氣溫度對(duì)恒溫器操作的影響非常有用。
測(cè)量結(jié)果討論
如圖8的繪圖圖所示，溫度讀數(shù)持續(xù)兩天，具有以下觀察結(jié)果：
恒溫器循環(huán)4-6次/天，每個(gè)循環(huán)持續(xù)20至60分鐘
實(shí)用衣柜內(nèi)的環(huán)境空氣溫度從60º-71ºF不等
在不使用時(shí)間段（例如五個(gè)或更多個(gè)小時(shí)）之后，熱水溫度衰減約2.3°-2.6°F /小時(shí)至97°-103°F度 - 高于最小閾值以在第二天早晨使用之前觸發(fā)恒溫器
在早上第一次使用時(shí)，頭部的淋浴溫度在95º-101ºF范圍內(nèi)，遠(yuǎn)低于可接受的最低值
充足的冷水沖洗后，恒溫器打開(kāi)，觸發(fā)加熱循環(huán)，溫度升高在0.3º-0.8ºF/分鐘之間，取決于恢復(fù)期間的需求
溫度逐漸上升，持續(xù)20至60分鐘
給定8-10分鐘的典型噴淋持續(xù)時(shí)間，在第一噴淋期間沒(méi)有足夠的熱升高以提供滿意的溫度
如圖9所示，在第二乘客采取晨間淋浴的這一點(diǎn)上，由于更早的恒溫器激活，存在充足的熱水供應(yīng)
在5月下旬，當(dāng)環(huán)境溫度相對(duì)較暖時(shí)收集數(shù)據(jù)
根據(jù)熱力學(xué)定律，如果環(huán)境空氣溫度低得多（例如在冬天期間，空氣和罐溫度之間的較大差異），則熱水器將在夜間更快地失去熱量，從而早晨觸發(fā)恒溫器，在第一次淋浴解釋前，為什么冬季的晨陣雨比溫暖的月份的陣雨熱得多。
循環(huán)泵溶液
憑借法醫(yī)知識(shí)，補(bǔ)救辦法更加明顯。一種解決方案提高恒溫器溫度，使得低跳閘點(diǎn)至少足夠熱以用于舒適的第一噴淋。使用圖8作為建立新閾值的指南，將恒溫器設(shè)置提高10ºF至130ºF會(huì)將最低熱水輸出提高至107-113ºF，這是更合適的淋浴溫度。實(shí)際上，在將恒溫器高跳閘點(diǎn)增加到130°F之后，房主經(jīng)歷了舒適的淋浴，即使在第一次使用時(shí)。然而，該解決方案還由于更高的總體溫度和堆疊效應(yīng)而增加了燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。
此外，這種提升在24小時(shí)期間還消耗更多的能量，實(shí)際上，僅在早晨或在幾個(gè)小時(shí)之后沒(méi)有熱水消耗的情況下需要更熱的水。較熱的水還可以由于更高的熱膨脹而減少罐的壽命，以及加速礦物沉積和結(jié)垢�？紤]到燙傷風(fēng)險(xiǎn)增加和能量需求增加，這種解決方案只是臨時(shí)解決冷噴淋困境的一個(gè)方法。
循環(huán)泵到救援
如前所述，該系統(tǒng)還包括1/2“再循環(huán)管線和格蘭富泵。由于擔(dān)心過(guò)早的銅管侵蝕，再循環(huán)損失的增量能耗以及運(yùn)行泵的電力，所有者之前已停用再循環(huán)系統(tǒng)。
為了減輕這些問(wèn)題，循環(huán)泵提供了一種實(shí)用的方法來(lái)觸發(fā)恒溫器，對(duì)能量使用的影響可以忽略不計(jì)。返回管線中的溫水接近環(huán)境空氣溫度過(guò)夜，將恒溫器撞擊到加熱循環(huán)中。在對(duì)泵定時(shí)器編程時(shí)，恒溫器復(fù)位回到120°F。在5:30 AM自動(dòng)啟動(dòng)泵幾分鐘，迫使返回管線中的冷卻水使恒溫器跳閘，從而重新加熱水。當(dāng)?shù)谝粋�(gè)乘客上午淋浴時(shí)，熱水供應(yīng)已經(jīng)達(dá)到其目標(biāo)120ºF的限制。這為至少兩個(gè)背靠背淋浴提供了充足的熱水。
進(jìn)一步改進(jìn)
雖然這最后一種方法提供了可行的補(bǔ)救措施，但它依賴(lài)于泵時(shí)間表與居住者的同步。此外，它仍然使熱水回路容易滋生有害細(xì)菌，如軍團(tuán)菌。這種困境的最終解決方案是犧牲一些能量效率，以將槽溫度增加到135-140°F，足以殺死細(xì)菌。為了避免燙傷，ASSE批準(zhǔn)的溫度補(bǔ)償混合值必須在熱水出口之后通過(guò)與冷水混合安裝。這樣，從細(xì)菌角度來(lái)看，罐可以保持在安全溫度，而120°F輸出緩解了燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。
這提供了在淋浴期間較慢的熱水消耗的額外的好處，因?yàn)楣蘧哂谐^(guò)目標(biāo)溫度的熱容量?jī)?chǔ)備。雖然這種方法由于增加的備用損失和隨后的混合損失而不太能量有效，其確保了占用者充足的熱水供應(yīng)，而不管季節(jié)或時(shí)間。但是，請(qǐng)注意，軍團(tuán)菌可以在高達(dá)122ºF的溫度下保持活性，因此ASHRAE建議在熱水供應(yīng)和返回期間不低于124ºF�？紤]到這些較熱的溫度，防燙水龍頭和混合閥是使用時(shí)必不可少的安全措施。
結(jié)論
通過(guò)使用多通道溫度記錄儀的科學(xué)方法和分析，Buildera解決了多年來(lái)困擾房主的冷水淋浴的挫折。對(duì)溫度分布隨時(shí)間的改進(jìn)的理解產(chǎn)生了平衡熱噴淋的相反需求和能量效率的合理解決方案。將恒溫器設(shè)置提高約10ºF至130ºF可確保全年有足夠的熱水。在早上重新啟動(dòng)現(xiàn)有的循環(huán)管道是一個(gè)替代選擇。在分析期間，注意到其他觀察和改進(jìn)以減輕細(xì)菌堆積，同時(shí)防止在使用點(diǎn)的燙傷，包括在水加熱器輸出處添加溫度補(bǔ)償混合閥，與在該點(diǎn)的防燙傷夾具的使用。
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