多通道數據記錄器改進了復雜的國內熱水投訴的法醫分析
概要：
通過使用多通道溫度記錄儀的科學方法和分析，咨詢公司Buildera解決了對已經困擾房主多年的冷水淋浴的挫敗感。
問題總結
一個能源意識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，在一天的其他時間，在寒冷的冬季，熱水充足 - 接近燙傷溫度超過120ºF。乘客將恒溫器設置為制造商推薦的節能設置，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有顯著升高熱水溫度。
在法醫分析之前，房主懷疑熱水器應該更換 - 估計1200美元的修理 - 包括零件和勞動力。為了解決這個謎團，Buildera使用電池供電的四通道溫度記錄儀對熱水系統和恒溫器滯后進行了非侵入性的科學分析。本應用筆記詳細介紹了故障排除方法，實用提示和解決方案，以幫助承包商，房主，檢查員和物業維護經理解決熱水問題。
關鍵事實
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，但通常在較冷（冬季）月份較熱
對于連續的淋浴（在30-120分鐘內），第二次淋浴有足夠的熱水，而第一次淋浴沒有
每個淋浴都有獨立的熱水和冷水閥，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，地板和熱水管根據加利福尼亞州標題24在施工時有效的能源標準
熱水使用點包括三間浴室，一間廚房和帶水槽的洗衣房
加熱器是一個12年50加侖GE天然氣罐加熱器與雙犧牲陽極
坦克位于一樓的實用壁櫥內，外面有燃燒空氣進口
評價時的熱水器年齡約為9年
羅伯特·肖型號R110RTSP恒溫器設置為工作溫度120ºF
從熱水器到第一個淋浴的大約管道是15英尺（5米）
輸水系統為3/4“L型銅入口和出口
系統包括返回到熱水器底部的絕緣1/2“銅再循環管道，房主以前禁用它以節省能源
燃氣熱水原理 - 實踐評論
盡管在北美地區更多地使用無箱式熱水器，但對于大多數單戶，輕型商業和多單元住宅，燃氣和電力熱水器占主導地位。操作簡單和更有效的設計提供0.60至0.90及以上的能量因子（EF）。為了清楚起見，本應用指南重點介紹了具有中心煙道的傳統儲氣式熱水器，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示出了典型的燃氣熱水器恒溫器，該恒溫器運行具有連續可變設置的模擬表盤，范圍從VACATION模式到HOT（一些制造商標記為頂端非常熱）。在此刻度范圍內，溫度從低到60-80ºF到高到150-160ºF。坦克制造商，EPA（環境保護局）和許多市政府建議將能效和燙傷緩解的目標設置為120ºF。然而，OSHA，美國水暖工程師學會（ASPE）和軍團菌專家建議至少140ºF的水殺死有害細菌[1-3]。
為了減少意外燙傷和保持每月帳單，大多數節能的房主將他們的熱水器設置為推薦的120ºF設置。圖3示出了健康成人的恒溫器設置對燙傷時間。注意，嬰兒，兒童和老年人具有更薄的皮膚或更慢的反應時間，因此更易于不可逆的燒傷，即使在適度升高的溫度下。業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經歷不可逆的二度或三度燒傷。顯然，這種熱的水是非常危險的，可以導致嚴重傷害最有韌性的成人，更不用說兒童，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恒溫器設置是出水溫度的精確代表。雖然更高的恒溫器設置產生更高的平均溫度是確實的，但是當溫度變化大時，平均值沒有意義。
熱分層 - 也稱為熱堆積 - 在罐頂部產生與底部相比更熱的水[4]。有時溫度差可以高達15至30度。當使用從罐的頂部拉熱水時，入口供應壓力通過內部汲取管將冷水強制到罐底部。這引導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，而更冷的進入的水填充底部。熱水需求的頻繁爆發，例如打開和關閉水龍頭幾次，或洗衣機循環，導致冷水的順序插入，將恒溫器沖擊到二次加熱循環中。
由于大多數恒溫器測量罐底部的溫度，當頂部的水已經達到目標溫度時，這種額外的循環會導致熱水溫度峰值上升，甚至高于120ºF的恒溫器設置。此外，ANSI標準Z21.10.1-2013允許恒溫器精度±10ºF的變化，現場工程師報告甚至更寬的范圍[5]。在極端情況下，熱堆疊允許在目標恒溫器設置以上達到30度的溫升。因此，即使在120ºF的標稱設置，熱水器也能夠產生比預期更熱的溫度。這種可變性使得乘員具有嚴重和不可預測的燙傷風險，甚至在標稱120°F的恒溫器設置下。
冷淋巴綜合征
相反的情況也發生，其中恒溫器滯后和備用熱損失導致水溫比預期的冷得多。與強制空氣爐不同，其中空氣溫度保持在目標恒溫器設置的幾度內，熱水器恒溫器在開/關跳閘點之間具有非常寬的滯后范圍。這個范圍 - 寬20-30度 - 消除快速循環和過多的能量損失。這意味著雖然恒溫器設置讀數為120ºF，但是在不使用幾小時后，實際水箱水溫可能會下降至90-100ºF，特別是在空氣溫度最低時過夜。罐水溫度將繼續衰減，直到待機損失導致溫度降到最低恒溫器跳閘點以下，或直到對熱水的突然需求導致冷水涌入，這通知恒溫器觸發新的加熱循環。
在使用點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，假設沒有冷水混合，熱水器出口的最低可接受溫度應至少為110-113°F。給出上述討論，理由是，即使恒溫器設置為120°F，噴頭處的實際水溫也可以低到滿足淋浴的可接受溫度的90-95°F。難怪許多消費者抱怨寒冷的淋浴，得出結論他們的坦克或恒溫器有缺陷。
使用多通道記錄器的法醫分析 - 它在數據中
盡管房主容易出故障的熱水器，Buildera接近這個調查沒有偏見的潛在問題。相反，公正的科學方法使用多通道溫度記錄儀指導所有的測量和文件。雖然一個簡單的修復可能是提高表盤溫度，看看發生了什么，這將模糊的根本原因和影響，以及增加無意的燙傷。
執行基線溫度測量
當Buildera首先在各種水龍頭上使用浸入式熱電偶（Fluke®80PK-22或類似產品）測試水溫時，熱水溫度在113-119ºF之間測量，在考慮到加熱器和龍頭。為了沖洗管道內的溫水，水自由流動直到溫度穩定在其最大值附近。這表明，在基線測量時，熱水器能夠產生足夠的熱水以滿足淋浴。然而，這樣的測量不足以理解水溫如何隨著不同的需求負載在一天中變化，并且更具體地，為什么清晨淋浴溫度遠遠低于最低可接受水平。
溫度數據記錄的注意事項
為了評估總體溫度模式，Buildera在其多通道功能和可移動SD存儲卡中部署了Extech®SDL200 4通道溫度計，簡化了向Apple®MacBookAir®的數據輸出。使用為測量任務優化的各種Type-K熱電偶，在2013年5月25日至27日的兩天內進行測試。 Buildera分配了溫度記錄器通道，如下表所示：
渠道
熱電偶標簽/位置
預期范圍
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 [環境] - 設施室周圍空氣溫度
55º-85ºF
然而，在初始設置和驗證期間，在所有熱電偶通道上出現意外的溫度偏移。隨后的調查顯示，與許多數據記錄器和采集系統一樣，SDL200在接合系統上測量多個熱電偶時易受接地環路的影響。這是由于每個測量節點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。
為了說明這一點，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的電壓偏移也會在顯示的溫度測量中產生幾度誤差。使用Agilent（Keysight）U1273A DMM測量熱電偶之間的電壓差，幾乎所有測量誤差都可能與接地傳感器之間的電壓差相關。雖然熱水管和冷水管已經結合在一起，但是在測量點之間安裝附加的大規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踐。
為了減少測量誤差，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。該步驟將每個熱電偶與接地和接合的效果電隔離。薄帶層不會實質上影響目標表面的溫度測量精度，并且消除了傳感器之間的所有接地回路。盡管非接地熱電偶可用，但由于傳感器及其外殼的機械隔離，其熱響應時間通常較慢。
與Onset計算機公司合作，Buildera隨后進行Beta測試，最終將未來現場測量切換到Onset®HOBO®UX120-014M四通道熱電偶數據記錄器的生產版本（圖5），該測量提供了更高的測量精度，電池壽命適合持續數周或數月的擴展溫度研究。無論記錄器選擇如何，用戶必須始終測試接地環路錯誤，并在必要時電隔離每個測量節點。
熱水出口溫度測量-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”銅管熱水出口周圍。在熱電偶安裝期間取下管道絕緣層并重新安裝，以最大限度減少環境溫度對熱水出口測量的影響。由于銅管的高導熱性和快速響應時間，外部管表面溫度近似于實際水溫，其中Buildera通過從源獲得的獨立水溫測量驗證。
冷水入口溫度測量-T [冷]
同樣，Buildera在3/4英寸冷水銅入口周圍安裝了第二個熱電偶，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，這可能不利地損壞溫度讀數。測量冷水供應的基本原理是確認進入的溫度足夠低以在足夠的冷水涌入之后觸發恒溫器。
煙氣溫度測量 -
Buildera在氣體煙道周圍部署了一個Fluke®80PK-11型-KVelcro®熱電偶，用于非侵入性地測量外部煙道溫度。將熱電偶放置在煙道出口上方約6“處的熱水器通風口上。該測量為恒溫器激活提供了一致的代理。在燃燒時，煙道表面溫度幾乎瞬間增加，升至220℉或附近。當達到高跳閘點時，恒溫器關閉燃氣閥。煙道溫度然后急劇下降，提供恒溫器關閉點的可靠指示。在獲取煙道溫度的數學導數之前執行低通濾波和數據的閾值提供了溫度的階躍變化的非常準確的標記。相鄰尖峰之間的時間延遲指示加熱循環的持續時間，其隨后被轉換成二元開/關曲線隨時間的變化。
環境空氣溫度測量-T [環境]
Buildera將一個K型珠熱電偶附著在附近的墻壁上，以測量環境空氣，這對于了解空氣溫度對恒溫器操作的影響非常有用。
測量結果討論
如圖8的繪圖圖所示，溫度讀數持續兩天，具有以下觀察結果：
恒溫器循環4-6次/天，每個循環持續20至60分鐘
實用衣柜內的環境空氣溫度從60º-71ºF不等
在不使用時間段（例如五個或更多個小時）之后，熱水溫度衰減約2.3°-2.6°F /小時至97°-103°F度 - 高于最小閾值以在第二天早晨使用之前觸發恒溫器
在早上第一次使用時，頭部的淋浴溫度在95º-101ºF范圍內，遠低于可接受的最低值
充足的冷水沖洗后，恒溫器打開，觸發加熱循環，溫度升高在0.3º-0.8ºF/分鐘之間，取決于恢復期間的需求
溫度逐漸上升，持續20至60分鐘
給定8-10分鐘的典型噴淋持續時間，在第一噴淋期間沒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上，由于更早的恒溫器激活，存在充足的熱水供應
在5月下旬，當環境溫度相對較暖時收集數據
根據熱力學定律，如果環境空氣溫度低得多（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。
循環泵溶液
憑借法醫知識，補救辦法更加明顯。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，將恒溫器設置提高10ºF至130ºF會將最低熱水輸出提高至107-113ºF，這是更合適的淋浴溫度。實際上，在將恒溫器高跳閘點增加到130°F之后，房主經歷了舒適的淋浴，即使在第一次使用時。然而，該解決方案還由于更高的總體溫度和堆疊效應而增加了燙傷的風險。
此外，這種提升在24小時期間還消耗更多的能量，實際上，僅在早晨或在幾個小時之后沒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垢。考慮到燙傷風險增加和能量需求增加，這種解決方案只是臨時解決冷噴淋困境的一個方法。
循環泵到救援
如前所述，該系統還包括1/2“再循環管線和格蘭富泵。由于擔心過早的銅管侵蝕，再循環損失的增量能耗以及運行泵的電力，所有者之前已停用再循環系統。
為了減輕這些問題，循環泵提供了一種實用的方法來觸發恒溫器，對能量使用的影響可以忽略不計。返回管線中的溫水接近環境空氣溫度過夜，將恒溫器撞擊到加熱循環中。在對泵定時器編程時，恒溫器復位回到120°F。在5:30 AM自動啟動泵幾分鐘，迫使返回管線中的冷卻水使恒溫器跳閘，從而重新加熱水。當第一個乘客上午淋浴時，熱水供應已經達到其目標120ºF的限制。這為至少兩個背靠背淋浴提供了充足的熱水。
進一步改進
雖然這最后一種方法提供了可行的補救措施，但它依賴于泵時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菌，如軍團菌。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，足以殺死細菌。為了避免燙傷，ASSE批準的溫度補償混合值必須在熱水出口之后通過與冷水混合安裝。這樣，從細菌角度來看，罐可以保持在安全溫度，而120°F輸出緩解了燙傷的風險。
這提供了在淋浴期間較慢的熱水消耗的額外的好處，因為罐具有超過目標溫度的熱容量儲備。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，而不管季節或時間。但是，請注意，軍團菌可以在高達122ºF的溫度下保持活性，因此ASHRAE建議在熱水供應和返回期間不低于124ºF。考慮到這些較熱的溫度，防燙水龍頭和混合閥是使用時必不可少的安全措施。
結論
通過使用多通道溫度記錄儀的科學方法和分析，Buildera解決了多年來困擾房主的冷水淋浴的挫折。對溫度分布隨時間的改進的理解產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。在早上重新啟動現有的循環管道是一個替代選擇。在分析期間，注意到其他觀察和改進以減輕細菌堆積，同時防止在使用點的燙傷，包括在水加熱器輸出處添加溫度補償混合閥，與在該點的防燙傷夾具的使用。
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