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一位注重节能的房主反映，早晚淋浴时热水不足，尤其在温暖月份更为明显。然而，在一天中的其他时间以及寒冷的冬季，热水却十分充足——甚至接近超过120ºF的烫伤温度。房主将恒温器设置为制造商推荐的节能档位，自安装以来未做过调整。冲洗热水箱及清除积垢后，首次使用时的热水温度并未显著提升。
在进行 forensic 分析前，房主怀疑热水器需要更换——估计维修费用为1200美元，含零部件和人工。为解决这一难题，Buildera 采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现象进行了非侵入性科学分析。为帮助承包商、房主、检查员和物业维护经理应对复杂的热水问题，本应用笔记详细介绍了故障排除方法、实用技巧及解决方案。
关键事实
- 热水温度不稳定，尤其在早晚首次使用时
- 热水不足在温暖（夏季）月份更为常见，而在寒冷（冬季）月份通常水温更高
- 连续淋浴（间隔30-120分钟）时，第二次淋浴热水充足，首次淋浴则热水不足
- 每个淋浴间均配备独立的冷热水阀，而非新型压力平衡阀或限温混合阀
- 这栋2500平方英尺的房屋建于1994年
- 墙壁、天花板、地板和热水管道均按照建造时有效的加州Title-24能源标准进行了隔热处理
- 热水使用点包括三间浴室、一间厨房和带水槽的洗衣房
- 热水器为12年寿命期的50加仑GE天然气储水式热水器，配有双牺牲阳极
- 水箱位于一楼杂物间内，带有外部 combustion-air 进气口
- 评估时热水器已使用约9年
- Robert Shaw 型号 R110RTSP 恒温器设置为120ºF的工作温度
- 从热水器到首个淋浴间的管道长度约为15英尺（5米）
- 输水系统采用3/4英寸L型铜管进水和出水
- 系统包含隔热的1/2英寸铜管循环管路，该管路返回热水器底部，房主此前为节能已将其停用
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尽管北美地区即热式热水器的采用率有所上升，但燃气和电储水式热水器仍在大多数单户住宅、轻型商业建筑和多单元住宅中占据主导地位。操作简便性和更高效的设计使其能源系数（EF）达到0.60至0.90及以上。为清晰起见，本应用笔记重点介绍传统带中央烟道的燃气储水式热水器，尽管许多安全原则（包括防烫伤）也适用于电热水器和高效燃气型号。
图2显示了典型的燃气热水器恒温器，其带有模拟表盘，设置可连续调节，范围从“VACATION（度假）”模式到“HOT（热）”（部分制造商将最高端标记为“VERY HOT（极热）”）。在该表盘范围内，温度从最低60-80ºF到最高150-160ºF不等。水箱制造商、美国环境保护署（EPA）和许多市政当局建议将目标设置为120ºF，以实现能源效率和烫伤缓解。然而，美国职业安全与健康管理局（OSHA）、美国 plumbing 工程师协会（ASPE）和军团菌专家建议水温至少达到140ºF以杀灭有害细菌[1-3]。
为减少意外烫伤并控制月度账单，大多数注重节能的房主将热水器设置为推荐的120ºF。图3说明了健康成人的恒温器设置与烫伤时间的关系。请注意，婴儿、儿童和老年人皮肤更薄或反应速度更慢，因此即使在温度适度升高的情况下，也更容易遭受不可逆的烧伤。物业所有者和维护人员必须特别注意此类居住者的烫伤预防。例如，成年人接触140ºF的水仅5秒就会遭受不可逆的二度或三度烧伤。显然，如此高温的水极其危险，即使对最健康的成年人也可能造成严重伤害，更不用说儿童、残疾人或老年人了。
恒温器对出水温度的控制效果不佳
许多房主和不知情的承包商合理地认为，恒温器设置是出水温度的准确代表。虽然较高的恒温器设置确实会产生较高的平均温度，但当温度波动较大时，平均值的意义就不大了。
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由于大多数恒温器测量水箱底部的温度，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峰值温度甚至高于120ºF的恒温器设置。此外，ANSI标准Z21.10.1-2013允许恒温器精度有±10ºF的偏差，现场工程师报告的偏差范围甚至更大[5]。在极端情况下，热堆叠的允许范围会使温度比目标恒温器设置高出30度。因此，即使在标称120ºF的设置下，热水器也能产生比预期高得多的温度。这种可变性使居住者面临严重且不可预测的烫伤风险，即使在标称120ºF的恒温器设置下也是如此。
冷水淋浴综合征
相反的情况也会发生，即恒温器滞后和待机热损失导致水温远低于预期。与强制空气炉不同（其空气温度保持在目标恒温器设置的几度范围内），热水器恒温器的开关触发点之间存在非常宽的滞后范围。这个范围——宽达20-30度——可消除快速循环和过多的能量损失。这意味着，尽管恒温器设置显示为120ºF，但经过数小时不使用后（尤其是在空气温度最低的夜间），水箱水温可能会降至90-100ºF。水箱水温将继续下降，直到待机损失导致温度降至恒温器最低触发点以下，或者突然的热水需求导致冷水涌入，触发恒温器开始新的加热循环。
淋浴使用点的舒适水温范围通常为105-110ºF。由于热水器和淋浴喷头之间的热损失，管道沿线通常会有2-5度的温度损失。因此，要享受108ºF的淋浴，假设不混合冷水，热水器出口的最低可接受温度应至少为110-113ºF。鉴于上述讨论，即使恒温器设置为120ºF，淋浴喷头处的实际水温也可能低至90-95ºF——远低于令人满意的淋浴温度。难怪许多消费者抱怨冷水淋浴，并得出水箱或恒温器有故障的结论。
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尽管房主倾向于将问题归咎于热水器，但Buildera在调查时并未对潜在问题抱有偏见。相反，使用多通道温度记录仪的公正科学方法指导了所有测量和记录工作。虽然简单的解决方法可能是提高表盘温度并观察结果，但这会掩盖潜在的因果关系，并增加意外烫伤的风险。
进行基线温度测量
当Buildera首次使用浸入式热电偶（如Fluke®80PK-22或类似型号）在各个水龙头处测试水温时，热水温度测得在113-119ºF之间，考虑到热水器和水龙头之间的热损失后，该温度在预期范围内。为了排出管道内的温水，让水自由流动直到温度稳定在接近最大值。这表明，在基线测量时，热水器能够产生足够热的水用于令人满意的淋浴。然而，这些测量不足以了解水温在一天中如何随不同需求负荷变化，更无法解释为什么清晨淋浴温度远低于最低可接受水平。
温度数据记录的考虑因素
为评估整体温度模式，Buildera部署了图4中的Extech®SDL200四通道温度仪，因其具有多通道功能和可移动SD存储卡，便于将数据导出到Apple®MacBook Air®。测试在2013年5月25日至27日期间进行，为期两天，使用针对测量任务优化的各种K型热电偶。Buildera为温度记录仪通道分配如下表所示：
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通道 |
热电偶标签/位置 |
预期范围 |
|---|---|---|
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1 |
T[hot]——热水管道出口温度 |
90º-140ºF |
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2 |
T[cold]——冷水管道入口温度 |
55º-70ºF |
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3 |
T[flue]——外部烟道表面温度 |
70º-300ºF |
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4 |
T[ambient]——杂物间环境空气温度 |
55º-85ºF |
然而，在初始设置和验证过程中，所有热电偶通道都出现了意外的温度偏移。随后的调查显示，与许多数据记录仪和采集系统一样，SDL200在测量接地系统上的多个热电偶时容易受到接地回路的影响。这是由于每个测量节点之间的小电压偏移以及非隔离输入放大器造成的。真正的差分仪器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引起的噪声。
为说明这一点，K型热电偶的热灵敏度为41 µV/°C。因此，即使由于有限阻抗上的接地电流差异导致仅100 µV的电压偏移，也会在显示的温度测量中造成几度的误差。使用安捷伦（是德科技）U1273A数字万用表测量热电偶之间的电压差，几乎所有测量误差都与接地传感器之间的电压差相关。尽管热水和冷水管道已经连接在一起，但在测量点之间安装额外的粗 gauge 铜 bonding 线略微降低了阻抗和偏移误差，但不足以成为最佳实践。
为减轻测量误差，Buildera 使用一层薄的 Kapton®聚酰亚胺胶带重新安装了除一个以外的所有热电偶。这一步骤将每个热电偶与接地和 bonding 的影响电隔离。薄胶带层不会对目标表面的温度测量精度产生实质性影响，并且消除了传感器之间的所有接地回路。虽然有非接地热电偶可用，但由于传感器及其外壳的机械隔离，它们的热响应时间通常较慢。
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热水出口温度测量——T[hot]
Buildera ThermaDur™K型管道夹表面热电偶（如图6所示）安装在3/4英寸铜管热水出口处，距离热水器顶部约1英寸。安装热电偶时移除了管道隔热层，安装后重新安装以尽量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，管道外表面温度接近实际水温，并通过从源头抽取的独立水温测量进行了验证。
冷水入口温度测量——T[cold]
同样，Buildera 在3/4英寸冷水铜管入口处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，以免对温度读数产生不利影响。测量冷水供应的理由是确认进水温度足够低，以便在足够的冷水涌入后触发恒温器。
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Buildera 在燃气烟道上部署了 Fluke®80PK-11 型 K 型 Velcro®热电偶，以非侵入方式测量外部烟道温度。热电偶放置在热水器通风口上，距离烟道出口约6英寸。该测量提供了恒温器激活的一致代理指标。启动时，烟道表面温度几乎瞬时升高，达到约220ºF。当达到高触发点时，恒温器关闭燃气阀。烟道温度随后急剧下降，提供了