零冷水型家用燃气热水器设计原理及测试方案

朱连喜 郑暾

伊莱克斯（杭州）家用电器有限公司 浙江杭州 310000

1 引言

在近几年的热水器市场中，产品演变正朝着安全、方便、舒适、节能、健康的方向发展。随着消费不断升级，人民对生活热水的诉求也在不断的变化，舒适性和体验感极佳的燃气热水器越来越受到消费者的青睐[1]。据权威部门统计2017年中国热水器市场，燃气热水器占据48%的市场份额，价格上涨12%，热水器市场正在朝精品化、智能化方向发展，用户在购买时更加注重产品带来的舒适体验。

普通型家用燃气热水器在实际使用过程中，每次都需要先放掉一定量的冷水，才能使热水达到预设温度，不仅造成水资源的浪费，而且还必须要等待一定时间。尤其在洗澡时，“忽冷忽热、等待热水时间过长”给消费者造成极差的用户体验[2]。“即开即热”是以消费者名义为核心的产品开发趋势，也是当前燃气热水器行业热门技术之一。当下各大燃气热水器厂家纷纷推出或将要推出零冷水型燃气热水器，实现“即开即热”，并解决“等待热水时间过长”和“沐浴中水温忽冷忽烫”的两大消费痛点[1]，中国燃气热水器行业即将步入“零冷水”时代。我公司最近研发出一款能够克服消费痛点的热水器：零冷水型智能恒温燃气热水器。该款热水器是在普通燃气热水器基础上进行优化，增加循环泵和恒温水箱。其特点在于不仅即开即热，而且能将恒温热水快速传遍全屋。本文对该热水器的零冷水设计原理进行剖析，提供测试方案，仅供参考。

2 零冷水循环系统内部结构及控制方式

零冷水型燃气热水器内部结构如图1所示，通过热水器内置循环水泵和mini恒热水箱，循环加热管路冷水，mini恒温水箱过滤温度波动，实现即开即热的热水需求。

零冷水型燃气热水器的冷水循环系统主要在用户即将使用热水或不使用热水时达到提前预热的功能,具备单次循环、定时循环、全天循环等多种智能循环模式，满足用户不同的使用习惯,当远端用水龙头打开热水器在正常工作工况时，循环水泵进出口无压差，自来水由进水口直接流入热交换器加热，热水器工作状态与普通热水器工况一致，工作原理如图2所示。当远端用水龙头关闭，管路水温低于用户设定水温时，温控器发出水路循环加热指令，循环泵驱动工作，将热水器出水口与用水龙头之间的冷水回抽至热水器进行循环加热，直到温控器检测到循环管路水温达到设定温度时，循环泵停止工作，直至温控器再次发出循环指令（通常设置循环水温度为35～42℃之间），工作原理如图3所示。

图1 零冷水型燃气热水器内部结构

图2 零冷水燃气热水器正常工况原理图

图3 零冷水燃气热水器预热工作原理图

3 零冷水型热水器的管路系统连接方式

3.1 普通型热水器管道流量分析

普通热水器由于燃气滞后水流加热，初始加热段未达到额定热效率，加上管道内的残余冷水，所以每次使用热水时存在一部分水未充分加热就被排出[3]的情况。由于各个用户热水器距离用水龙头的长度及各个品牌热水器点火效率的不同，从水龙头打开至水温升至设定温度时间都有差异，根据实际经验，从水龙头打开至水温升至设定温度时间约为5～15s，以最常用水管尺寸D20为例，检测正常水流量数据如表1所示[4]。

3.2 零冷水装置的管路连接系统

零冷水型燃气热水器在机身设计上增加了回水管路接口，无论是新房装修还是老房换装，都可使用[5]。其外部管路连接方案主要分为两种：一种是通过在出水管与用水点供应冷水的冷水管之间设置一段与用水点的混水阀并联的单向管路，使得热水器、出水管、并联单向管路、冷水管形成循环管路，管道系统设计原理如图4所示，这种方案充分利用了用户家中原有的冷水管路，用户不用改造现有的管路设计就能实现零冷水的管路循环，施工比较简便。

另外一种连接方式是对新房装修或有回水管路用户，其外部管道系统连接如图5所示，将回水路一端与热水器的回水口连接，另一端与屋内最远端用水点的热水出水管连接，通过零冷水燃气热水器的循环水泵控制直接将热水管路内的冷水段抽回燃气热水器进行循环加热，达到真正的零冷水体验。

4 零冷水型燃气热水器实验分析

为模拟零冷水燃气热水器的实际使用情况，设计如图6所示的实验原理研究平台，采用电热水器模拟用户回水管路，使电热水器的加热系统失效，仅让其温度检测功能显示内胆水温，搭建实验平台，通过控制各个位置的球阀开关验证零冷水燃气热水器各个工况的实际使用性能。

表1 自来水管水流量与时间的测试数据

表2 实验模拟数据对比

实验步骤如下：

（1）打开球阀1，2，3，4，关闭球阀5，6，验证热水器是否能正常工作；

（2）打开球阀2，3，5，6，关闭球阀1，4，直至球阀5有水流出则说明电热水器内胆注满水；

（3）打开球阀1，3，6，关闭球阀2，4，5，启动热水器零冷水循环加热模式；

（4）待零冷水预热模式运行停止，记录电热水器内胆水温并与设定温度数值对比，结果如表2所示。

实验结果表明电热水器内胆水温与设定温度误差不超过1K，表明零冷水功能运行正常[3]。

图4 无回水管路零冷水型热水器管路连接系统图

图5 零冷水燃气热水器管路系统图

图6 实验原理图

5 结论与展望

从目前热水器市场的信息反馈，消费痛点是企业研发的突破方向，也是市场终端的竞争亮点，与传统燃气热水器相比，零冷水燃气热水器的mini恒温水箱保证了热水器使用过程中的恒温性能，有效防止了热水器使用过程中等待时间过长和忽冷忽热的弊端，显著提高了用户使用的舒适性；与普通燃气热水器相比，零冷水燃气热水器有效地解决了用户长期使用的浪费问题；零冷水预热系统能提高产品市场的核心竞争力，并且可以和其他创新技术共融[6]。

提高用户体验是热水器发展的必然趋势，零冷水型燃气热水器优势明显，近年以来，林内，A.O.史密斯，万和，万家乐等主流品牌的高端阵营中都有零冷水燃气热水器，它们以强大的市场实力引导着消费者的消费倾向和消费理念，这会使零冷水燃气热水器的知名度提升，不久的将来必将成为热水器产品发展的主要方向之一[1][7]。

[1] 连晓卫. 零冷水燃气热水器火起来. 现代家电. 2016(15):57-58.

[2] 方彦奎，程清伟，潘东文，刘立宇. 一款新型燃料热水器节水装置的设计探讨. 科技创新与应用，2015(21).

[3] 孙千惠. 家用热水器冷水自动节水装置设计及应用分析. 科技创新与应用，2016(03).

[4] 张国义，刘宸硕. 燃气热水器的节水设计与研究. 安徽建筑，2015(03):180-182.

[5] 雷亮. 空气源热泵热水器控制系统的设计. 西南交通大学，2012.

[6] 毛丽丽, 高欢. 浅析节约冷水直接出热水型热水器. 科建园地，2014.

[7] 尹丹桂，王琼. 燃气热水器智能节水装置研究与设计. 大众科技，

2016,18(205 ):43-44.