燃气热水器恒温性能的优化与提升

1 引言

燃气热水器凭借出水速度快的优势得到消费者的认可，但消费者对产品的体验要求也越来越高，如增强使用过程中的安全预警功能、避免使用过程中出水温度忽冷忽热、关水后二次开水不出夹生水、打开水龙头后出冷水时间长；天气的变化如刮风、下雨、低气压等现象导致机器不能正常工作或烟气倒灌等。如何解决这些发展中的难题，成了燃气热水器行业技术攻关的课题[1-4]。

本课题主要是通过改变热水器内旁通管路的设计，同时结合用户家实际使用中存在的各种环境因素，设计一款具有出水温度恒定不变的燃气热水器。

2 方法与实验

2.1 双水量伺服器恒温系统的管路设计

本设计将进水管和出水管之间的固定旁通管（结构原理如图1所示）更改为增加了自动调节水量变化的水流量伺服器实现自动调节旁通水流量的管路（结构原理如图2所示），主要目的是当进水流量或进水温度发生变化时，主管路和旁通管路水量伺服器自动调节冷水量和热水量的大小，合理调节冷热水的混合比例，实现出水口的混合水温达到设定温度[6]。

其中：Q1/t1流经旁通管路水路的流量和温度；

Q2/t2流经换热部分水路的流量和温度；

Q3/t3流经主路管路的流量和温度。

2.2 关键负载的选用及测试

测试水量伺服器和强排风机的运行规律，制定软件控制方案，实现冷水和热水的精准混合比例。

2.2.1 水量伺服器的测试

（a）水量伺服器脉冲频率与水流量关系式测试

在调节水流过程中，水量伺服器需要将霍尔元件的数字信号转化为模拟信号，通过测试霍尔反馈的频率f（Hz）与水流量的对应关系，建立数学关系式，引入控制软件，测试数据见图3所示。

（b）测试水量伺服器的运行轨迹与水流量的关系

将水量伺服器连接入整机中，调整进水口的压力大小，使机器出水口的流量为10L/min，将水量伺服器由全开状态下调节至最小，测试整机出水口的流量大小，测试数据见图4所示。测试数据的运行轨迹应用到软件控制中，可以根据所需的流量来控制水量伺服器的运行，实现精准控制。

2.2.2 强排风机的选用

关注风机的风量是否满足整机的要求。按照25kW的燃气热水器在1标准大气压力、15℃温度下的燃气流量为2.5m3/h计算，过程空气系数为2，所需要的空气量约为50m3/h(约0.83m3/min)，测试风机在不同转速对应不同的压力与流量，指导风机选型，具体测试数据如图5所示[7]。

图1 带固定旁通管路的热交换器结构原理图

图2 可调旁通管路的热交换器结构图

图3 霍尔元件频率与水流量之间的关系

图4 水量伺服器运行过程中与水流量之间关系

当整机的测试条件发生变化，整机的阻力曲线也不同。确定整机阻力曲线是一组抛物线，用y=ax2来表示，通过拟合的方式计算出该曲线函数关系中的a值，此a值的变化与整机状态有关。

将强排风机安装在整机上之后，配备标准排烟管和加长烟管，在整机的负荷保持不变时，将风机的转速提高或者降低，通过烟气分析仪测量过剩氧气量、过剩空气系数，并测量风机出口处的风压，可换算出在不同转速下，风机的出风口处压力与风机输出风量之间的关系，具体测试数据形成的曲线见图6。通过阻力曲线的绘制可以了解整机燃烧时在不同状态下的燃烧工况[8-9]。

3 控制系统的硬件设计

3.1 直流风机控制电路

直流风机控制电路原理图如图7所示，驱动电路根据MCU输出的PWM波形控制MOSFET的开通和关断，再经过滤波平滑电路，生成稳定的电压供给直流风机。PWM占空比决定输出到直流电机上的平均电压。而且输出电压可以无级连续调节，本电路就是采用此原理实现直流电机的无级调速。风速反馈电路是根据风机内霍尔元件产生的信号反馈MCU。

电压/电流采样电路是把风机的电压/电流值与未燃烧之前风机自学习时的风机电压/电流值进行比较，来进行判断目前是有风堵现象还是降风现象，如果有风堵现象则MCU进行输出PWM调节，提高风速，如果出现燃烧火焰离焰现象，则降低风速，以保证风量的恒定。

3.2 水量伺服器控制电路

水量伺服器控制电路是根据控制系统的需要，及时调节水量伺服器中步进电机的转速，以改变管路中水流量的大小，实现恒温调节，同时判断水量伺服器是否存在故障[10]。

水量伺服器的控制电路框图如图8所示。

水量伺服器驱动电路用MCU输出的方波信号来驱动水量伺服器的运行，本电路系统用ULN2003APG芯片来驱动水量伺服器工作。

4 控制系统软件设计

4.1 水量伺服器控制逻辑

为保证二次开水的恒温效果，须在关闭出水口后水量伺服器应该进行相关缩水动作，具体控制逻辑如下：

旁通管路水量伺服器控制逻辑：关闭出水口后，旁通管路水量伺服器运行至固定默认状态，当二次打开出水口后，旁通管路水量伺服器进行缩水动作，最终将流量控制在1L/min附近。

主路水量伺服器控制逻辑：关闭出水口后，主路水量伺服器进行缩水动作，步进电机运行至关水前水流量的50%，开启出水口时，机器的燃烧负荷为上次稳定燃烧的工作状态，当出水温度达到设定温度时，主路水量伺服器放大流量至机器能够达到的工作负荷。

水量伺服器控制作为主控制程序的一部分，需要考虑设定温度的变化对控制系统的影响。设定温度决定了开机时水量伺服器的状态，当设定温度小于等于50℃时，主路水量伺服器调至全开状态，旁通水量伺服器调节至1L/min附近，随着出水温度的变化及时调整旁通水量伺服器的大小，实现出水温度恒定。当设定温度大于50℃时，旁通水量伺服器调至关闭状态，主路水量伺服器根据燃烧最大能力的85%以内调节合适的水流量，流量不能低于5L/min[11-12]。

4.2 风机转速控制

整机在相同的燃气输出时，由于过剩空气量不同，将导致整机中风机的功率不同，具体参照图9变化曲线分布关系。

通过改变整机出烟口的阻力调节整机阻力，将风机转速调定后,测试当前状态下的风机功率。燃烧过程需要找到燃烧的标准燃烧曲线（过剩O2体积分数为9.5～10.5%之间）、离焰燃烧曲线和不完全燃烧曲线，记录不同燃烧曲线的过剩O2体积分数。设计时将风机通过调节风机的功率，使得整机的燃烧过程控制在离焰燃烧曲线和和不完全燃烧曲线之间的有效范围内。软件控制的部分逻辑如图10所示，考虑到与本研究的相关性，点火和恒温燃烧的控制逻辑缩略表示[13-15]。

图5 不同转速下的P&Q特性关系

图6 整机的阻力曲线与风机P&Q曲线

图7 直流风机控制电路原理框图

图8 水量伺服器控制电路框图

图9 风机转速与风机功率的变化曲线

表1 热水温度稳定时间测试记录

表2 热水温度稳定时间测试记录

5 结果

双水量伺服器恒温型燃气热水器由国家燃气用具质量监督检验中心实验室和中国家用电器研究院实验室测试完成，具体测试结果如下：

5.1 停水温升试验

设定热水器的进水压力0.1MPa，进水温度20±2℃，出水温度设定为42℃，最大燃烧负荷为32kW，调节出水流量，在不同流量下测试机器的停水温升。热水器在8L/min的流量下，测试出水温度变化曲线如图11所示。

人体皮肤感知到温度变化的温差是1～3K，温差超过5K时用户体验水温过烫。根据图11可知，双水量伺服器恒温型燃气热水器的停水温升最大不超过1K。

普通恒温型燃气热水器的停水温升一般超过5K[16]，双水量伺服器恒温型燃气热水器比普通恒温型燃气热水器的停水温升有很大的改善。

5.2 热水温度稳定时间的测试

试验条件：燃气条件为基准气—额定压力，供水压力为0.1MPa，电压为额定电压，进水温度为20±2℃。

首次开机热水温度稳定时间的测试方法：将出水温度设定在比进水温度高30K±2K（设定温度为Tr），打开热水器出水口的水阀并用秒表开始计时，观察出水口的水银温度计测试的实际温度达到Tr±0.5℃时止，记录热水器的升温时间，关闭出水阀，关闭电源开关。打开电源，重复上面的动作，进行二次测试，连续测试5次，取平均值，即为热水器首次开机热水温度稳定时间，见表1所示[16]。

从表1看出，双水量伺服器恒温型燃气热水器首次开机热水温度稳定时间为8s，低于国家标准规定的60s，比普通恒温型燃气热水器的热水稳定时间提高了70%以上，达到快速出恒温水的目的，达成了本次设计的预定目标。

5.3 出水温度波动的测试

水温波动的测试方法：试验条件同上文，将热水器的温度调节至35℃～48℃中的任一温度，恒定水流量和进水温度，稳定后运行5min，连续在出水口测量出水温度，10min内测试出水温度的最大值和最小值，并记录偏差值。相关数据见表2[17]。

从表2得知，双水量伺服器恒温型燃气热水器正常运行时水温波动仅为0.5℃，低于用户能感知的温差范围，低于国家标准规定的±3℃，优于普通恒温型燃气热水器波动范围。

5.4 水压波动的测试

水压波动的测试方法：将出水温度设定在比进水温度高25±1K，当温度稳定后，用增加水压的方式增大水流量，使机器达到最大热负荷时的水流量为Qmax。逐渐降低水流量至0.8Qmax，温度稳定后记录温度值Tr，在2s内将水流量调至0.6Qmax，并开始计时，测量热水器出水温度稳定在Tr±2℃的时间；再将水流量从0.6Qmaxx调至0.8Qmax，出水温度稳定在Tr±2℃的时间，取两次试验所测时间的平均值。

热水超调幅度的测试方法：流量从0.8Qmax降低至0.6Qmax时出水温度的最大值和水流量从0.6Qmax升高至0.8Qmax时出水温度最小值，记录与Tr的最大偏差。相关测试数据见表3。

图10 软件的控制逻辑

图11 二次开水时出水温度的变化曲线

从表3看出，当水压波动时，双水量伺服器恒温型燃气热水器热水温度稳定时间相当于零，而超调幅度在±0.5℃范围内，人体感温系统感觉不到温度的变化。（热水温度稳定时间按照±2℃判定）

5.5 室外风压对热水器启动及出水温度影响的测定

此项性能主要针对北方地区冬季室外风力较大时，燃气热水器不能正常启动或在使用时出水温度忽冷忽热的现象，需要在低温、有风条件下进行试验。

试验条件：环境温度为5±1℃，燃气条件为基准气-额定压力，供水压力为0.1MPa，电压为额定电压，进水温度为10±2℃，选用热水器最大燃烧热负荷32kW，标准排烟管，出水温度设定为42℃。

强风干扰启动：在排烟管尾部施加0～20m/s风速进行干扰，启动热水器，观察热水器能否正常点火启动并观察火焰颜色是否正常，每次间隔10min，连续启动10次，记录热水器正常启动点火的次数。表4为不同结构功能型热水器正常启动的数据对比。

根据表4得知，具有高抗风功能的双水量伺服器恒温型燃气热水器，在室外8级强风的干扰下，热水器能够正常点火启动，且无回火、黄焰、离焰等不良现象，而普通恒温型热水器则不能点火启动。

强风干扰对热水器恒温性能的影响：启动热水器，保持恒定水流量和进水温度，稳定后运行5min，在排烟管尾部从不同方向施加0～20m/s风速进行干扰，连续在出水口测量出水温度，10min内测定出水温度的最大值和最小值，并记录偏差值。连续测试三次，取其平均值。测试数据与其他结构热水器对比见表5所示。

从表5看出，具有高抗风功能的双水量伺服器恒温型燃气热水器，在正常运行中施加8级强风干扰，出水温度变化在±0.5℃范围内，小于人体对温度感知的变化范围内，人体不会感觉到出水温度忽冷忽热。

表3 热水温度稳定时间和热水超调幅度测试记录

表4 强风干扰启动对比

表5 热水温度稳定时间测试记录

6 结论

本文通过对双水量伺服器恒温型燃气热水器的结构及恒温控制系统的改进优化，从用户的真实体验出发，从影响洗浴体验性的恒温舒适性入手进行改进优化，并对最终优化的产品进行恒温性能的测试，可以达成以下结论：

双水量伺服器恒温型燃气热水器的设计，全面考虑了用户在使用过程中进水压力变化、外部风压变化、多点用水的不确定性、用户对快速出热水的诉求、气压/气质条件的变化、热水器自身结构缺陷等诸多因素，解决了出水温度不恒定、出热水慢的难题，为行业发展提供理论参考和数据依据。

双水量伺服器恒温型燃气热水器的设计充分考虑了全国各地的环境差异、用气差异、用水差异、用电差异，开创了国内同一型号的产品通用于全国大部分地区的先例，打破了燃气热水器行业根据区域定制不同产品的难题。

双水量伺服器恒温型燃气热水器系统控制方面需要结合燃烧系统的设计进行性能调节匹配。

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