燃气采暖热水炉热水舒适性提升方法探讨

■ 徐麦建 林林勇

（广东万和热能科技有限公司，广东佛山，52832）

0 前言

近年来，以燃气采暖热水炉为核心, 末端由散热器或低温辐射地板采暖组成分户独立采暖系统，以其突出的节能、舒适、环保优势，成为分户供暖系统的主力军。随着人们生活水平的提高，用户对热水舒适体验度要求越来越严格。

燃气采暖热水炉作为供暖与热水双重功能的热源设备，生产商往往重采暖轻热水，其热水功能与燃气热水器有着较明显差距，用户反映使用热水过程中最为突出的问题是等待时间长、忽冷忽热，严重降低燃气采暖热水炉适用性以及舒适性，因此有必要对现有常规燃气采暖热水炉生活热水功能以及外部热水系统进行优化。

1 常规燃气采暖热水炉热水舒适性分析

欧洲标准EN 13203-1标准中规定了6个评估热水舒适性指标分别为：①加热时间tm（s）；②流量变化温度波动ΔT1（K）；③流量恒定温度波动ΔT2（K）；④水流量变化时的温度稳定时间ts（s）；⑤最小额定水流量Dm（L/min）；⑥连续供应期间停水温升ΔT3（K）。结合广大用户切身感受，参考热水舒适性的其中3个指标包括加热时间，流量变化引起的温度波动，以及连续供水周期的温度波动来分析常规燃气采暖热水炉卫浴性能，在实验室对常规燃气采暖热水炉进行测试分析。

所选用的常规燃气采暖热水炉为板换机，其额定热输入为26kW，额定热输出为24kW。卫浴进水温度为20℃±1℃，热水温度取样点为燃气采暖热水炉卫浴出水嘴，记录室内温度为22℃，环境湿度85%～90%。

1.1 加热时间测试

测试方法参考GB25034-2020，并结合用户实际使用要求对温升及流量参数做了调整，分别设置7L，温升35℃（满足用户冬季最低水流量及洗浴温度），10L,温升25℃（满足用户春秋季节较为舒适流量及洗浴温度）。记录卫生间出水温度，实验结果如图1、表1所示。

表1 加热性能

表1中，流量7L，△t=35℃,出热水时间为56s，流量10L，△t=25℃出热水时间为51s。随着卫浴水温越升越高，流量越大，其加热时间将更长。与相同功率的燃气热水器其加热时间t≤20 s相比，距离相差明显。燃气采暖热水炉相比燃气热水器其预清扫时间更长,且热水是通过间接加热的或通过板式换热器或套管水加热,因此卫浴水加热时间较长。

1.2 连续供水,开关末端水阀对水温波动影响

设置燃气采暖热水炉进水流量为10L，温升25℃,模拟用户在使用生活热水过程中任意时间关闭热水末端，记录热水温度变化，测试结果如图2所示：

图2 常规燃气采暖热水炉水温超调

图2中，启停阶段最高温度为47℃（停水生产的最高温升），最低温度为27℃（开水阀产生最低冷水温度），其水温偏差为+2℃/-18℃,有关标准对停水温升做了限定，主要从安全性考虑，保证即使短时间频繁开启也不会出现热水温度过高而危及人身安全的情况，而所采用的常规燃气采暖热水炉为板换机，停水温升较低。但关水后再开水，水温大幅突降，即使是瞬间也会引起身体不适应，大大降低燃气采暖热水炉的热水舒适性。

1.3 水流量波动引起的温度变化

设置燃气采暖热水炉初始进水流量为10L，待热水温度达到目标温度稳定后，流量迅速变化至7L，待温度趋向稳定，再将水流量迅速提到10L,记录整个周期热水出水温度变化情况。

从图2水流波动阶段，当水流量在7L与10L波动时，温度变化范围47.4℃～41.2℃，偏离目标温度+2.4℃/-3.8℃,当水温变化超出2℃时,用户将感觉到明显的忽冷忽热。

目前国内普遍采用PID控制方式及采用模糊控制算法，其控制原理是根据出水温度变化趋势与温差关系调整控制参数或控制输出量，对调节过程稳定性有较好的作用，但由于恒温系统具有非线性和滞后性的特点，尤其是受到控制系统离散性及换热器的热惯性影响，PID参数难以确定，对于燃气采暖热水炉启停和水流量较大波动时，响应时间较长，因此单从恒温控制程序来改善加热时间和水温超调作用不大。

2 燃气采暖热水炉热水系统优化

根据以上分析，要缩短常规燃气采暖热水炉的加热时间以及水温超调幅度,单从恒温控制程序上难以有较大的改善,同时用户用水是从末端打开水阀直接感受,为实现即开即热，热水温度恒定, 一方面从燃气采暖热水炉自身内部结构上改善,另一方面对外部系统管道进行优化。

2.1 采用水比例控制方案分析

目前市场上的燃气采暖热水炉一般只实现燃气比例控制，即根据进水流量大小，温度对燃气流量进行控制，而无法对卫浴进水流量进行比例调节，因此当进水流量大，冬天温度低时，燃气采暖热水炉加热时间自然就慢，有的用户选用的燃气采暖热水炉功率较小，出现加不热的现象，如能进行燃气与水流量双向调节，即可缩短加热时间，同时当水流出现较大增幅时，通过水比例阀快速将水流量减少，以使热水快速恒温，然后再将水流逐渐加大，保持热水温度不变。

本实验对具有水比例调节功能的燃气采暖热水炉进行测试，设定进水流量为10L,温升25℃，测试其热水加热时间及水流波动对恒温性能影响，其结果如图3，同时对比普通燃气采暖热水炉加热性能。

图3 水比例控制恒温性能

在点火加热阶段，达到目标温度45℃时，无水比例控制燃气采暖热水炉加热时间为44s，而有水比例调节加热时间为32s，速度提升27%，随着温升增高，水比例阀调节作用将更加突显。当水压从10L迅速增加到14L时，无水比例阀调节最大降幅达到-4.3℃,最后稳定温度为42℃，无法加热到目标温度。当有水比例阀调节时，水温波动为1.5℃,且温度快速稳定在45℃。随进水流量的增大，水比例阀调节恒温作用将更加突显。水比例控制技术应用具备以下优点：

①启动时其自动降低水流量以加快出热水速度,其综合加热速度较传统燃气采暖热水炉提升30%以上；

②在使用过程中，当进水流量发生变化时会自动修正进入机器内的水流量，保持相对一致，以减少水温波动；

③当因冬天进水温度过低，燃气流量已达最大值时，温度仍无法满足沐浴需求，其会自动修正水流量以使出水温度达到需求值；

④在用气高峰因用气量过大而造成供给不足时，温度达不到需求，会自动修正水流量确保温度不变。

2.2 采用内置储水罐方案分析

缩短燃气采暖热水炉由启动到恒温整个缓慢加热过程，可以通过在燃气采暖热水炉内部增加一个小体积带盘管储水罐，其工作原理如图4，当储水罐内部水温低于启动温度时，燃气采暖热水炉由外部供暖状态，通过电动三通将供暖水切换到水罐盘管回路，以水罐内的储水进行换热。当达到所设定温度后，自动转为外围供暖状态，当检测到有使用生活热水时，且储水罐水温低于启动温度，燃气采暖热水炉优先加热卫浴水。考虑到储水罐内的盘管面积小，加热能力有限，因此机器正常使用生活热水是通过板式换热器来换热。

图4 原理图

此机型的最大优点在于提供即热恒温热水，减少了燃气采暖热水炉由启动到恒温整个缓慢加热过程，单使用少量热水时，可直接从储水罐放出少量的水满足需求，而无需启动采暖热水炉避免了机器频繁启动，减少能耗浪费。此类燃气采暖热水炉采用的储水罐体积一般为25L～30L，进水流量的波动以及末端用水的启停引起的温度变化，水流经过储水罐后，进行缓冲混合，因此对进水温度变化有很好的过滤作用，出水温度控制在≤±2℃，由于增加了储水罐，整机体积增加接近1倍，占用较大安装空间。

2.3 采用热循环零冷水系统分析

热循环零冷水系统是对燃气采暖热水炉内部热水管道及外部输水管道上的冷水进行预热达到目标温度，用户开水阀时即迅速出热水。实现该功能需在燃气采暖热水炉内部热水系统增加高扬程直流循环水泵以及恒温缓冲水罐，其外部管道布置如图5所示：

图5 外部管道连接

其工作原理是通过反复加热，使得系统管道处于保温状态。当系统管道水流温度降低至启动温度时，燃气采暖热水炉启动加热，在水泵的作用下不断将管道冷水循环加热，当达到目标温度停止加热。当打开末端水阀时，燃气采暖热水炉检测到水流信号，再进入卫浴模式正常工作状态。

由于热循环零冷水系统是对管道水提前预热，因此很好的解决燃气采暖热水炉热水加热时间长问题，实现水阀即开即热，有效的避免管道冷水的浪费，节约水资源。该方案通过对系统进行测试，分析用户开关热水末端阀门以及水流量波动引起的温度变化得到的改善程度。

其测试条件与方法按上述1.2和1.3，将测试数据整理如图6，并与常规燃气采暖热水炉热水性能进行对比分析。

图6 热循环系统水温超调

通过表2可以了解到采用热循环零冷水技术，对用户开关热水末端阀门以及水流量波动引起的温度变化有较大的改善。

表2 水温超调对比

对热循环零冷水系统，当水压波动时，经过热交换器一次换热后的水温发生变化（与设定温度存在一定的温差）通过与内置的缓冲水罐内恒温水充分换热后，温差必然会减少，洗浴过程中感觉不到水温明显变化。缓冲水罐容积大小直接影响二次加热恒温效果，容积越大，恒温效果越佳，同时还要结合整机空间结构布局，以最终确定容积，以上测试选用了1.2L恒温水箱。

3 对比与总结

通过以上测试分析对常规燃气采暖热水炉从自身结构及外部系统优化，结果表明各项解决方案在不同程度的改善热水舒适性，具体如表3所示。

表3 方案性能对比

从表3可以看出，常规燃气采暖热水炉增加水比例阀控制以及采用热循环零冷水系统两者均有明显的应用优势，可以采用两者方案结合进行设计 ，实现即开即热，让消费者告别热水等待和浪费，有效的缓解洗浴过程中忽冷忽热现象，且成本低、不增加额外的安装空间，解决困扰用户多年的痛点，提升常规燃气采暖热水炉的适应性及舒适性。