燃气采暖热水炉生活热水恒温优化方案研究

李 雪 贺 雷 杨焯靖 周梦然 杨为标

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

雾霾的严重化使得政府更加重视推广节能、清洁能源的使用，“煤改气”“煤改电”“煤改清洁能源”等政策不断实施。近年，除北方煤改气政策推动外，南方户用供暖需求也在提升，燃气采暖热水炉行业进入稳步发展的局面[1,2]。

燃气采暖热水炉利用燃气燃烧产生的热量，直接加热热交换器内的水介质形成高温热水，利用热水兼顾室内供暖、生活热水使用。其加热形式为即热式，燃气燃烧的能量与水介质的换热遵循热量公示：

式中：

Q—单位时间换热热量；

m—单位时间流水质量；

c—水的比热容；

T出—热水炉出水温度；

T进—热水炉进水温度。

其工作原理决定了热水出水水温受设备进水水流量和水温影响，夏天使用生活热水时，在用水量集中的时段水流量波动、以及部分进水管道外露暴晒水温高时，热水炉出水温度不能稳定到设定温度，易出现水温波动大和温度偏高问题，用户舒适性体验很差。此类产品异常主要因常规热水炉对水温的控制以输出偏差为基础进行反馈控制, 控制系统对变化的跟踪性能差，且设备最小燃烧功率受限，功率范围不能适应宽域调节，最终导致控温波动大。下文针对多种生活热水恒温方案进行研究分析，确定低成本最优解决方案。

1 生活热水恒温方案

从换热公式上看，结合进水温度、流量（水的质量）精准控制供给换热的热负荷，就可以保障热水炉的生活热水出水温度稳定性，但在常规热水炉上会存在最小热负荷无法匹配进水流量小、进水水温高的情况。以生活热水额定热负荷26 kW的单火排热水炉为例，其最小功率为9.6 kW，当水流量低至3.5 L/min、进水温度20 ℃时，机器设定35 ℃，若整机以出水端检测到T设+5 ℃水温停火的处理逻辑时，实际出水温度可过冲至56 ℃，与设定温度偏差已达到21 ℃。目前市场上燃气采暖热水炉常用的恒温优化方案有：外置恒温罐、恒温混水阀、分段式燃烧、全预混、启停点火温控逻辑等，改善生活热水恒温问题。

1.1 外置恒温罐

恒温罐（水箱）通过感温电信号与热水炉连接实现自动控制，当恒温罐因热量损耗等原因使内部水温低于设定值时，电信号指令壁挂炉工作，到水温再次达到设定温度时，自动停止加热，内部搅拌器使热量均匀，达到出水恒温目的。

该方案的优点是可增大热水流量，在加热功率不变的情况下，相对于即开即热式生活热水生产方式能提供更大的热水流量，同时水温稳定性得到大大的改善，由于具有一定的热水容积，降低了进水温度及流量的波动对热水出口温度的影响。其缺点也较明显，水箱体积大安装繁琐占用空间，成本较高。

1.2 恒温混水阀

在热水炉出水管路加装恒温混水阀，将热水与自来水二次混合，可解决热水炉最小功率大、进水流量小时导致的出水温度过高的问题。恒温混水阀主要采用感温热敏记忆合金的原理，根据水温自动调节热水、冷水进入流量，用户可以在混水阀上二次设定温度进行混水，稳定出水温度，如图1所示。

该方案具有改善出水温度稳定性的效果，但安装时需增加一路自来水进水管，安装工作量变大且对进水流量有一定分流，在水流量不足的情况下效果变差。恒温混水阀成本也较高，难以在低成本热水炉上推广。

1.3 分段燃烧技术

分段燃烧技术在热水炉恒温调节中应用最广，通过在分配器上增加电磁阀控制燃气流量实现对分段式燃烧器火排的精准调节。在进水流量、进水温度以及燃气压力有变化的情况下，配合整机温控逻辑通过快速精准的热负荷调节保持用户所设定的出水温度恒定，实现生活热水舒适恒温。朱高涛等研究了分段燃烧技术恒温调节方案，通过控制器、气阀、电磁阀三者协调工作实现恒温控制[3]，如图2所示。

通过增加燃烧器分段数量，可降低最小热输入功率，与单火排热水炉主要差异在燃烧器、分气杆结构，同时对控制逻辑有较高要求，成本略高。

1.4 全预混技术

全预混燃烧技术通过精确调节燃气和空气预混比例，实现最佳配比来保证充分燃烧，可满足各设定温度的热输入功率需求，热输入功率调节范围更宽，热效率最高，同时降低氮氧化物排放量，减少有害气排放。整机燃烧系统由变频风机、预混腔、密封燃烧器组成，工作过程，由变频风机根据整机温控逻辑调节转速，配合比例阀将燃气和空气在预混腔内进行充分混合后燃烧。热水冬季火力全开，满足大功率热水恒温需求，夏季可低至4.5 kW，解决夏季沐浴水温过高或忽冷忽热问题。

目前全预混技术为密封冷凝式换热，燃烧器会产生冷凝水，易产生换热器腐蚀或脏堵，严重影响其使用寿命，需定期保养[4]。但其维护保养时间不确定性，对用户和售后带来了较大的困扰，待设备报故障时堵塞程度往往已较为严重。

2 启停温控逻辑优化

针对某款生活热水额定热负荷26 kW的热水炉，首代产品采用温度点控温方案，控温逻辑为①温度点停机：感温包检测温度满足T出≥T设+t1；②再点火逻辑：满足T出≤T设-t2；③点火3 s后，进入PID调节（t1，t2均为常数）。此机型标称生活热水进水温度适用范围0～25 ℃，进水流量适用范围不小于5 L/min。投入市场后夏季部分用户反馈使用生活热水温度过高以及忽冷忽热问题，经现场调研，售后用户使用场景存在进水流量小及进水温度高的情况，均偏离产品设计。

模拟用户进水情况，测试不同流量情况下的水温情况，如表1。在进水温度30 ℃，水流量3 L/min时，设定35 ℃，实际出水温度最高达62.56 ℃，与设定温度偏差已达到27.47 ℃，且仍未达到恒温温度，直接达到机组停机温度，出现27.56 ℃的水温波动。当水流量满足设计适用范围5 L/min时，设定35 ℃，出水温度趋于恒温状态，但最高温度到56.7 ℃,出水温度过高。低于设计要求的水流量和较高的进水温度下，最小热负荷较大的热水炉机型温控逻辑对出水体验影响很大，容易出现出水温度高、忽冷忽热等情况。

表1 极限进水温度、流量出水温度（温度点控温）

为在成本较低的情况下提升常规单火排热水炉恒温效果，在热水炉的温控逻辑方案上进行了深入研究。在原温度点控温方案的基础上，改进采用温度变化速率的检测方案，在水量突变时，水温调节速度快，水温变化幅度小，有效避免水温过冲。结合实验摸底调整控温逻辑为①温度点停机：实测感温包T出≥T设+t1且温升速率≥0.5 ℃/0.6 s；②再点火逻辑：满足T出≤T设-t2；③点火3 s后，进入PID调节（t1，t2均为常数）。

控温逻辑升级后，测试不同流量情况下的水温情况，如表2。在极限水流量3 L/min、进水温度30 ℃时，设定35 ℃，实际出水温度最低35.16 ℃，最高42.89 ℃，与设定温度偏差为7.89 ℃，水温波范围在8 ℃内，较原方案27.56 ℃波动有极大改善。温度变化速率的检测方案可解决感温包降温的滞后性带来的温控调节滞后，图示。

表2 极限进水温度、流量出水温度（温度变化速率控温）

热水炉使用温度点控温方案和温度变化速率的控温方案，控温波动明显改善，效果如图4所示。

3 结论

燃气采暖热水炉的生活热水出水温度稳定性对产品的舒适性及用户满意度影响较大，可通过外置恒温罐、恒温混水阀、分段燃烧技术、全预混技术等进行改善，此类方案各有优劣但均涉及成本增加。针对单火排燃气采暖热水炉，通过温控逻辑的优化，采用温度变化速率的监测控制方案，可使其在极限终端工况进水流量低、温度高的情况下，仍获得较稳定、适宜的出水温度，大幅改善低成本热水炉的恒温效果。同时技术方案也可用在中高端热水炉上辅助出水温度控制。