燃氣熱水器恒溫性能的優化與提升

嚴利政

摘要：燃氣熱水器恒溫性能是用戶關注的焦點，各燃氣熱水器生產企業圍繞恒溫的研究提出多種解決方案，但是不能從根本上解決出熱水等待時間長、出水溫度忽冷忽熱、二次開水不出夾生水等行業難題。針對如上問題，本文提出一種改變燃氣熱水器的管路設計和控制系統的研究方法。通過該方法，可實現開機后出水溫度穩定時間不大于8s，出熱水溫度變化控制在±1℃。

關鍵詞：燃氣熱水器；恒溫性能；優化；提升

燃氣熱水器憑借出水速度快的優勢得到消費者的認可，但消費者對產品的體驗要求也越來越高。如何解決這些發展中的難題，成了燃氣熱水器行業技術攻關的課題。本研究主要是通過改變熱水器內旁通管路的設計，同時結合用戶家實際使用中存在的各種環境因素，設計一款具有出水溫度恒定不變的燃氣熱水器。

一、燃氣熱水器恒溫技術

恒溫技術滿足了人們對燃氣熱水器產品使用實用性、舒適性的綜合要求。恒溫技術是用控制的手法，實時監控一切和溫度相關的參數、變量，如進水溫度、出水溫度、燃氣閥開度、水流量大小等，通過單片機運算和程序控制，即時調整燃氣閥的開度，或者切換燃燒方式，進而達到在較短時間內維持設定溫度并使之恒定的口的。

恒溫燃氣熱水器需要一個功能強大的指揮中心，這就是恒溫控制器。恒溫控制器通過硬件電路設計，將所有與燃燒、恒溫相關的信息用電信號有機聯結起來。與燃燒有關的有火焰信號、開關閥的開與關、氣閥的開與關、驅動風機的運轉等，與恒溫相關的有進水溫度、出水溫度、水流傳感信號、燃氣閥的開度調節、風機轉速的跟隨變化等，所有這些制約因素在控制器的全盤計劃和安排下，協調地工作：水流傳感器將水流信號輸送給單片機，進、出水傳感器也將水溫信號輸送給單片機，單片機根據設置的溫度，與進水溫度、單片機根據實際出水溫決定燃氣閥的開度大小的增減，在穩定的情況下趨于恒溫；當外界條件變化時，控制器單片機通過類似的方式進行快速響應，并做出預判和細調，改變氣閥開度和風機轉速，對應改變燃燒情況及加熱強度，達到出水溫度恒定的口的。

恒溫技術中不應忽略的技術在于，控制器系統在合理調節恒溫的同時，需兼顧燃燒情況。任何為達到恒溫的指令，均意味著熱水器工作熱負荷的變化，也伴隨著燃氣閥開度的調節，為了保證高質量的燃燒工況，應使得風機轉速以一個合理的取值跟隨變化，才能滿足熱負荷、燃燒工況的要求。所以，恒溫技術綜合了燃燒技術，是燃氣熱水器技術中最富技術含量的關鍵技術之一。

二、燃氣熱水器恒溫性能的優化與提升

燃氣熱水器憑借出水速度快的優勢得到消費者的認可，但消費者對產品的體驗要求也越來越高，如增強使用過程中的安全預警功能、避免使用過程中出水溫度忽冷忽熱、關水后二次開水不出夾生水、打開水龍頭后出冷水時間長等。如何解決這些發展中的難題，成了燃氣熱水器行業技術攻關的課題。基于此，以下對燃氣熱水器恒溫性能的優化與提升進行了設計闡述。

（一）雙水量伺服器恒溫系統的管路設計

本設計將進水管和出水管之間的固定旁通管更改為增加了自動調節水量變化的水流量伺服器實現自動調節旁通水流量的管路，主要目的是當進水流量或進水溫度發生變化時，主管路和旁通管路水量伺服器自動調節冷水量和熱水量的大小，合理調節冷熱水的混合比例，實現出水口的混合水溫達到設定溫度。

（二）控制系統的硬件設計

1.直流風機控制電路

直流風機控制電路的原理，是驅動電路根據MCU輸出的PWM波形控制MOSFET的開通和關斷，再經過濾波平滑電路，生成穩定的電壓供給直流風機。PWM占空比決定輸出到直流電機上的平均電壓。而且輸出電壓可以無級連續調節，本電路就是采用此原理實現直流電機的無級調速。風速反饋電路是根據風機內霍爾元件產生的信號反饋MCU。電壓/電流采樣電路是把風機的電壓/電流值，與未燃燒之前風機自學習時的風機電壓/電流值進行比較，判斷目前是有風堵現象還是降風現象，如果有風堵現象則MCU進行輸出PWM調節，提高風速，如果出現燃燒火焰離焰現象，則降低風速，以保證風量的恒定。

2.水量伺服器控制電路

水量伺服器控制電路是根據控制系統的需要，及時調節水量伺服器中步進電機的轉速，以改變管路中水流量的大小，實現恒溫調節，同時判斷水量伺服器是否存在故障。水量伺服器驅動電路用MCU輸出的方波信號來驅動水量伺服器的運行，本電路系統用ULN2003APG芯片來驅動水量伺服器工作。

（三）控制系統軟件設計

1.水量伺服器控制邏輯

為保證二次開水的恒溫效果，須在關閉出水口后水量伺服器應該進行相關縮水動作，具體控制邏輯如下：旁通管路水量伺服器控制邏輯：關閉出水口后，旁通管路水量伺服器運行至固定默認狀態，當二次打開出水口后，旁通管路水量伺服器進行縮水動作，最終將流量控制在1L/min附近。

主路水量伺服器控制邏輯：關閉出水口后，主路水量伺服器進行縮水動作，步進電機運行至關水前水流量的50%，開啟出水口時，機器的燃燒負荷為上次穩定燃燒的工作狀態，當出水溫度達到設定溫度時，主路水量伺服器放大流量至機器能夠達到的工作負荷。

水量伺服器控制作為主控制程序的一部分，需要考慮設定溫度的變化對控制系統的影響。設定溫度決定了開機時水量伺服器的狀態，當設定溫度小于等于50℃時，主路水量伺服器調至全開狀態，旁通水量伺服器調節至1L/min附近，隨著出水溫度的變化及時調整旁通水量伺服器的大小，實現出水溫度恒定。當設定溫度大于50℃時，旁通水量伺服器調至關閉狀態，主路水量伺服器根據燃燒最大能力的85%以內調節合適的水流量，流量不能低于5L/min。

2.風機轉速控制

整機在相同的燃氣輸出時，由于過剩空氣量不同，將導致整機中風機的功率不同。通過改變整機出煙口的阻力調節整機阻力，將風機轉速調定后，測試當前狀態下的風機功率。燃燒過程需要找到燃燒的標準燃燒曲線（過剩O2體積分數為9.5-10.5%之間）、離焰燃燒曲線和不完全燃燒曲線，記錄不同燃燒曲線的過剩O2體積分數。設計時將風機通過調節風機的功率，使得整機的燃燒過程控制在離焰燃燒曲線和和不完全燃燒曲線之間的有效范圍內。

三、結語

綜上所述，雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器的設計，全面考慮了用戶在使用過程中進水壓力變化、外部風壓變化、多點用水的不確定性、用戶對快速出熱水的訴求、氣壓/氣質條件的變化、熱水器自身結構缺陷等諸多因素，解決了出水溫度不恒定、出熱水慢的難題，為行業發展提供理論參考和數據依據。雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器系統控制方面需要結合燃燒系統的設計進行性能調節匹配。

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