強排式燃氣熱水器高抗風控制技術的研究

陳靜

【摘 要】本位設計了一種應用于強制排氣式燃氣快速熱水器上的高抗風技術，通過直流電機排煙系統、電子式風壓傳感器，配合控制器的算法邏輯，當燃氣熱水器使用過程中遇到外界倒灌風時，通過以上傳感器和控制系統智能自動控制調節電機轉速，使燃氣熱水器保持較好的燃燒工況，降低了CO的含量同時保證煙氣順暢排放，大大降低了有害廢氣可能對使用者帶來的傷害。

【關鍵詞】強排式；燃氣熱水器；高抗風

燃氣熱水器作為一種快速提供熱水的產品，為使用者提供便捷的同時，也帶來了以下安全隱患：可燃氣體泄漏爆炸以及燃燒產物主要是一氧化碳中毒。

在我國的三北地區（東北、華北、西北）、沿海區域、高樓居住區的用戶，為多風、風速較大區域，全年平均風速大于3m/s；而燃氣熱水器在有風狀態下運行，受外界倒灌風影響，燃燒產物無法順暢及時排出。經調研，一部分燃氣熱水器產品會安裝于廚房，隨著時間推移，無法排除的煙氣中含有的一氧化碳（后文簡稱CO）會對人體產生巨大危害：CO濃度200ppm，成人置身其中2h會出現輕微的頭痛、頭暈、惡心癥狀；當CO濃度達到800ppm，45min內出現痙攣，2h昏迷；CO濃度高于1600ppm，20min出現痙攣，2h內死亡，當CO濃度達到3200ppm，30min即可致死。因此，家用燃氣熱水器國標也對產品在有風狀態下的煙氣CO含量做了明確要求，要求不得超過600ppm【1】。

為此，我們設計的燃氣熱水器，應當做到在外部存在高速倒灌風時仍能順利排出燃燒煙氣，降低用戶的使用安全風險。

目前市場上主流的燃氣熱水器還是強制排氣式熱水器（下文簡稱強排式燃氣熱水器），它主要采用交流電機提供燃燒所需空氣，其轉速是恒定的，在外界高風壓時，轉速無法提高，也無法為燃燒提供更多空氣，隨著外界風壓增大，燃燒工況更為惡劣，產生更多對人體有害的不完全燃燒產物——CO。

針對此問題，需要設計一種智能型高抗風的強排式燃氣熱水器，在外界風壓過大時，降低熱水器燃燒產生的CO含量。

1 方案設計

1.1結構方案

為解決交流電機無法調節轉速的問題，排煙系統采用直流電機，在排煙系統的蝸殼上增加壓力取樣嘴，壓力取樣嘴的位置選取原則：該處初始壓力值（即無風狀態下取樣嘴壓力值）與比例閥控制電流值之間基本呈線性關系。通過風壓軟管將取樣嘴與風壓傳感器的測壓口連接，用于實時監測排煙系統內部壓力。風壓傳感器讀取取樣嘴處的負壓值，并將壓力信號轉換成頻率信號提交主控制器處理。

風壓傳感器內部主要是由正/負測壓口、風壓隔膜、磁環、感應線圈、彈簧和振蕩轉換頻率電路組成。當測壓口壓力變化時，正壓腔與負壓腔的壓力差將風壓隔膜向下壓，并通過連桿帶動磁環下移，隨著磁環位置不同，感應線圈感應的電感量也不一樣，這樣通過感應線圈輸出口信號就可以得知磁環的位移量，再經過振蕩電路將感應線圈的電感信號轉換成頻率信號，從而控制風壓反饋值與控制器進行啟動和保護。

1.2控制方案

控制器增加智能高抗風程序：包括風壓傳感器的測壓口初始壓力自檢程序和壓力調節程序。初始壓力自檢程序，當風壓傳感器輸出頻率不在其正常工作范圍或不能輸出頻率數值，則認為風壓傳感器故障或者初始壓力異常，報風壓故障。壓力調節程序：風機取樣嘴的壓力根據當前的恒定電流計算出來，比例閥電流維持不變時，無論外界壓力如何變化，調整風速來維持當前壓力值恒定。

當前恒定壓力=LO+（HO-LO）*（I-Imin）/（Imax-Imin）

LO：最小負荷最佳燃燒狀態時壓力初始值；

HO：最大負荷最佳燃燒狀態時壓力初始值；

I：當前比例閥電流；

Imax：最大負荷時比例閥電流；Imin：最小負荷時比例閥電流；

1.3控制邏輯

對整機排煙系統壓力取樣嘴采集初始壓力數據，在此基礎上，設定增壓閾值，即到當前壓力反饋值與當前比例閥電流對應的初始壓力值之間的最大差值。當檢測到的當前壓力值的變化量沒有達到增壓閾值，則控制風機轉速維持壓力反饋值在當前壓力值；若反饋的壓力變化值超出增壓閾值，則提高風機電流將風壓值調節至并維持在初始值+20，并檢測反饋風壓值，若反饋值比維持值低，則繼續提高風機電流，若反饋風壓值大于維持值，且風機電流值大于當前比例閥電流值對應的風機電流初始值，則降低風機電流值維持反饋風壓值。

由于風壓傳感器有一定的誤差，故負壓初始值與設定值允許誤差正負10Pa，為減少來回震蕩加減風速，當負壓開始變化后，通過減少風機電流和加大風機電流來控制壓力傳感器輸出壓力在設定值±10Pa范圍以內。

2 測試結果分析

2.1 100%負荷，堵塞時整機的狀態分析

由上圖表可以明確地看出在全負荷時堵塞時，CO濃度在100ppm以內，經過測試發現在風壓達到280Pa之后，風機功率趨于平穩，即風機風速按慣性增加，壓力傳感器取樣嘴的壓力在168左右波動，280Pa之后無法維持，逆向風壓繼續增大時，風機頻率不再增加，風機轉速頻率趨于平緩，取樣嘴處的負壓值無法維持恒定，逐漸減小。

2.2 50%負荷，堵塞時整機的狀態分析

負荷分段式的強排型燃氣熱水器為避免出現有溫度段覆蓋不全的情況，在半開火和全開火切換時會留有一段重合區間，因此在50%負荷測試時比例閥電流會有一定的波動【2】，可能在Imax附件也可能在Imin附近，風機的轉速頻率和風機取樣嘴處的取樣壓力也隨之相應改變，風機功率在280Pa左右達到最大值，之后風機轉速依慣性增加，風機轉速頻率增加緩慢，風機取樣嘴處的取樣壓力逐漸減少，在外界壓力為480Pa時，風機轉速達到極限，此時煙氣超過標準值，實際做產品時可以設置風壓過高報警值在煙氣超過標準前。

2.3 最小負荷堵塞時整機的狀態分析

最小負荷時風機轉速頻率幾乎成線性增長，風機風速沒有達到最大值，比例閥電流和風機取樣嘴處的波動范圍不大，幾乎恒定。

3 結論

燃氣熱水器智能高抗風技術的研究主要是針對多風地帶和高樓居住用戶，通過用風壓傳感器監測取樣嘴處壓力的變化情況，智能調節風機風速，使燃燒工況達到最佳，從而有效降低排放的CO含量。

目前各主流燃氣熱水器品牌均有相對成熟的技術，如恒電流技術、恒轉速技術或無極變頻調速技術【3】等。

本文通過在現有強排式燃氣熱水器產品上使用直流電機取代交流電機，增加電子式風壓傳感器，用相對簡單的結構和控制方法，設計開發出一種智能高抗風技術，解決了強排式燃氣熱水器在外界風壓過高時排煙不暢及煙氣超標的問題，為用戶提供更為安全可靠的產品。

參考文獻：

[1]GB6932-2015 《家用燃氣快速熱水器》.

[2]袁麗麗，戶孝文.基于全自動燃氣熱水器的PID溫度控制參數整定研究[J].科學技術創新，2017（32）：181-182.

[3]李新學，梅炳強.淺析直流變頻風機在強制抽風式燃氣熱水器的應用[J].日用電器，2017（6）：89-93.

（作者單位：廣東萬家樂燃氣具有限公司）