燃氣采暖熱水爐生活熱水恒溫優化方案研究

李 雪 賀 雷 楊焯靖 周夢然 楊為標

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

霧霾的嚴重化使得政府更加重視推廣節能、清潔能源的使用，“煤改氣”“煤改電”“煤改清潔能源”等政策不斷實施。近年，除北方煤改氣政策推動外，南方戶用供暖需求也在提升，燃氣采暖熱水爐行業進入穩步發展的局面[1,2]。

燃氣采暖熱水爐利用燃氣燃燒產生的熱量，直接加熱熱交換器內的水介質形成高溫熱水，利用熱水兼顧室內供暖、生活熱水使用。其加熱形式為即熱式，燃氣燃燒的能量與水介質的換熱遵循熱量公示：

式中：

Q—單位時間換熱熱量；

m—單位時間流水質量；

c—水的比熱容；

T出—熱水爐出水溫度；

T進—熱水爐進水溫度。

其工作原理決定了熱水出水水溫受設備進水水流量和水溫影響，夏天使用生活熱水時，在用水量集中的時段水流量波動、以及部分進水管道外露暴曬水溫高時，熱水爐出水溫度不能穩定到設定溫度，易出現水溫波動大和溫度偏高問題，用戶舒適性體驗很差。此類產品異常主要因常規熱水爐對水溫的控制以輸出偏差為基礎進行反饋控制, 控制系統對變化的跟蹤性能差，且設備最小燃燒功率受限，功率范圍不能適應寬域調節，最終導致控溫波動大。下文針對多種生活熱水恒溫方案進行研究分析，確定低成本最優解決方案。

1 生活熱水恒溫方案

從換熱公式上看，結合進水溫度、流量（水的質量）精準控制供給換熱的熱負荷，就可以保障熱水爐的生活熱水出水溫度穩定性，但在常規熱水爐上會存在最小熱負荷無法匹配進水流量小、進水水溫高的情況。以生活熱水額定熱負荷26 kW的單火排熱水爐為例，其最小功率為9.6 kW，當水流量低至3.5 L/min、進水溫度20 ℃時，機器設定35 ℃，若整機以出水端檢測到T設+5 ℃水溫停火的處理邏輯時，實際出水溫度可過沖至56 ℃，與設定溫度偏差已達到21 ℃。目前市場上燃氣采暖熱水爐常用的恒溫優化方案有：外置恒溫罐、恒溫混水閥、分段式燃燒、全預混、啟停點火溫控邏輯等，改善生活熱水恒溫問題。

1.1 外置恒溫罐

恒溫罐（水箱）通過感溫電信號與熱水爐連接實現自動控制，當恒溫罐因熱量損耗等原因使內部水溫低于設定值時，電信號指令壁掛爐工作，到水溫再次達到設定溫度時，自動停止加熱，內部攪拌器使熱量均勻，達到出水恒溫目的。

該方案的優點是可增大熱水流量，在加熱功率不變的情況下，相對于即開即熱式生活熱水生產方式能提供更大的熱水流量，同時水溫穩定性得到大大的改善，由于具有一定的熱水容積，降低了進水溫度及流量的波動對熱水出口溫度的影響。其缺點也較明顯，水箱體積大安裝繁瑣占用空間，成本較高。

1.2 恒溫混水閥

在熱水爐出水管路加裝恒溫混水閥，將熱水與自來水二次混合，可解決熱水爐最小功率大、進水流量小時導致的出水溫度過高的問題。恒溫混水閥主要采用感溫熱敏記憶合金的原理，根據水溫自動調節熱水、冷水進入流量，用戶可以在混水閥上二次設定溫度進行混水，穩定出水溫度，如圖1所示。

該方案具有改善出水溫度穩定性的效果，但安裝時需增加一路自來水進水管，安裝工作量變大且對進水流量有一定分流，在水流量不足的情況下效果變差。恒溫混水閥成本也較高，難以在低成本熱水爐上推廣。

1.3 分段燃燒技術

分段燃燒技術在熱水爐恒溫調節中應用最廣，通過在分配器上增加電磁閥控制燃氣流量實現對分段式燃燒器火排的精準調節。在進水流量、進水溫度以及燃氣壓力有變化的情況下，配合整機溫控邏輯通過快速精準的熱負荷調節保持用戶所設定的出水溫度恒定，實現生活熱水舒適恒溫。朱高濤等研究了分段燃燒技術恒溫調節方案，通過控制器、氣閥、電磁閥三者協調工作實現恒溫控制[3]，如圖2所示。

通過增加燃燒器分段數量，可降低最小熱輸入功率，與單火排熱水爐主要差異在燃燒器、分氣桿結構，同時對控制邏輯有較高要求，成本略高。

1.4 全預混技術

全預混燃燒技術通過精確調節燃氣和空氣預混比例，實現最佳配比來保證充分燃燒，可滿足各設定溫度的熱輸入功率需求，熱輸入功率調節范圍更寬，熱效率最高，同時降低氮氧化物排放量，減少有害氣排放。整機燃燒系統由變頻風機、預混腔、密封燃燒器組成，工作過程，由變頻風機根據整機溫控邏輯調節轉速，配合比例閥將燃氣和空氣在預混腔內進行充分混合后燃燒。熱水冬季火力全開，滿足大功率熱水恒溫需求，夏季可低至4.5 kW，解決夏季沐浴水溫過高或忽冷忽熱問題。

目前全預混技術為密封冷凝式換熱，燃燒器會產生冷凝水，易產生換熱器腐蝕或臟堵，嚴重影響其使用壽命，需定期保養[4]。但其維護保養時間不確定性，對用戶和售后帶來了較大的困擾，待設備報故障時堵塞程度往往已較為嚴重。

2 啟停溫控邏輯優化

針對某款生活熱水額定熱負荷26 kW的熱水爐，首代產品采用溫度點控溫方案，控溫邏輯為①溫度點停機：感溫包檢測溫度滿足T出≥T設+t1；②再點火邏輯：滿足T出≤T設-t2；③點火3 s后，進入PID調節（t1，t2均為常數）。此機型標稱生活熱水進水溫度適用范圍0～25 ℃，進水流量適用范圍不小于5 L/min。投入市場后夏季部分用戶反饋使用生活熱水溫度過高以及忽冷忽熱問題，經現場調研，售后用戶使用場景存在進水流量小及進水溫度高的情況，均偏離產品設計。

模擬用戶進水情況，測試不同流量情況下的水溫情況，如表1。在進水溫度30 ℃，水流量3 L/min時，設定35 ℃，實際出水溫度最高達62.56 ℃，與設定溫度偏差已達到27.47 ℃，且仍未達到恒溫溫度，直接達到機組停機溫度，出現27.56 ℃的水溫波動。當水流量滿足設計適用范圍5 L/min時，設定35 ℃，出水溫度趨于恒溫狀態，但最高溫度到56.7 ℃,出水溫度過高。低于設計要求的水流量和較高的進水溫度下，最小熱負荷較大的熱水爐機型溫控邏輯對出水體驗影響很大，容易出現出水溫度高、忽冷忽熱等情況。

表1 極限進水溫度、流量出水溫度（溫度點控溫）

為在成本較低的情況下提升常規單火排熱水爐恒溫效果，在熱水爐的溫控邏輯方案上進行了深入研究。在原溫度點控溫方案的基礎上，改進采用溫度變化速率的檢測方案，在水量突變時，水溫調節速度快，水溫變化幅度小，有效避免水溫過沖。結合實驗摸底調整控溫邏輯為①溫度點停機：實測感溫包T出≥T設+t1且溫升速率≥0.5 ℃/0.6 s；②再點火邏輯：滿足T出≤T設-t2；③點火3 s后，進入PID調節（t1，t2均為常數）。

控溫邏輯升級后，測試不同流量情況下的水溫情況，如表2。在極限水流量3 L/min、進水溫度30 ℃時，設定35 ℃，實際出水溫度最低35.16 ℃，最高42.89 ℃，與設定溫度偏差為7.89 ℃，水溫波范圍在8 ℃內，較原方案27.56 ℃波動有極大改善。溫度變化速率的檢測方案可解決感溫包降溫的滯后性帶來的溫控調節滯后，圖示。

表2 極限進水溫度、流量出水溫度（溫度變化速率控溫）

熱水爐使用溫度點控溫方案和溫度變化速率的控溫方案，控溫波動明顯改善，效果如圖4所示。

3 結論

燃氣采暖熱水爐的生活熱水出水溫度穩定性對產品的舒適性及用戶滿意度影響較大，可通過外置恒溫罐、恒溫混水閥、分段燃燒技術、全預混技術等進行改善，此類方案各有優劣但均涉及成本增加。針對單火排燃氣采暖熱水爐，通過溫控邏輯的優化，采用溫度變化速率的監測控制方案，可使其在極限終端工況進水流量低、溫度高的情況下，仍獲得較穩定、適宜的出水溫度，大幅改善低成本熱水爐的恒溫效果。同時技術方案也可用在中高端熱水爐上輔助出水溫度控制。