基于管路長度識別的燃氣熱水器循環加熱控制研究

摘 要：通過理論分析和實驗對比的方法，對零冷水燃氣熱水器的循環加熱時間進行研究分析。通過考察不同管路狀態下水流量的變動，計算出了管路長度及加熱所需時間。理論計算和實驗結果高度一致，充分驗證了理論計算模型的準確性和可靠性。實驗測試和理論分析均表明，在水泵運行功率一定的條件下，循環管路長度與循環管路內的水流量成反比關系，意味著管路越長，水流量就越小。通過主控邏輯可以逆向推算出管路長度，據此還可以計算只預熱熱水管路所需要的時間。此外，管路內ΔP值的變化也可以作為判斷管路長度的輔助參考值。

關鍵詞：燃氣熱水器；管路長度識別；伯努利原理；循環水流量；云端數據庫；控制邏輯優化

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-04

0 引 言

目前，零冷水燃氣熱水器安裝場景通常有兩種：一種是用戶家里預留回水管的情況；另一種是用戶家中無預留回水管，需要借用冷水管作為回水管的情況[1-3]。

在老舊小區以及一些存量房中，通常未預留回水管，因此在升級成零冷水熱水器機型時，通常會將冷水管作為回水管，并在最遠端的冷熱水閥門之間增設一個單向閥[4]。采用將冷水管作為回水管的方案無需對房屋內水管進行改造，因此人工和材料成本較低，通常更容易被用戶接受。

然而，采用冷水管作為回水管意味著冷水管成為了循環管路的一部分。在啟用零冷水功能后，熱水器在循環加熱過程中，會將冷水管內的水也預熱成熱水。圖1所示為用戶家中的水循環管路，循環路徑為A—B—C—D—E—F—A。其中BC段為熱水管路，DF為冷水管路。若該循環系統冷水管路段中的E點安裝了凈水機，由于凈水機的濾芯RO膜和超濾膜適用溫度通常為5～38 ℃，因此EF段的預熱熱水可能會對凈水機濾芯的性能和使用壽命造成影響[5]。同時，DF段冷水管內的水被預熱并非用戶所需，會導致不必要的燃氣消耗。

針對上述問題，本文將進一步分析導致冷水管內水被預熱的原因，并對不同管路長度下循環水流量的大小以及循環管路壓力的變化規律進行研究。通過對管路長度的預判，從控制邏輯上尋求解決方案，以避免冷水管路內的水被預熱，降低循環預熱時間，為今后零冷水循環預熱控制方法提供理論基礎。

1 理論計算

1.1 伯努利原理

2 試驗裝置及測試方法

2.1 測試條件及環境

室溫為23.8 ℃，進水溫度為（20±1）℃，進水壓力為0.2 MPa，大氣壓力為100.6 kPa，燃氣溫度為15 ℃，華白數為45.67 MJ/m3，燃氣壓力為2.0 kPa。

2.2 測試設備及機型

試驗選用JSQ31-HD680-16燃氣熱水器作為研究機型對象；測試設備選用YS-901E燃氣熱水器；選用長度為20～120 m的循環管路進行接入測試；管道選用4分管。試驗系統示意圖如圖2所示。

JSQ31-HD680-16燃氣熱水器在“即熱模式”下的零冷水控制邏輯如下[7-9]：

（1）當（設定溫度 -進水溫度）＞5 ℃時，水泵運行；

（2）當（設定溫度 ≤ 進水溫度）時，停止加熱，水泵運行30 s后停止；

（3）當（出水溫度 -設定溫度）≥10 ℃時，停止加熱，水泵運行2 min后停止。

“即熱模式”下，設定溫度最高為45 ℃，即：

（1）當進水溫度≥40 ℃時，則不會啟動循環加熱；

（2）當進水溫度≥45 ℃時，停止加熱，水泵運行30 s后停止；

（3）當出水溫度≥55 ℃時，停止加熱，水泵運行2 min后停止；

（4）當一個循環加熱運行結束后，需等待3 min，若滿足循環條件，繼續進行循環動作。

2.3 試驗方法

主控選擇設置水泵轉速為2擋，占空比為80%；整機設定溫度為42 ℃；切換20 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m不同長度的循環管路，記錄對應的水流量、循環管路內部壓力、循環加熱時長[10]。循環管路采用常規4分PPR水管，R=12.7 mm。

2.4 試驗結果

在不同長度L的循環管路下，加熱時間T1、攪拌時間T2、循環總時間T見表1。

2.5 數據分析

L-T曲線圖如圖3所示。由圖可知，管路L越長，循環總時間T越長，兩者之間成正比關系。隨著管路長度的增加，T值會呈現幾何級的增長趨勢。

L-Q-ΔP曲線圖如圖4所示。由圖可知，管路長度L與水流量Q、壓力差ΔP之間成反比關系，管路長度增加，水阻力增大，水流量Q減小，壓力差ΔP減小。管路長度為20 m、40 m時，對應的水流量分別是5.21 L/min、4.61 L/min。

3 管路長度識別與控制系統優化

3.1 控制邏輯優化

3.1.1 熱水管路長度

3.2 優化前后循環時間對比

3.2.1 循環時間對比

不同的管路長度下，“即熱模式”下循環時間的對比結果見表4。

3.2.2 優化前后對比

優化前后循環時間的對比圖如圖5所示。由圖可知，相同管路狀態下，控制邏輯優化的時間T0相比優化前的時間T明顯縮短。

3.3 優化結果

本次試驗借助主控制器的計算分析，根據水量伺服器控制開關閥門的頻率，計算出流水量均值，將計算出的流水量均值與云端數據庫內數據相匹配，識別出熱水管路長度，并計算出最優循環加熱時間；通過將控制開關閥門的頻率根據熱水器中的水量變化情況進行動態調整，達到更好的控制效果。

在保證水泵運行狀態一定的條件下，通過切換不同長度的循環管路，得知循環管路長度與循環管路內的水流量成反比；循環管路長度與循環管路內的壓力差ΔP成反比。

4 結 語

本文以零冷水燃氣熱水器（型號為JSQ31-HD680-16）為研究對象，在水泵運行功率一定的狀態下，通過理論計算不同管路狀態下的水流量、管內壓力，將計算的結果與試驗結果結合，并進行一系列的論證研究，得到如下結論：

（1）應用理論計算模型得到的水流量、管內壓力變化與試驗測試結果高度一致，說明該理論計算模型準確可靠，該理論模型可為后續燃氣熱水器產品的開發提供參考。

（2）通過試驗測試得出，在水泵運行功率一定時，循環管路長度與循環管路內的水流量成反比，管路越長，水流量越小。結合理論計算、試驗測試以及管路長度L與水流量Q的關系，可以通過主控邏輯逆向推算管路長度L，并計算只預熱熱水管路所需要的時間T0。

（3）在測試管內壓力時，管路內初始壓力P1與循環預熱時管內壓力P2形成壓力差ΔP，ΔP與管路長度L成反比，管路L越長，對應的ΔP值越小。所以ΔP值的變化也可以作為判斷管路長度的輔助參考值。

（4）實際安裝過程中，因用戶安裝條件差異較大，比如管路彎頭數量、管路直徑、管路變徑等因素，會給管路長度的計算帶來一定偏差，后續將進行更深層次的智能研究計算，以進一步提升計算的準確性。

參考文獻

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