燃?xì)獠膳療崴疇t生活熱水恒溫優(yōu)化方案研究

李 雪 賀 雷 楊焯靖 周夢(mèng)然 楊為標(biāo)

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

霧霾的嚴(yán)重化使得政府更加重視推廣節(jié)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(shí)施。近年，除北方煤改氣政策推動(dòng)外，南方戶(hù)用供暖需求也在提升，燃?xì)獠膳療崴疇t行業(yè)進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展的局面[1,2]。

燃?xì)獠膳療崴疇t利用燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱量，直接加熱熱交換器內(nèi)的水介質(zhì)形成高溫?zé)崴脽崴骖櫴覂?nèi)供暖、生活熱水使用。其加熱形式為即熱式，燃?xì)馊紵哪芰颗c水介質(zhì)的換熱遵循熱量公示：

式中：

Q—單位時(shí)間換熱熱量；

m—單位時(shí)間流水質(zhì)量；

c—水的比熱容；

T出—熱水爐出水溫度；

T進(jìn)—熱水爐進(jìn)水溫度。

其工作原理決定了熱水出水水溫受設(shè)備進(jìn)水水流量和水溫影響，夏天使用生活熱水時(shí)，在用水量集中的時(shí)段水流量波動(dòng)、以及部分進(jìn)水管道外露暴曬水溫高時(shí)，熱水爐出水溫度不能穩(wěn)定到設(shè)定溫度，易出現(xiàn)水溫波動(dòng)大和溫度偏高問(wèn)題，用戶(hù)舒適性體驗(yàn)很差。此類(lèi)產(chǎn)品異常主要因常規(guī)熱水爐對(duì)水溫的控制以輸出偏差為基礎(chǔ)進(jìn)行反饋控制, 控制系統(tǒng)對(duì)變化的跟蹤性能差，且設(shè)備最小燃燒功率受限，功率范圍不能適應(yīng)寬域調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致控溫波動(dòng)大。下文針對(duì)多種生活熱水恒溫方案進(jìn)行研究分析，確定低成本最優(yōu)解決方案。

1 生活熱水恒溫方案

從換熱公式上看，結(jié)合進(jìn)水溫度、流量（水的質(zhì)量）精準(zhǔn)控制供給換熱的熱負(fù)荷，就可以保障熱水爐的生活熱水出水溫度穩(wěn)定性，但在常規(guī)熱水爐上會(huì)存在最小熱負(fù)荷無(wú)法匹配進(jìn)水流量小、進(jìn)水水溫高的情況。以生活熱水額定熱負(fù)荷26 kW的單火排熱水爐為例，其最小功率為9.6 kW，當(dāng)水流量低至3.5 L/min、進(jìn)水溫度20 ℃時(shí)，機(jī)器設(shè)定35 ℃，若整機(jī)以出水端檢測(cè)到T設(shè)+5 ℃水溫停火的處理邏輯時(shí)，實(shí)際出水溫度可過(guò)沖至56 ℃，與設(shè)定溫度偏差已達(dá)到21 ℃。目前市場(chǎng)上燃?xì)獠膳療崴疇t常用的恒溫優(yōu)化方案有：外置恒溫罐、恒溫混水閥、分段式燃燒、全預(yù)混、啟停點(diǎn)火溫控邏輯等，改善生活熱水恒溫問(wèn)題。

1.1 外置恒溫罐

恒溫罐（水箱）通過(guò)感溫電信號(hào)與熱水爐連接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，當(dāng)恒溫罐因熱量損耗等原因使內(nèi)部水溫低于設(shè)定值時(shí)，電信號(hào)指令壁掛爐工作，到水溫再次達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)停止加熱，內(nèi)部攪拌器使熱量均勻，達(dá)到出水恒溫目的。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是可增大熱水流量，在加熱功率不變的情況下，相對(duì)于即開(kāi)即熱式生活熱水生產(chǎn)方式能提供更大的熱水流量，同時(shí)水溫穩(wěn)定性得到大大的改善，由于具有一定的熱水容積，降低了進(jìn)水溫度及流量的波動(dòng)對(duì)熱水出口溫度的影響。其缺點(diǎn)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(lái)水二次混合，可解決熱水爐最小功率大、進(jìn)水流量小時(shí)導(dǎo)致的出水溫度過(guò)高的問(wèn)題。恒溫混水閥主要采用感溫?zé)崦粲洃浐辖鸬脑?，根?jù)水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)熱水、冷水進(jìn)入流量，用戶(hù)可以在混水閥上二次設(shè)定溫度進(jìn)行混水，穩(wěn)定出水溫度，如圖1所示。

該方案具有改善出水溫度穩(wěn)定性的效果，但安裝時(shí)需增加一路自來(lái)水進(jìn)水管，安裝工作量變大且對(duì)進(jìn)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(shù)

分段燃燒技術(shù)在熱水爐恒溫調(diào)節(jié)中應(yīng)用最廣，通過(guò)在分配器上增加電磁閥控制燃?xì)饬髁繉?shí)現(xiàn)對(duì)分段式燃燒器火排的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。在進(jìn)水流量、進(jìn)水溫度以及燃?xì)鈮毫τ凶兓那闆r下，配合整機(jī)溫控邏輯通過(guò)快速精準(zhǔn)的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)保持用戶(hù)所設(shè)定的出水溫度恒定，實(shí)現(xiàn)生活熱水舒適恒溫。朱高濤等研究了分段燃燒技術(shù)恒溫調(diào)節(jié)方案，通過(guò)控制器、氣閥、電磁閥三者協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)恒溫控制[3]，如圖2所示。

通過(guò)增加燃燒器分段數(shù)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(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)控制邏輯有較高要求，成本略高。

1.4 全預(yù)混技術(shù)

全預(yù)混燃燒技術(shù)通過(guò)精確調(diào)節(jié)燃?xì)夂涂諝忸A(yù)混比例，實(shí)現(xiàn)最佳配比來(lái)保證充分燃燒，可滿足各設(shè)定溫度的熱輸入功率需求，熱輸入功率調(diào)節(jié)范圍更寬，熱效率最高，同時(shí)降低氮氧化物排放量，減少有害氣排放。整機(jī)燃燒系統(tǒng)由變頻風(fēng)機(jī)、預(yù)混腔、密封燃燒器組成，工作過(guò)程，由變頻風(fēng)機(jī)根據(jù)整機(jī)溫控邏輯調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，配合比例閥將燃?xì)夂涂諝庠陬A(yù)混腔內(nèi)進(jìn)行充分混合后燃燒。熱水冬季火力全開(kāi)，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(guò)高或忽冷忽熱問(wèn)題。

目前全預(yù)混技術(shù)為密封冷凝式換熱，燃燒器會(huì)產(chǎn)生冷凝水，易產(chǎn)生換熱器腐蝕或臟堵，嚴(yán)重影響其使用壽命，需定期保養(yǎng)[4]。但其維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間不確定性，對(duì)用戶(hù)和售后帶來(lái)了較大的困擾，待設(shè)備報(bào)故障時(shí)堵塞程度往往已較為嚴(yán)重。

2 啟停溫控邏輯優(yōu)化

針對(duì)某款生活熱水額定熱負(fù)荷26 kW的熱水爐，首代產(chǎn)品采用溫度點(diǎn)控溫方案，控溫邏輯為①溫度點(diǎn)停機(jī)：感溫包檢測(cè)溫度滿足T出≥T設(shè)+t1；②再點(diǎn)火邏輯：滿足T出≤T設(shè)-t2；③點(diǎn)火3 s后，進(jìn)入PID調(diào)節(jié)（t1，t2均為常數(shù)）。此機(jī)型標(biāo)稱(chēng)生活熱水進(jìn)水溫度適用范圍0～25 ℃，進(jìn)水流量適用范圍不小于5 L/min。投入市場(chǎng)后夏季部分用戶(hù)反饋使用生活熱水溫度過(guò)高以及忽冷忽熱問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，售后用戶(hù)使用場(chǎng)景存在進(jìn)水流量小及進(jìn)水溫度高的情況，均偏離產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

模擬用戶(hù)進(jìn)水情況，測(cè)試不同流量情況下的水溫情況，如表1。在進(jìn)水溫度30 ℃，水流量3 L/min時(shí)，設(shè)定35 ℃，實(shí)際出水溫度最高達(dá)62.56 ℃，與設(shè)定溫度偏差已達(dá)到27.47 ℃，且仍未達(dá)到恒溫溫度，直接達(dá)到機(jī)組停機(jī)溫度，出現(xiàn)27.56 ℃的水溫波動(dòng)。當(dāng)水流量滿足設(shè)計(jì)適用范圍5 L/min時(shí)，設(shè)定35 ℃，出水溫度趨于恒溫狀態(tài)，但最高溫度到56.7 ℃,出水溫度過(guò)高。低于設(shè)計(jì)要求的水流量和較高的進(jìn)水溫度下，最小熱負(fù)荷較大的熱水爐機(jī)型溫控邏輯對(duì)出水體驗(yàn)影響很大，容易出現(xiàn)出水溫度高、忽冷忽熱等情況。

表1 極限進(jìn)水溫度、流量出水溫度（溫度點(diǎn)控溫）

為在成本較低的情況下提升常規(guī)單火排熱水爐恒溫效果，在熱水爐的溫控邏輯方案上進(jìn)行了深入研究。在原溫度點(diǎn)控溫方案的基礎(chǔ)上，改進(jìn)采用溫度變化速率的檢測(cè)方案，在水量突變時(shí)，水溫調(diào)節(jié)速度快，水溫變化幅度小，有效避免水溫過(guò)沖。結(jié)合實(shí)驗(yàn)摸底調(diào)整控溫邏輯為①溫度點(diǎn)停機(jī)：實(shí)測(cè)感溫包T出≥T設(shè)+t1且溫升速率≥0.5 ℃/0.6 s；②再點(diǎn)火邏輯：滿足T出≤T設(shè)-t2；③點(diǎn)火3 s后，進(jìn)入PID調(diào)節(jié)（t1，t2均為常數(shù)）。

控溫邏輯升級(jí)后，測(cè)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(jìn)水溫度30 ℃時(shí)，設(shè)定35 ℃，實(shí)際出水溫度最低35.16 ℃，最高42.89 ℃，與設(shè)定溫度偏差為7.89 ℃，水溫波范圍在8 ℃內(nèi)，較原方案27.56 ℃波動(dòng)有極大改善。溫度變化速率的檢測(cè)方案可解決感溫包降溫的滯后性帶來(lái)的溫控調(diào)節(jié)滯后，圖示。

表2 極限進(jìn)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(diǎn)控溫方案和溫度變化速率的控溫方案，控溫波動(dòng)明顯改善，效果如圖4所示。

3 結(jié)論

燃?xì)獠膳療崴疇t的生活熱水出水溫度穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品的舒適性及用戶(hù)滿意度影響較大，可通過(guò)外置恒溫罐、恒溫混水閥、分段燃燒技術(shù)、全預(yù)混技術(shù)等進(jìn)行改善，此類(lèi)方案各有優(yōu)劣但均涉及成本增加。針對(duì)單火排燃?xì)獠膳療崴疇t，通過(guò)溫控邏輯的優(yōu)化，采用溫度變化速率的監(jiān)測(cè)控制方案，可使其在極限終端工況進(jìn)水流量低、溫度高的情況下，仍獲得較穩(wěn)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(shí)技術(shù)方案也可用在中高端熱水爐上輔助出水溫度控制。