帶循環熱水壁掛爐衛浴舒適性提升設計

陳全興

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

隨著兩用型燃氣壁掛爐的發展和普及，人們對于壁掛爐的熱水需求有著更高的要求，傳統的兩用型壁掛爐在使用過程存在等待熱水時放冷水造成浪費、衛浴熱水加熱時間較長、夏季水溫容易過熱等現象，嚴重影響用戶的使用舒適性。近幾年，經過對于壁掛爐結構上的優化，通過采用多段式分段燃燒技術和增加水比例控制技術能有效解決上述部分用戶痛點，而對于洗浴前管路中存在冷水需要排放的問題，提出了對管路中進行循環加熱的概念，即增加循環熱水功能，提前預加熱水管中冷水，實現即開即熱的效果，然而，由于點火前清掃及自檢時間長導致點火速度慢，且板式換熱器換熱有滯后性的特點，容易存在二次開水時出現“先熱、后冷、再熱”的不舒服衛浴體驗，本文就改善壁掛爐水溫波動的方案進行探討，分析緩沖水箱對衛浴水溫波動所起到的影響。

1 帶循環熱水壁掛爐方案

帶循環熱水功能的兩用型壁掛爐其水路原理如圖1所示，在現有壁掛爐上，多設置一個衛浴循環回水口，并在回水管路增設一個循環回水水泵用于驅動管路中的冷水進行循環而進入壁掛爐預加熱，使管路中隨時有熱水能夠滿足用戶即開即熱的舒適洗浴要求。

圖1 水路原理圖

為驗證此結構方案的可行性，本試驗使用一臺輸入功率30 kW的壁掛爐進行測試，在壁掛爐外接100 m長、直徑為DN15的循環管路，測試循環熱水加熱及使用衛浴的過程，以此模擬用戶在使用過程中的沐浴體驗。

測試一：出水溫度設定46 ℃，循環回水溫度達到42 ℃熄火，測試循環熱水加熱過程溫度變化，加熱過程如圖2所示。

圖2 循環熱水加熱過程溫度變化圖及保溫后用水過程溫度變化圖

測試二：出水溫度設定46 ℃，進水溫度20 ℃，保溫后打開用水點，水流量8.5 L，模擬用戶衛浴用水過程，測試出水溫度變化，用水過程如圖2所示。

由圖2可看出，循環熱水加熱過程中，點火后逐步加熱，出水溫度最后恒定在所設置的46 ℃，回水溫度起初幾乎不變，后續逐步上升，達到42 ℃后熄火；循環熱水加熱后，用戶打開衛浴用水點，能實現即開即出熱水，熱水溫度46 ℃滿足洗浴要求，但使用過程中會有明顯的降溫，溫差26 ℃的情況下溫降幅度已達到10 ℃，若處于北方進水溫度極低的環境下，降溫會更明顯，將嚴重影響用戶的使用舒適性。

經過分析，壁掛爐循環加熱達到目標溫度后，若沒有檢測到用水信號，壁掛爐熄火停機。用戶開水后，壁掛爐衛浴信號被觸發，壁掛爐開始進行前清掃[1]并進行零部件自檢，然后再進行點火，從前清掃到點火成功的整個過程需要10 s，整個過程中，冷水不斷進入壁掛爐，未能及時換熱升溫，從壁掛爐流出時水溫達不到所設定的目標溫度值，從而造成使用過程中大幅度降溫，造成“忽熱忽冷”的不舒服沐浴體驗。

由此可見，上述循環熱水方案能達到預先加熱管路中冷水，達到即開即熱的目的，但會造成“忽熱忽冷”的不舒服沐浴體驗，現針對此現象提出一種方法，采用緩沖水箱對上述循環熱水方案進行改善設計，原理示意圖如圖3所示。

圖3 水路原理圖

2 緩沖水箱結構設計分析

從改善方案的原理圖可看出，在衛浴出水前增加一個緩沖水箱，衛浴水從板換換熱器流出后先進入緩沖水箱進行緩沖，再流出壁掛爐供用戶洗浴使用會對循環熱水系統溫降起到緩解作用。結合壁掛爐整體結構尺寸及制造成本考慮，選用直徑80 mm，容積為2.5 L的圓柱形水箱進行設計分析，水箱設計有一進一出的水管，長管為水箱出水管，短管為水箱進水管。

2.1 緩沖水箱結構方案分析

本試驗制作上圖方案A的水箱，測試水箱混水效果，測試條件設定為進水壓力0.15 MPa，水流量8.5 L/min，進水管內徑14mm，出水管內徑12 mm，將水箱里的水加熱至60 ℃后，停水后重新開水點火，檢測水箱入口和出口的溫度變化，如圖4。

圖4 水箱入水口溫度變化過程及水箱出水口溫度變化過程

把上述試驗條件和測試得到的水箱入口溫度作為邊界條件，利用ANSYS軟件進行模擬分析[2]，分析結果如圖5。

圖5 方案A分析結果圖

表1 方案A水箱分析數據表

將試驗測試結果和ANSYS軟件模擬結果對比，兩組數據從最大溫差和最低溫出現時間都較為接近，可見ANSYS軟件模擬選取的網格劃分方法和計算模型較為合理。

方案A為短進水管進水，長出水管出水結構，在進水管末端形成大渦，較大地增加了進水區域的熱交換，但是在漩渦之后的區域則是以層流為主，后期的混合不均勻。針對此問題，拓展設計以下不同進出水管結構進行分析對比，如圖6。

圖6 不同進出水管結構分析圖

方案G的最大溫差為8 ℃，最低溫出現時間較短，同時回升至330 K時間也比較短。從軟件分析結果可看出方案G結構的水箱混水效果較好。

2.2 水箱方案驗證

綜合上述ANSYS軟件分析，方案G結構的水箱混水效果較好，現通過試驗進行驗證。本試驗使用一臺輸入功率30 kW的壁掛爐進行測試，進水溫度20 ℃，為驗證進出水溫差更大時水箱緩沖效果，本次試驗將出水溫度設置為最高溫度60 ℃，水流量為8.5 L/min，將出水溫度加熱到60 ℃后，停水10 s鐘后重新開水點火，測試用水點水溫波動，具體如圖7所示。

表2 不同進出水管結構分析圖

圖7 不同進出水管方案溫度變化圖

表3 不同進出水管數據分析表

圖7 方案G用水點溫度變化圖

從圖7可得，方案G水箱緩沖過程中，水溫從60 ℃降至52.1 ℃，降溫幅度7.9 ℃，回升到60 ℃時間為63 s，由此可見，試驗測試數據與模擬分析的結果一致。方案G較其余方案混水效果好。

3 結語

綜合所述分析，對于帶有循環熱水的壁掛爐，循環熱水系統中帶有緩沖水箱有助于緩解壁掛爐再次點火過程中“忽冷忽熱”的問題，同時合理設計緩沖水箱的大小容積，合理設計水箱進出水管的結構和進出水口的方式，改變水箱內部冷熱水流的混水方式，能有效減少壁掛爐再次點火過程中的水溫波動，提高衛浴水的舒適度。