燃氣熱水器恒溫控制分析

劉 韜 張 其

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

燃氣熱水器作為市場上一種常見的家用熱水設備，經過幾十年的發展迭代，由最開始簡單將水加熱，到現在自動恒溫，燃氣熱水器在水溫控制方面的技術水平已經得到很大提升。然而受限于燃氣熱水器的結構及恒溫原理，當水壓變化或用水中途啟停等都會造成出水溫度波動，影響用戶體驗。解決出水溫度波動也一直是各生產廠家重點研發方向，同時也給出了不同的解決方案。本文對燃氣熱水器發生出水溫度波動的機理進行了深入分析，并對現有幾種典型的恒溫技術方案進行理論分析和測試對比給出了如何提升燃氣熱水器恒溫控制能力的技術建議。

1 燃氣熱水器結構及恒溫原理概述

現有燃氣熱水器主要由燃燒系統、加熱系統與控制系統[1]組成，即由控制系統控制燃氣在燃燒系統燃燒，產生的高溫氣體在加熱系統和水進行熱量交換。同時控制系統控制需求輸入（如溫度調節），以及對環境變化做出適應調整，或當系統產生的故障進行反饋保護，確保熱水器可以正常工作及安全防護。如圖1，燃氣熱水器結構示意圖。

圖1 燃氣熱水器結構示意圖

燃氣熱水器的恒溫工作原理，即根據設置溫度、水流量大小及溫度計算熱熱輸出需求，來調節燃氣比例閥，控制加熱功率匹配熱輸出需求，最后通過出水溫度傳感器檢測反饋出水溫度值用來修正加熱功率，達到恒溫目的。當熱輸出需求發生變化，燃氣加熱系統響應調節存在滯后性，不能及時匹配熱輸出需求，再加上換熱器的熱慣性，則導致水溫波動。

2 影響燃氣熱水器恒溫因素

2.1 換熱平衡

燃氣熱水器在穩定工作狀態達到換熱平衡，即熱輸入=熱輸出+熱損失；熱輸入即燃氣燃燒釋放的能量，用于提升水溫的能量為熱輸出，其他未被利用的能量為熱損失。換熱平衡穩定持續，則出水溫度穩定，當其中一方發生變化，則換熱平衡被打破，熱水器會對變化做出響應，建立新的平衡，而建立新平衡的過程，即出現了溫度波動，能迅速建立新的換熱平衡或抑制建立新平衡過程中的溫度波動，體現了燃氣熱水器的恒溫能力。一般在換熱平衡中，熱輸入和熱損失都不會發生變化，換熱平衡主要由熱輸出打破，如水壓變化、用戶中途啟停及進水溫度變化等。

如圖2（a），熱輸出需求瞬間變大，而換熱平衡1變換至換熱平衡2 需要一定時間，而在此過程中，由于加熱系統的響應滯后性產生換熱平衡中的能量缺口，從而造成溫度下降。相反如圖2（b），熱輸出需求瞬間變小，加熱系統響應滯后性產生了能量盈余，造成了溫度上升。

2.2 換熱器熱慣性

換熱器熱慣性指因熱輸出需求變化導致換熱平衡變化，換熱器從當前平衡狀態溫度變化至下一平衡狀態溫度（熱輸出需求變化后換熱穩態對應換熱器的溫度）產生的能量吸收與釋放對水溫的影響。如圖3（a），熱輸出需求變大，換熱平衡1 變換至換熱平衡2，換熱器溫度從t1 上升至t2，則需吸收能量。如圖3（b），熱輸出需求變小，換熱平衡1 變換至換熱平衡2，換熱器溫度從t1 下降至t2，則會釋放能量。換熱器吸收和釋放的能量不在加熱系統計算熱輸出需求范圍內，而且該部分能量與加熱系統響應滯后性為疊加影響，從而放大了熱輸出需求變化引起的溫度波動。

圖3 換熱器熱慣性示意圖

2.3 換熱平衡中途啟停

當熱水器處于換熱平衡狀態，然后關水，動態換熱功率降為0，換熱器釋放能量，對換熱管內水發生熱傳遞，換熱管內水吸收的熱量大于散失的熱量，水溫上升，也稱為停水溫升[2]。而當再次開水，熱水器回到原來的換熱平衡狀態，此時熱水器重新啟動產生較大的能量缺口（如圖5），同時換熱器溫度要恢復至原來溫度，也需要吸收能量，兩者疊加產生更大的能量缺口，造成大幅溫度下降。如圖4，為典型換熱平衡中途啟停出水溫度波動曲線。此段溫升溫降即用水中途啟停產生的溫度波動，也是消費者用水過程中最長見的痛點問題。

圖5 換熱平衡中途啟停出水溫度波動示意圖

如表1，為一款16 L 燃氣熱水器用水中途啟停出水溫度波動測試數據。測試條件為進水溫度22 ℃，在不同設置溫度下，設置不同水流量，當燃氣熱水器穩定工作即達到換熱平衡后，關水后持續一定時間再開水，測試出水溫度變化值。從測試結果可知：

1）設置溫度從（40～60）℃及水流量（4～12）L/min覆蓋了常用水溫及水流量，用水中途啟停水溫波動較大，影響消費者熱水使用體驗；

2）出水溫度越大，溫降幅度越大；水流量越大，溫降幅度越大；因為出水溫度和水流量的增加，換熱平衡時的動態換熱功率也會增加，同時啟動階段的能量缺口增加，造成溫降幅度增大；

3）溫升由停水時換熱器對換熱管內存水發生熱傳遞產生，受到換熱器溫度和出水溫度雙重影響，隨著動態換熱功率增大，換熱器溫度增加，熱傳遞溫差增大。而出水溫度增大熱傳遞溫差減小，因此溫升幅度會隨著換熱功率增大，但到達一定值后會隨著設置溫度增大而減小。

3 現有恒溫技術方案理論分析及測試對比

針對燃氣熱水器結構原理性恒溫技術缺陷，各生產廠家提供了一些技術解決方案，不同解決方案技術原理不同，恒溫效果也有所不同，如下介紹幾種典型的恒溫技術方案。

3.1 后置混水罐

如圖6，在熱水器出水端設置混水罐，換熱器出水先進入混水罐內即時混合后再排出，采用出水中和的原理，減小了出水溫度的波動幅度。恒溫效果與混水罐的容積正相關，混水罐容積越大，恒溫效果越好。然而，后置混水罐也增加了熱水器啟動階段的冷水排水量，容積越大，需排放的冷水越多，延長了加熱時間，增加了用戶等待時間，同時造成更多的水資源浪費。因此后置混水罐方案是在改善溫度波動與增加啟動階段的加熱時間之間進行取舍，不能全面的提升熱水器的使用體驗。

圖6 燃氣熱水器后置混水罐結構示意圖

一般熱水器溫升幅度較小，增加混水罐后，可以達到熱水使用要求；但溫降幅度較大，雖明顯改善，但仍能不滿足熱水使用要求，如表2，當設置溫度≥50 ℃或水流量為10 L/min 時，溫降幅度仍較大，如需進一步改善溫降，混水罐的容積還需加大。

表2 燃氣熱水器增加0.6 L 后置混水罐前后中途啟停溫降測試對比

3.2 快速啟動

一般熱水器在啟動階段因風機啟動及安全檢測步驟等因素，加長了啟動階段時間。在評估熱水器安全性基礎上，優化硬件及程序，縮短啟動階段時間，對于熱水器從冷態到換熱平衡過程，減小了能量缺口，快速達到目標溫度，減少了水資源浪費。換熱平衡中途啟停水，能量缺口也會減少，溫降幅度得到改善。如表3 中所測16 L 燃氣熱水器應用旁通混水技術同時應用了快速啟動，有益改善溫降。快速啟動主要改善熱水器冷態啟動等待過久和中途啟停溫降幅度兩個常見重要痛點問題，因其實施成本較低，已經大范圍推廣，并且結合其他恒溫技術方案實施，有效提升熱水器的恒溫能力。

表3 16 L 燃氣熱水器旁通混水中途啟停出水溫度波動測試數據

3.3 旁通混水

如圖7，在熱水器的進水管和出水管之間設置旁通管，并在旁通管上設置水比例閥。熱水器增加旁通管后，出水溫度由換熱器出水和旁通水混合決定。當換熱器出水和旁通水混合比例可調，熱水器控溫方式從燃氣加熱調節變為燃氣加熱和旁通比（旁通水流量占總水流量比值）雙重調節。加入旁通比的調節，使得換熱管形成一定的溢出能量存儲。旁通比調節存在一定范圍，下限為0，上限則為換熱器換熱管內水量減小至汽化之前。

圖7 燃氣熱水器旁通混水結構示意圖

根據燃氣熱水器換熱器的結構，建立換熱管內水溫分布模型，如圖8。對比同一換熱器增加旁通管前后換熱管內水溫變化，默認換熱只在換熱管內進行。當熱水器處于換熱平衡，進水溫度20 ℃，目標溫度40 ℃，增加旁通管后換熱管出水溫度60 ℃，默認換熱管內水溫均勻遞增。可得，細線為無旁通管時換熱管內水溫分布情況，溫升由進水溫度（20 ℃）遞增至目標溫度（40 ℃）為20 K。間距窄的填充線部分面積為瞬時換熱管內能量狀態，可稱為基礎能量。粗線為增加旁通管后換熱管內水溫分布狀態，溫升由進水溫度（20 ℃）遞增至換熱管出水溫度（60 ℃）為40 K，間距寬的填充線部分面積可稱為溢出能量，加上基礎能量，為瞬時換熱管內能量狀態（旁通后）。當熱輸出需求變化而加熱系統未能及時響應產生能量缺口時，則可通過調節旁通比利用溢出能量進行補償，直到溢出能量耗盡。當熱輸出需求變化而加熱系統未能及時響應產生能量盈余時，則可通過調節旁通比增加溢出能量存儲，直到旁通比上限。因此旁通混水方法可在一定范圍內應對加熱系統的滯后性，提升燃氣熱水器的恒溫能力。同時設置旁通管后，提升了換熱管內存水溫度，減緩了熱量傳遞，降低了停水溫升。

圖8 增加旁通前后換熱平衡瞬時換熱管內水溫分布示意圖

如表3，為旁通混水方案16 L 燃氣熱水器用水中途啟停出水溫度波動測試數據，由測試數據可知，采用旁通混水方案，在常用溫度及水流量范圍內已能滿足熱水恒溫使用要求，即使在60 ℃設置溫度，水流量10 L/min時，恒溫表現也很好。

4 總結

燃氣熱水器由于自身結構及恒溫控制原理決定了當熱輸出需求變化時，會產生溫度波動，比較典型的使用場景如用水過程中水量波動、用水中途啟停等，影響消費者用水體驗。現有恒溫技術方案中，后置混水罐雖然可以解決用水過程中的溫度波動，但增加了冷態啟動時間，延長用戶等待，造成更多水資源浪費，不算是理想的恒溫控制技術提升方向，只能在一定范圍內改善熱水器恒溫性能。快速啟動縮短了啟動時間，減小用戶等待和用水中途溫降，同時技術成本較低，適宜推廣或配合其他恒溫技術實施。旁通混水將燃氣熱水器由一元恒溫控制（燃氣加熱調節）變為二元恒溫控制（燃氣加熱調節和旁通比調節），彌補了自身結構及恒溫控制原理性缺陷，有效提升了燃氣熱水器的恒溫能力，值得進一步研究推廣。