燃氣采暖熱水爐熱水舒適性提升方法探討

■ 徐麥建 林林勇

（廣東萬和熱能科技有限公司，廣東佛山，52832）

0 前言

近年來，以燃氣采暖熱水爐為核心, 末端由散熱器或低溫輻射地板采暖組成分戶獨立采暖系統(tǒng)，以其突出的節(jié)能、舒適、環(huán)保優(yōu)勢，成為分戶供暖系統(tǒng)的主力軍。隨著人們生活水平的提高，用戶對熱水舒適體驗度要求越來越嚴格。

燃氣采暖熱水爐作為供暖與熱水雙重功能的熱源設(shè)備，生產(chǎn)商往往重采暖輕熱水，其熱水功能與燃氣熱水器有著較明顯差距，用戶反映使用熱水過程中最為突出的問題是等待時間長、忽冷忽熱，嚴重降低燃氣采暖熱水爐適用性以及舒適性，因此有必要對現(xiàn)有常規(guī)燃氣采暖熱水爐生活熱水功能以及外部熱水系統(tǒng)進行優(yōu)化。

1 常規(guī)燃氣采暖熱水爐熱水舒適性分析

歐洲標準EN 13203-1標準中規(guī)定了6個評估熱水舒適性指標分別為：①加熱時間tm（s）；②流量變化溫度波動ΔT1（K）；③流量恒定溫度波動ΔT2（K）；④水流量變化時的溫度穩(wěn)定時間ts（s）；⑤最小額定水流量Dm（L/min）；⑥連續(xù)供應(yīng)期間停水溫升ΔT3（K）。結(jié)合廣大用戶切身感受，參考熱水舒適性的其中3個指標包括加熱時間，流量變化引起的溫度波動，以及連續(xù)供水周期的溫度波動來分析常規(guī)燃氣采暖熱水爐衛(wèi)浴性能，在實驗室對常規(guī)燃氣采暖熱水爐進行測試分析。

所選用的常規(guī)燃氣采暖熱水爐為板換機，其額定熱輸入為26kW，額定熱輸出為24kW。衛(wèi)浴進水溫度為20℃±1℃，熱水溫度取樣點為燃氣采暖熱水爐衛(wèi)浴出水嘴，記錄室內(nèi)溫度為22℃，環(huán)境濕度85%～90%。

1.1 加熱時間測試

測試方法參考GB25034-2020，并結(jié)合用戶實際使用要求對溫升及流量參數(shù)做了調(diào)整，分別設(shè)置7L，溫升35℃（滿足用戶冬季最低水流量及洗浴溫度），10L,溫升25℃（滿足用戶春秋季節(jié)較為舒適流量及洗浴溫度）。記錄衛(wèi)生間出水溫度，實驗結(jié)果如圖1、表1所示。

表1 加熱性能

表1中，流量7L，△t=35℃,出熱水時間為56s，流量10L，△t=25℃出熱水時間為51s。隨著衛(wèi)浴水溫越升越高，流量越大，其加熱時間將更長。與相同功率的燃氣熱水器其加熱時間t≤20 s相比，距離相差明顯。燃氣采暖熱水爐相比燃氣熱水器其預(yù)清掃時間更長,且熱水是通過間接加熱的或通過板式換熱器或套管水加熱,因此衛(wèi)浴水加熱時間較長。

1.2 連續(xù)供水,開關(guān)末端水閥對水溫波動影響

設(shè)置燃氣采暖熱水爐進水流量為10L，溫升25℃,模擬用戶在使用生活熱水過程中任意時間關(guān)閉熱水末端，記錄熱水溫度變化，測試結(jié)果如圖2所示：

圖2 常規(guī)燃氣采暖熱水爐水溫超調(diào)

圖2中，啟停階段最高溫度為47℃（停水生產(chǎn)的最高溫升），最低溫度為27℃（開水閥產(chǎn)生最低冷水溫度），其水溫偏差為+2℃/-18℃,有關(guān)標準對停水溫升做了限定，主要從安全性考慮，保證即使短時間頻繁開啟也不會出現(xiàn)熱水溫度過高而危及人身安全的情況，而所采用的常規(guī)燃氣采暖熱水爐為板換機，停水溫升較低。但關(guān)水后再開水，水溫大幅突降，即使是瞬間也會引起身體不適應(yīng)，大大降低燃氣采暖熱水爐的熱水舒適性。

1.3 水流量波動引起的溫度變化

設(shè)置燃氣采暖熱水爐初始進水流量為10L，待熱水溫度達到目標溫度穩(wěn)定后，流量迅速變化至7L，待溫度趨向穩(wěn)定，再將水流量迅速提到10L,記錄整個周期熱水出水溫度變化情況。

從圖2水流波動階段，當水流量在7L與10L波動時，溫度變化范圍47.4℃～41.2℃，偏離目標溫度+2.4℃/-3.8℃,當水溫變化超出2℃時,用戶將感覺到明顯的忽冷忽熱。

目前國內(nèi)普遍采用PID控制方式及采用模糊控制算法，其控制原理是根據(jù)出水溫度變化趨勢與溫差關(guān)系調(diào)整控制參數(shù)或控制輸出量，對調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定性有較好的作用，但由于恒溫系統(tǒng)具有非線性和滯后性的特點，尤其是受到控制系統(tǒng)離散性及換熱器的熱慣性影響，PID參數(shù)難以確定，對于燃氣采暖熱水爐啟停和水流量較大波動時，響應(yīng)時間較長，因此單從恒溫控制程序來改善加熱時間和水溫超調(diào)作用不大。

2 燃氣采暖熱水爐熱水系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)以上分析，要縮短常規(guī)燃氣采暖熱水爐的加熱時間以及水溫超調(diào)幅度,單從恒溫控制程序上難以有較大的改善,同時用戶用水是從末端打開水閥直接感受,為實現(xiàn)即開即熱，熱水溫度恒定, 一方面從燃氣采暖熱水爐自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)上改善,另一方面對外部系統(tǒng)管道進行優(yōu)化。

2.1 采用水比例控制方案分析

目前市場上的燃氣采暖熱水爐一般只實現(xiàn)燃氣比例控制，即根據(jù)進水流量大小，溫度對燃氣流量進行控制，而無法對衛(wèi)浴進水流量進行比例調(diào)節(jié)，因此當進水流量大，冬天溫度低時，燃氣采暖熱水爐加熱時間自然就慢，有的用戶選用的燃氣采暖熱水爐功率較小，出現(xiàn)加不熱的現(xiàn)象，如能進行燃氣與水流量雙向調(diào)節(jié)，即可縮短加熱時間，同時當水流出現(xiàn)較大增幅時，通過水比例閥快速將水流量減少，以使熱水快速恒溫，然后再將水流逐漸加大，保持熱水溫度不變。

本實驗對具有水比例調(diào)節(jié)功能的燃氣采暖熱水爐進行測試，設(shè)定進水流量為10L,溫升25℃，測試其熱水加熱時間及水流波動對恒溫性能影響，其結(jié)果如圖3，同時對比普通燃氣采暖熱水爐加熱性能。

圖3 水比例控制恒溫性能

在點火加熱階段，達到目標溫度45℃時，無水比例控制燃氣采暖熱水爐加熱時間為44s，而有水比例調(diào)節(jié)加熱時間為32s，速度提升27%，隨著溫升增高，水比例閥調(diào)節(jié)作用將更加突顯。當水壓從10L迅速增加到14L時，無水比例閥調(diào)節(jié)最大降幅達到-4.3℃,最后穩(wěn)定溫度為42℃，無法加熱到目標溫度。當有水比例閥調(diào)節(jié)時，水溫波動為1.5℃,且溫度快速穩(wěn)定在45℃。隨進水流量的增大，水比例閥調(diào)節(jié)恒溫作用將更加突顯。水比例控制技術(shù)應(yīng)用具備以下優(yōu)點：

①啟動時其自動降低水流量以加快出熱水速度,其綜合加熱速度較傳統(tǒng)燃氣采暖熱水爐提升30%以上；

②在使用過程中，當進水流量發(fā)生變化時會自動修正進入機器內(nèi)的水流量，保持相對一致，以減少水溫波動；

③當因冬天進水溫度過低，燃氣流量已達最大值時，溫度仍無法滿足沐浴需求，其會自動修正水流量以使出水溫度達到需求值；

④在用氣高峰因用氣量過大而造成供給不足時，溫度達不到需求，會自動修正水流量確保溫度不變。

2.2 采用內(nèi)置儲水罐方案分析

縮短燃氣采暖熱水爐由啟動到恒溫整個緩慢加熱過程，可以通過在燃氣采暖熱水爐內(nèi)部增加一個小體積帶盤管儲水罐，其工作原理如圖4，當儲水罐內(nèi)部水溫低于啟動溫度時，燃氣采暖熱水爐由外部供暖狀態(tài)，通過電動三通將供暖水切換到水罐盤管回路，以水罐內(nèi)的儲水進行換熱。當達到所設(shè)定溫度后，自動轉(zhuǎn)為外圍供暖狀態(tài)，當檢測到有使用生活熱水時，且儲水罐水溫低于啟動溫度，燃氣采暖熱水爐優(yōu)先加熱衛(wèi)浴水?？紤]到儲水罐內(nèi)的盤管面積小，加熱能力有限，因此機器正常使用生活熱水是通過板式換熱器來換熱。

圖4 原理圖

此機型的最大優(yōu)點在于提供即熱恒溫?zé)崴?，減少了燃氣采暖熱水爐由啟動到恒溫整個緩慢加熱過程，單使用少量熱水時，可直接從儲水罐放出少量的水滿足需求，而無需啟動采暖熱水爐避免了機器頻繁啟動，減少能耗浪費。此類燃氣采暖熱水爐采用的儲水罐體積一般為25L～30L，進水流量的波動以及末端用水的啟停引起的溫度變化，水流經(jīng)過儲水罐后，進行緩沖混合，因此對進水溫度變化有很好的過濾作用，出水溫度控制在≤±2℃，由于增加了儲水罐，整機體積增加接近1倍，占用較大安裝空間。

2.3 采用熱循環(huán)零冷水系統(tǒng)分析

熱循環(huán)零冷水系統(tǒng)是對燃氣采暖熱水爐內(nèi)部熱水管道及外部輸水管道上的冷水進行預(yù)熱達到目標溫度，用戶開水閥時即迅速出熱水。實現(xiàn)該功能需在燃氣采暖熱水爐內(nèi)部熱水系統(tǒng)增加高揚程直流循環(huán)水泵以及恒溫緩沖水罐，其外部管道布置如圖5所示：

圖5 外部管道連接

其工作原理是通過反復(fù)加熱，使得系統(tǒng)管道處于保溫狀態(tài)。當系統(tǒng)管道水流溫度降低至啟動溫度時，燃氣采暖熱水爐啟動加熱，在水泵的作用下不斷將管道冷水循環(huán)加熱，當達到目標溫度停止加熱。當打開末端水閥時，燃氣采暖熱水爐檢測到水流信號，再進入衛(wèi)浴模式正常工作狀態(tài)。

由于熱循環(huán)零冷水系統(tǒng)是對管道水提前預(yù)熱，因此很好的解決燃氣采暖熱水爐熱水加熱時間長問題，實現(xiàn)水閥即開即熱，有效的避免管道冷水的浪費，節(jié)約水資源。該方案通過對系統(tǒng)進行測試，分析用戶開關(guān)熱水末端閥門以及水流量波動引起的溫度變化得到的改善程度。

其測試條件與方法按上述1.2和1.3，將測試數(shù)據(jù)整理如圖6，并與常規(guī)燃氣采暖熱水爐熱水性能進行對比分析。

圖6 熱循環(huán)系統(tǒng)水溫超調(diào)

通過表2可以了解到采用熱循環(huán)零冷水技術(shù)，對用戶開關(guān)熱水末端閥門以及水流量波動引起的溫度變化有較大的改善。

表2 水溫超調(diào)對比

對熱循環(huán)零冷水系統(tǒng)，當水壓波動時，經(jīng)過熱交換器一次換熱后的水溫發(fā)生變化（與設(shè)定溫度存在一定的溫差）通過與內(nèi)置的緩沖水罐內(nèi)恒溫水充分換熱后，溫差必然會減少，洗浴過程中感覺不到水溫明顯變化。緩沖水罐容積大小直接影響二次加熱恒溫效果，容積越大，恒溫效果越佳，同時還要結(jié)合整機空間結(jié)構(gòu)布局，以最終確定容積，以上測試選用了1.2L恒溫水箱。

3 對比與總結(jié)

通過以上測試分析對常規(guī)燃氣采暖熱水爐從自身結(jié)構(gòu)及外部系統(tǒng)優(yōu)化，結(jié)果表明各項解決方案在不同程度的改善熱水舒適性，具體如表3所示。

表3 方案性能對比

從表3可以看出，常規(guī)燃氣采暖熱水爐增加水比例閥控制以及采用熱循環(huán)零冷水系統(tǒng)兩者均有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，可以采用兩者方案結(jié)合進行設(shè)計 ，實現(xiàn)即開即熱，讓消費者告別熱水等待和浪費，有效的緩解洗浴過程中忽冷忽熱現(xiàn)象，且成本低、不增加額外的安裝空間，解決困擾用戶多年的痛點，提升常規(guī)燃氣采暖熱水爐的適應(yīng)性及舒適性。