燃氣采暖熱水爐暖浴同步運行技術研究

邱振春

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

概述

隨著管道燃氣的快速普及以及政府“煤改氣”等政策的推動，集體供暖朝著燃氣分戶供暖的方向快速發(fā)展，燃氣采暖熱水爐逐步被中國市場所接受，越來越普及[3]，燃氣采暖熱水爐具備供暖和衛(wèi)浴功能，但是這兩種功能卻不能同時運行，即運行供暖不能運行衛(wèi)浴，運行衛(wèi)浴不能運行供暖，這導致用戶在某些使用場景下長時間使用衛(wèi)浴功能時導致整個房間室內溫度降低，影響用戶供暖的舒適性。針對該類情況，為提升燃氣采暖熱水爐的適用性，本文將結合實際對供暖、衛(wèi)浴同步運行技術進行研究。

1 原理分析

燃氣采暖熱水爐按照生活熱水的換熱形式分為兩類：套管式和板換式，套管式燃氣采暖熱水爐由于供暖水溫和衛(wèi)浴水溫會互相影響，很難對供暖水及衛(wèi)浴水溫度進行單獨控制，所以選用板換式燃氣采暖熱水爐進行研究，根據圖1板換式燃氣采暖熱水爐運行原理圖可知：常規(guī)式燃氣采暖熱水爐供暖時供暖水的流向為①-②-③-④-A-室內散熱片-D-⑧-①；衛(wèi)浴時供暖水的流向為①-②-③-④-⑥-⑧-①，衛(wèi)浴水的流向為C-⑦-⑥-⑤-B；根據供暖時和衛(wèi)浴時整機水系統(tǒng)的運行特點及圖2三通閥結構圖可知，要實現(xiàn)供暖、衛(wèi)浴功能同步運行，需要在三通閥處將供暖水一分為二，一部分流向用戶散熱片進行供暖，一部分流向板式換熱器對衛(wèi)浴水進行加熱，即對供暖、衛(wèi)浴的功率進行再分配，這需要將三通閥的電機更改為步進電機，以實現(xiàn)對供暖和衛(wèi)浴的功率進行有效分配。

圖1 板換式燃氣采暖熱水爐運行原理圖

圖2 三通閥結構圖

2 方案設計及控制方法

1）方案設計1：根據以上原理分析可知，三通閥的普通電機需要更換為步進電機，并且由于增加供暖、衛(wèi)浴同步運行功能后會增加三通閥芯的使用強度，而常規(guī)式燃氣采暖熱水爐均是將三通閥置于供暖水出水位置，屬于高溫區(qū)，這會對三通閥閥芯的壽命產生一定的影響，為了延長三通閥閥芯壽命，將三通閥更改至回水端，屬于低溫區(qū)，并在常規(guī)式的燃氣采暖熱水爐基礎上增加衛(wèi)浴進水溫度探頭、采暖水水流量傳感器1、采暖水水流量傳感器2、供暖水回水溫度探頭，總體的方案設計如圖3所示。

圖3 方案設計1

控制方法：根據原理分析及方案設計1可知，供暖、衛(wèi)浴同步運行時，供暖和衛(wèi)浴功率分配是通過步進電機三通閥對流經主換熱器的供暖熱水進行有效分流實現(xiàn)，這需要知道以下幾個參數：整機功率、衛(wèi)浴功率、供暖功率以及三通閥步進電機在不同位置對應供暖、衛(wèi)浴流量分配曲線，以便快速實現(xiàn)供暖、衛(wèi)浴的分流，實現(xiàn)快速恒溫；整機功率=衛(wèi)浴功率﹢供暖功率，其中衛(wèi)浴功率可以通過衛(wèi)浴進水流量、衛(wèi)浴進水溫度、用戶設置的出水溫度、板式換熱器的效率計算得出，供暖功率可以通過供暖水水流量傳感器1、供暖水水流量傳感器2、供暖水回水溫度探頭以及用戶設置的溫度計算得出，而步進電機三通閥不同位置對應的供暖及衛(wèi)浴流量分配，可以根據內置不同使用環(huán)境下的基礎曲線，后期根據實際情況選擇合適的基礎曲線并加以修正得到，這樣就可以快速分配好供暖和衛(wèi)浴的所需功率并恒溫，控制原理圖如圖4所示。

圖4 控制原理圖

2）方案設計2：沿用方案一的三通閥設計，其他和常規(guī)式燃氣采暖熱水爐維持一致，不做更改，總體的方案設計如圖5所示。

圖5 方案設計2

控制方法：根據原理分析及方案設計2可知，供暖、衛(wèi)浴同步運行時，供暖和衛(wèi)浴功率分配是通過步進電機三通閥對流經主換熱器的供暖熱水進行有效分流實現(xiàn)，該方案需要知道以下參數：整機功率、供暖功率以及衛(wèi)浴功率；該方案并沒有增加各種傳感器，也沒有內置三通閥步進電機不同使用環(huán)境下不同位置對應的供暖及衛(wèi)浴流量分配基礎曲線，而是依據衛(wèi)浴優(yōu)先的原則，整機運行后，整機快速達到用戶設定的衛(wèi)浴溫度后，此時整機功率=衛(wèi)浴功率，主控制板開始控制步進電機三通閥慢慢開啟流經用戶散熱片方向的供暖水，同時調節(jié)燃氣比例閥，增加整機功率，確保衛(wèi)浴出水的溫度變化在合適范圍內，直到整機功率=衛(wèi)浴功率﹢主控制板記錄的用戶最近一次單供暖功率，最終完成分流，實現(xiàn)供暖、衛(wèi)浴同步運行，控制原理圖如圖6所示。

圖6 控制原理圖

3 方案對比選擇

以上兩種方案各有各的優(yōu)勢，也有各自的缺點，方案設計1能夠快速的確認整機功率及分配好供暖及衛(wèi)浴各自所需功率，但是由于增加了較多的傳感器，這對主控制板的要求更高，成本相對較高，并且步進電機三通閥還需要大量的基礎數據，增加設計難度；方案設計2雖然不能快速的確認整機功率、供暖功率、三通閥步進電機的位置，會一定程度上延長整機功率的穩(wěn)定及供暖功率分配，但是方案設計2并不影響衛(wèi)浴水恒溫速度及舒適性，并且控制誤差也較??；綜上所述，方案設計2優(yōu)于方案設計1，本文將選擇方案設計2進行實驗測試及數據分析。

4 實驗測試及結果分析

考慮到用戶實際使用情況，衛(wèi)浴、供暖同步運行只有在功率較大機型上使用才具有意義，所以采用輸入為53 kW的大功率機型（衛(wèi)浴帶有分段燃燒功能）在20 ℃環(huán)境溫度下進行測試，根據換熱原理及三通閥結構可知，供暖水入口處供暖水流量相同時，溫度越高，步進電機每走一步對衛(wèi)浴溫度的影響就越大，所以衛(wèi)浴進水溫度為20 ℃，衛(wèi)浴出水溫度設置為60 ℃，溫升40 K，供暖溫度設置為80 ℃，采用10 ℃冷卻水冷卻[1]，并控制冷卻水流量使得機器單供暖時記錄的最近一次供暖功率為整機最大負荷，為了充分驗證該方案的適用性，需要在不同阻力的供暖系統(tǒng)下使用不同的衛(wèi)浴水流量模擬用戶不同的衛(wèi)浴用水需求進行測試；通過表1可知增設不同數量外置水泵可模擬不同的供暖系統(tǒng)阻力：外置泵數量越多，流量越大，可模擬阻力越小的供暖系統(tǒng)；根據表2和圖7可知，不同阻力的供暖系統(tǒng)，三通閥步進電機每走一步供暖分流流量是不一致的：供暖系統(tǒng)阻力越小，三通閥步進電機每走一步供暖分流越大。

圖7 三通閥步進電機不同步數對應不同外置泵數供暖分流流量

表1 外置泵數對應單供暖時最大供暖水流量

表2 三通閥步進電機不同步數對應不同外置泵數供暖分流流量

根據測試數據表3和圖8可知：相同的衛(wèi)浴流量時，無外置水泵分流穩(wěn)定時間最長，一個外置泵次之，二個外置泵最短，這是因為三通閥步進電機動作相同步數時，供暖系統(tǒng)阻力越大，分流就越小，完成供暖功率分配時間就越長，供暖系統(tǒng)阻力越小，分流就越大，完成供暖功率分配時間就越短；相同外置泵數時，衛(wèi)浴流量越大，分流完成時間越快，這是因為衛(wèi)浴流量越大，剩下可分給供暖的功率就越小，三通閥步進電機走的步數也就越少，所以分流完成時間就越快；同時也可以看出供暖功率分配完成時間較長，基本都在600 s（10 min）左右，衛(wèi)浴水流量480 L/h以下會達到1500 s（25 min）左右，但是我們的房屋一般具備一定保暖效果，根據圖6控制原理圖可知，在衛(wèi)浴恒溫10 s后機器就會開始控制三通閥步進電機分流給供暖，而衛(wèi)浴恒溫時間符合標準在90 s內就能完成，所以基本可維持房屋溫度不出現(xiàn)大的波動；并且衛(wèi)浴水的溫度波動維持在±2 ℃，滿足衛(wèi)浴用水需求[2]，綜上，該方案可實現(xiàn)供暖、衛(wèi)浴同步運行功能。

圖8 不同外置泵數不同衛(wèi)浴水流量對應分流穩(wěn)定時間

表3 不同阻力供暖系統(tǒng)步進電機三通閥分流時衛(wèi)浴性能

5 結語

1）供暖、衛(wèi)浴功能同步運行燃氣采暖熱水爐可以通過不同的方案實現(xiàn)，可以根據實際情況進行方案選擇；

2）供暖、衛(wèi)浴功能同步運行的難點在于供暖、衛(wèi)浴功率分配時對衛(wèi)浴水溫度的影響；

3）通過實驗驗證，采用功率記憶、三通閥步進電機及燃氣比例閥的協(xié)調控制可實現(xiàn)供暖、衛(wèi)浴同步運行功能，并且衛(wèi)浴水溫波動維持在±2 ℃，可滿足用戶的使用需求。