摘要：热水器包括燃气热水器、电热水器、太阳能热水器以及热泵辅助太阳能热水器等。目前我国城市居民仍部分使用燃气热水器，并以冷凝式燃气热水器为主。冷凝式热水器在配备普通显热换热器的基础上增加了带有二次换热的冷凝式换热器，热水器进水管道首先连接冷凝式换热器，通过吸收烟气的潜热量对冷水进行预热，同时降低出口排烟温度。冷凝式热水器能将排烟温度控制在40℃，当过剩空气系数为1．4时，冷凝式热水器的效率可达到98%。热水器内设控制电路以及流量传感器，通过监测热水器设定点的温度和进水流量来计算相应所需的燃气热负荷以及进气流量，并通过调节燃气阀门的开度来实现热水器的进气燃烧过程。
关键词：加热时间；热水温升；进水流量
引言
就冷凝式燃气热水器系统内部管路存在蓄热导致热量传递发生延迟的情况为前提，建立热水温升与加热时间关系的数学模型，综合分析加热时间的3个主要影响因素，并根据国标规定的加热时间进行进水流量与进气流量的匹配。发现在常用进水流量区间为9～16L/min下，将进气流量的区间定为10．5×10－4～14．2×10－4m3/s较合理，将最小进气流量控制为14．2×10－4m3/s时均符合国标规定的加热时间要求。
1.热水温升与加热时间关系数学模型的建立
燃烧室中燃气燃烧释放的热量并不直接传递给流水管路中的水。在热水器系统中，换热盘管与流水管路等其他设备充当中间蓄热和传热的介质，某一时刻燃气燃烧释放的热量部分传递给流水管路中的水供其吸热升温，另一部分热量传递给设备存储，直到下一时刻再将这一部分热量传递给水吸热升温。蓄热能力与设备的热容有关，设冷凝式热水器系统中包括盘管和流水管路等所有设备的热容为Ct，单位为kJ/℃，下文称系统热容。
2.加热时间的影响因素分析
2.1系统热容Ct对加热时间的影响
系统的热容Ct是热水器的固有属性，有关学者通过实验数据的样本点进行最小二乘法的拟合并通过线性回归进行校核分析，得到的最终待定系数Ct的取值为21．7～25．3kJ/K。在此，将热水温升与加热时间的数学模型导入MATLAB软件进行模拟计算，系统热容Ct以2为步长进行划分，其余参数取均值且保持不变，热水温升与加热时间的关系曲线如图1所示。
图1.不同系统热容下热水温升与加热时间的关系：
由于存在蓄热，上图中热水的温升随时间的延长呈非线性上升。此外，热容越大，同一时刻下热水的温升越小，相同温升下热水器的加热时间越长。热容由小到大依次对应的时间常数分别为τ1=25s，τ2=27．4，τ3=30．1s，可知热容越小，时间常数越小，热水器加热时间越少。
2.2进水流量mw对加热时间的影响
热水器的进水流量是影响加热时间的重要因素，也会影响热水器加热过程中热水所能达到的最终温升。同样将热水温升与加热时间的数学模型导入MATLAB软件进行模拟计算，进水流量按照相关内容确定的合理进水流量区间9～16L/min以2为步长进行划分，热水温升与加热时间的关系曲线如图2所示。
图2.不同进水流量下热水温升与加热时间的关系：
从上图中可以看出热水温度随时间的延长而呈曲线的趋势上升，但是不同的进水流量使热水器所能达到的温升也不同，进水流量越小，热水器可加热的最终温升越高，进水流量mw=9L/min时，可达到接近60K的温升；当进水流量提高到mw=15L/min时，最终温升不到40K；此外，进水流量越小，加热40K温升所用的时间越少，当进水流量mw=9L/min时，加热时间在40s以内，当进水流量提高到mw=15L/min时，加热时间就延长至60s外。但是，随着流量的减小，时间常数τ反而越大，这是因为不同进水流量决定的最终温升不同，因此，此时的热水器加热时间不能用时间常数的大小来反应。进水流量对时间常数的影响在第3节中会提及。
2.3进气流量Gw对加热时间的影响
进气流量由微处理器根据不同的进水流量以及设定点温度来进行控制。通常经微处理器得到的进气流量，所能提供的折算热负荷只满足将热水加热达到所需的温升，并没有严格要求加热时间。在此，首先研究进气流量对加热时间的影响，同样将热水温升与加热时间的数学模型导入MATLAB软件进行模拟计算，进气流量的范围参考有关内容给出的进水流量以及温升达到40K时所对应的进气流量以0．2×10－4进行划分，热水温升与加热时间的关系曲线如图3所示。
图3.不同进气流量下热水温升与加热时间的关系：
3.进水流量与进气流量的匹配
前文分析了加热时间的三个影响因素，由于系统热容是热水器内部管件的固有属性，热水器对材料的选用有所限制，且加热时间减少不明显，因此通过降低系统热容以减少加热时间不是妥善的办法。其次，只有在一段时间内，热水器温升统一，这一段加热时间才具有可比性。因此，本研究选择国标GB6932－2015《家用燃气快速式热水器》规定的加热时间的试验条件进行模拟。其中初始进出口温差ΔT0=0，温升ΔTss=40K，即要求达到的最终温升统一为40K，在满足该条件时匹配进水流量与进气流量，找到符合国标规定的匹配关系才是减少加热时间的合理方法。在最终温升固定的情况下，随着进水流量的提高，与之相对应的进气流量也增加，但同时加热时间却减少了。随进水流量的增加，时间常数依次为τ1=37s，τ2=31s，τ3=24s，τ4=20s，可见当最终温升固定时，进水流量越大，时间常数越小，热水器加热时间越少。但此时热水器的加热时间依然远大于35s，不符合国标要求。若单独通过减少进水流量或提升进气流量，虽然可以使加热时间缩短至35s，但是此刻热水产率会减小，很大程度上影响用户的实际体验。
结论：
简而言之，由于冷凝式热水器内部存在系统热容会导致热水器内管路对热量有蓄热的作用，热量传递给水在时间上发生延迟，因此热水温升与加热时间呈非线性增长趋势；另外，系统热容对加热时间的影响可由时间常数τ反映，其影响因素主要为系统热容Ct，系统热容越小，时间常数越小，加热时间越少，但不会影响热水器最后的温升；进气流量与进水流量决定热水器的最终温升，且进水流量越小，进气流量越大加热时间越小；当最终温升确定后，进水流量越大，时间常数越小，热水器加热时间越少。
参考文献
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[2]刘永芳，冯良，鲁泓，等．冷凝式燃气热水器水温变参数PID控制方法［J］．煤气与热力，2018，33（10）：13－16，25
论文作者:王治安
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年8期
论文发表时间:2019/8/1
标签：流量论文; 时间论文; 热水器论文; 水温论文; 越小论文; 系统论文; 热容论文; 《建筑学研究前沿》2019年8期论文;