摘要：本文主要对燃气热水器恒温性能要求及不稳定的原因进行了分析，并对燃气热水器恒温性能优化策略进行了探讨，以供同仁参考。
关键词：燃气热水器；恒温性能要求；不稳定原因；优化策略
一、前言
燃气热水器凭借出水速度快的优势得到消费者的认可，但消费者对产品的体验要求也越来越高，如增强使用过程中的安全预警功能、避免使用过程中出水温度忽冷忽热、关水后二次开水过烫、打开水龙头后出冷水时间长等。如何解决这些发展中的难题，成了燃气热水器行业技术攻关的课题。基于此，本文主要对燃气热水器恒温性能要求及不稳定的原因进行了分析，并对燃气热水器恒温性能优化策略进行了探讨，以供同仁参考。
二、燃气热水器的恒温性能要求及不稳定的原因分析
燃气热水器的恒温性能要求就是指在水流量、进水温度、燃气压力等发生变化的情况下，仍可保证出水温度基本恒定。燃气热水器要具有良好的恒温效果，必须做到以下三点：一是快速加热：在短时间内将冷水加热到设定的热水温度，缩短用户等待时间；二是迅速稳定：出水温度迅速稳定，减少水温超调幅度；在水流量发生变化的情况下，必须使出水温度的变化幅度尽可能小，使用户感觉不到热水温度的变化；三是准确恒温：实际出水温度变化范围尽可能接近用户所需的温度。
造成燃气热水器的恒温性能不稳定的原因主要是：一是水流量的干扰。有方案主张，仿照燃气稳压器一样设置水稳压器。把水压定在供水管网入户压力（0.05~0.4MPa）的最低值 0.05MPa，这样水量干扰便可消除。这个方案明显是行不通的，因为大容量热水器在供水压力 0.05MPa下，无法提供所需的水量。也有厂家把水稳压器的输出压力定在 0.1MPa，如果供水管网设计合理，水量充足，按设计要求入户水压应在 0.1~0.5 MPa，选取稳压器输出水压为 0.1MPa，自然能消除水压波动的影响。但是，在我国绝大部分城市，因水源不足而不能满足上述条件。所以，水流量的干扰是不可避免的。二是程序算法上的差异。根据人体对水温波动的感受，可以归结为以下三种：①超调温度≤3℃， 稳定时间≤10秒，用户感觉舒适；②4℃≤超调温度≤ 7℃，10 秒≤稳定时间≤20 秒，用户基本满意；③ 7℃≤超调温度，稳定时间＞ 20 秒，用户感觉较差。因此，当水流量发生波动时，燃气热水器的恒温控制系统程序的灵敏度优化很重要。
三、燃气热水器的恒温性能优化策略探讨
（1）缓冲舱体设计。缓冲舱体位于出水端，内设一定容积和引流管，可以存储水量，当水位达到一定高度时从引流管出水孔部位溢出，通过对前后不同时段流入的水量进行预混。下面就为大家介绍这款缓冲舱体的18L燃气热水器，用户在用水过程中，即使进水温度和流量发生变化，由于缓冲舱体的中和作用，可以有效地缓解温度的波动，大大提高洗浴舒适性。容量1.0L的缓冲水箱起到的效果大致如下：水量骤升时，热水温度的变化相当微小，人体肌肤几乎察觉不出变化。以 20℃温升为例，我们来对比两组数据。水流量从 6L升到8L，12L恒温热水器（1#）温度波动 2℃，而18L恒温热水器温度波动 0.2℃。水流量从 6L升到12L，12L恒温热水器（1#）温度波动 2.6℃；水流量从 5L升到12L，18L恒温热水器温度波动0.5℃。即使是水量骤减时，18L恒温热水器的恒温效果也是让人满意的。水流量变化在 5L以下时，温度升高＜3℃；水流量变化在 6L以上时，温度升高4.1℃。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆常规热水器在水流量发生波动时，水温超调±6℃，而且持续时间较长，用户能明显感受到水温的忽冷忽热；而18L恒温热水器凭着缓冲舱体对与设定温度温差较大的水进行了中和作用，水温超调±3℃，热水温度能够迅速地恢复到用户的设定温度，所以用户的沐浴感受还是较好的。
（2）双水量伺服器恒温系统的管路设计。本设计将进水管和出水管之间的固定旁通管更改为增加了自动调节水量变化的水流量伺服器实现自动调节旁通水流量的管路，主要目的是当进水流量或进水温度发生变化时，主管路和旁通管路水量伺服器自动调节冷水量和热水量的大小，合理调节冷热水的混合比例，实现出水口的混合水温达到设定温度。1）控制系统的硬件设计。①直流风机控制电路。直流风机控制电路的原理，是驱动电路根据 MCU输出的 PWM波形控制 MOSFET的开通和关断，再经过滤波平滑电路，生成稳定的电压供给直流风机。PWM占空比决定输出到直流电机上的平均电压。而且输出电压可以无级连续调节，本电路就是采用此原理实现直流电机的无级调速。风速反馈电路是根据风机内霍尔元件产生的信号反馈 MCU。电压/电流采样电路是把风机的电压/电流值，与未燃烧之前风机自学习时的风机电压/电流值进行比较，判断目前是有风堵现象还是降风现象，如果有风堵现象则 MCU进行输出PWM调节，提高风速，如果出现燃烧火焰离焰现象，则降低风速，以保证风量的恒定。②水量伺服器控制电路。水量伺服器控制电路是根据控制系统的需要，及时调节水量伺服器中步进电机的转速，以改变管路中水流量的大小，实现恒温调节，同时判断水量伺服器是否存在故障。水量伺服器驱动电路用 MCU 输出的方波信号来驱动水量伺服器的运行，本电路系统用 ULN2003APG 芯片来驱动水量伺服器工作。2）控制系统软件设计。①水量伺服器控制逻辑。为保证二次开水的恒温效果，须在关闭出水口后水量伺服器应该进行相关缩水动作，具体控制逻辑如下：旁通管路水量伺服器控制逻辑：关闭出水口后，旁通管路水量伺服器运行至固定默认状态，当二次打开出水口后，旁通管路水量伺服器进行缩水动作，最终将流量控制在 1L/min 附近。主路水量伺服器控制逻辑：关闭出水口后，主路水量伺服器进行缩水动作，步进电机运行至关水前水流量的 50%，开启出水口时，机器的燃烧负荷为上次稳定燃烧的工作状态，当出水温度达到设定温度时，主路水量伺服器放大流量至机器能够达到的工作负荷。水量伺服器控制作为主控制程序的一部分，需要考虑设定温度的变化对控制系统的影响。设定温度决定了开机时水量伺服器的状态，当设定温度小于等于 50℃时，主路水量伺服器调至全开状态，旁通水量伺服器调节至 1L/min 附近，随着出水温度的变化及时调整旁通水量伺服器的大小，实现出水温度恒定。当设定温度大于 50℃时，旁通水量伺服器调至关闭状态，主路水量伺服器根据燃烧最大能力的 85%以内调节合适的水流量，流量不能低于5L/min。②风机转速控制。整机在相同的燃气输出时，由于过剩空气量不同，将导致整机中风机的功率不同。通过改变整机出烟口的阻力调节整机阻力，将风机转速调定后,测试当前状态下的风机功率。燃烧过程需要找到燃烧的标准燃烧曲线（过剩 O2 体积分数为 9.5-10.5%之间）、离焰燃烧曲线和不完全燃烧曲线，记录不同燃烧曲线的过剩 O 2 体积分数。设计时通过调节风机的输出功率，使得整机的燃烧过程控制曲线在离焰燃烧曲线和和不完全燃烧曲线之间的有效范围内，有利于减少水温波动，使水温更趋近设定值。
四、结语
综上所述，基于燃气热水器水流量波动状态固有的热水特性，在整机结构中增加缓冲舱体，直接从出水端处理热水温度的波动量，抑制水温波动的效果比较明显，实现方式相对简易。此外，采用双水量伺服器恒温型燃气热水器的设计，解决了出水温度不恒定、出热水慢的难题，为行业发展提供理论参考和数据依据。
参考文献
[1]李新学,梅炳强.浅析直流变频风机在强制抽风式燃气热水器的应用[J].日用电器,2017,(06):89-93.
[2]吕瀛 ,燃气燃烧基础知识 [M]. 重庆: 重庆大学出版社,2011.
论文作者:闵仲康
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/13
标签：伺服器论文; 水量论文; 恒温论文; 温度论文; 水流论文; 燃气热水器论文; 风机论文; 《工程管理前沿》2019年第11期论文;