吴桂安 李志敏 朱莲宗 邓飞忠 仇明贵

（华帝股份有限公司 中山 528400）

引言

为实现宽频恒温满足洗浴舒适性要求，变频调速及分段燃烧技术逐渐在燃气热水器上推广应用。在开发过程中发现燃气热水器在分段燃烧过程中采用相同的风机转速调节曲线，会出现同等负荷条件下，选用小火力段时出现运行噪音相对较大、效率较低等问题，严重影响了燃气热水器使用洗浴舒适。本文将通过具体的实验测试分析探讨不同工况条件下，燃烧负荷与风机转速的关系从而提出相应的解决方案，实现宽频恒温舒适洗浴目的。

1 恒温燃气热水器的工作说明

燃气热水器的加热过程满足热平衡，恒温控制算法的基础也是基于热平衡式，通过计算进水温度与预设目标温度之间的温差以及进水流量来确定热水器工作时需要负荷，具体可表示为[1]：

式中：

V1—水量，m3/h；

Q—负荷，MJ/h；

t0—进水温度，℃；

t—出热水温度，℃；

η—热效率，%；

Cp—水比热，MJ/（m3·h）。

因而对于燃气热水器而言，通过对不同温差及进水流量的需求可以设置不同大小的分段负荷，采用不同的负荷区间进行工作可以满足热水器加热需求，并可达到降低燃烧噪音与提高洗浴舒适性的效果。

负荷的输出是由燃气燃烧产生的能量，稳定燃烧充分释热的过程符合燃烧反应一般过程：

式（2）反映了消耗一定量的燃气所需要的理论空气量的多少，燃气热水器燃烧过程实际的供给燃烧的空气量总是大于其理论空气量，其过剩空气系数α 均大于1，过剩空气系数值的大小另一方面体现了燃气燃烧的充分程度，对于评估燃烧工况具有重要意义，可以通过对燃烧过程的烟气进行测定得出：

式中：

ζ—理论干烟气量与理论干空气量之比，与气源类型有关。

一般的恒温燃气热水器都是根据水流量、进水温度及设置温度等自动调节合适的负荷档位，同时根据固有的风量调节曲线调速风机转速保证满足燃气燃烧的要求，这就容易导致整机在部分负荷工作时存在过剩空气系数过大，燃烧不充分、烟气偏高、燃烧热量损失大的问题。

通过对各负荷段下的风量进行合理匹配控制则可以有效解决上述存在的温度，此技术需要对分段燃烧控制下的风机转速进行变频调速控制：

1）变频调速：燃气热水器在工作过程中，不同燃烧负荷对应着不同风机转速，实现全程燃烧负荷与风机转速的匹配调节；

2）分段燃烧：通过对燃气热水器燃烧系统进行分段燃烧控制，从而保证满足宽频恒温的特性要求。

2 不同火分段条件下风量匹配的分析与研究

2.1 采用单一风量调节曲线试验分析

对于分段燃烧的恒温型燃气热水器，其不同火力段工作时，整机工况受风机转速影响，可通过以下试验方法进行试验分析。

以16 L（30 kW）燃气热水器（2-4-6 分段）燃烧系统为例：

1）测试条件：室温为20±5 ℃、天然气、额定燃气压力2 000 Pa。

2）风机调速范围：2 000 ～3 000 r/min。

3）测试方法：通过对热水器不同火力段采用单一风量调节曲线进行线性调节，分别对最小PiL、PiL+B、PiL+2B、最大PiH（i=1，2，3 表示不同分段）四个负荷点的热效率、工作噪音等数据进行采样，并记录测试结果，如表1 所示。

表1 相同风机转速范围各火力段参数及试验结果

4）根据试验结果得出的不同火力段，热负荷与热效率关系曲线图（见图1）可发现采用单一风量调节曲线对不同火力段进行风量线性调节，整机处于小火力段运行时，过剩空气系数α 明显偏大，热效率η 明显偏低。

图1 不同火力段各负荷点热效率曲线图

5）根据试验结果得出的不同火力段，热负荷与工作噪音关系曲线图（见图2）可发现采用单一风量调节曲线对不同火力段进行风量线性调节，相近负荷点工作时整机处于小火力段运行时，工作噪音明显偏大。

图2 不同火力段各负荷点工作噪音曲线图

2.2 不同火力段采用风量匹配调节的试验分析

1）维持采用单一风量调节曲线试验条件。

2）结合整机燃烧工况及抗风压性能等关键技术指标选择不同火力段风机转速范围，如表2 所示。

表2 各火力段参数选用风机转速参数

3）根据各火力段已确定风机转速参数，分别对最小PiL、PiL+B、PiL+2B、最大PiH 四个负荷点的热效率、工作噪音等数据进行采样，并记录测试结果，如表3 所示。

表3 不同风机转速范围各火力段参数及试验结果

4）根据试验结果得出的不同火力段，热负荷与热效率关系曲线图（见图3）可发现采用风量匹配调节曲线对不同火力段进行风量线性调节，整机小火力段热效率η 曲线得到明显提升。

5）根据试验结果得出的不同火力段，热负荷与工作噪音关系曲线图（见图4）可发现采用风量匹配调节方式，整机运行噪音根据负荷大小自然变化。

3 过剩空气系数对比

根据不同火力段采用单一风量曲线调节与风量匹配调节两种方案的过剩空气系数对比，如图5 所示。

从图5 可以看出：

图5 不同条件下过剩空气系数

1）满足整机工况行件下，小火力段运行时过剩空气系数随着负荷点的增大逐渐减小，采用风量匹配控制方法是可以发现过剩空气系数逐渐由小火力段向大火力段靠拢，最终趋于合成一体。

2）对于小负荷点过剩空气系数控制除考虑整机燃烧工况外，需进一步考虑该负荷点抗风压特性，更进一步需结合系统烟温与对应露点温度差值，避免冷凝水产生。

4 结论

本文对燃气热水器分段燃烧时风量匹配问题进行了试验验证分析，基于此提出了针对不同火力段进行相应的风量匹配应用方案，并进行实验对比，结果表明该方案可以很好的优化提升燃气热水器燃烧工况问题，并得出了以下结论：

1）风量匹配技术方案应用，可以有效保证不同火力段燃烧时，整机热效率输出能保持稳定。

2）风量匹配技术方案应用，可以满足整机全负荷段工作噪音呈线性走向，避免不同火力段条件下，整机工作噪音都可达到峰值。

3）在风量匹配技术方案设计时，充分考虑过剩空气系数与各负荷段排烟温度对露点温度及整机抗风压的影响进而保证产品的环境适应性及可靠性。