燃气采暖热水炉暖浴同步运行技术研究

2022-10-25邱振春

日用电器 2022年9期

邱振春

（广东万和热能科技有限公司佛山 528325）

概述

随着管道燃气的快速普及以及政府“煤改气”等政策的推动，集体供暖朝着燃气分户供暖的方向快速发展，燃气采暖热水炉逐步被中国市场所接受，越来越普及[3]，燃气采暖热水炉具备供暖和卫浴功能，但是这两种功能却不能同时运行，即运行供暖不能运行卫浴，运行卫浴不能运行供暖，这导致用户在某些使用场景下长时间使用卫浴功能时导致整个房间室内温度降低，影响用户供暖的舒适性。针对该类情况，为提升燃气采暖热水炉的适用性，本文将结合实际对供暖、卫浴同步运行技术进行研究。

1 原理分析

燃气采暖热水炉按照生活热水的换热形式分为两类：套管式和板换式，套管式燃气采暖热水炉由于供暖水温和卫浴水温会互相影响，很难对供暖水及卫浴水温度进行单独控制，所以选用板换式燃气采暖热水炉进行研究，根据图1板换式燃气采暖热水炉运行原理图可知：常规式燃气采暖热水炉供暖时供暖水的流向为①-②-③-④-A-室内散热片-D-⑧-①；卫浴时供暖水的流向为①-②-③-④-⑥-⑧-①，卫浴水的流向为C-⑦-⑥-⑤-B；根据供暖时和卫浴时整机水系统的运行特点及图2三通阀结构图可知，要实现供暖、卫浴功能同步运行，需要在三通阀处将供暖水一分为二，一部分流向用户散热片进行供暖，一部分流向板式换热器对卫浴水进行加热，即对供暖、卫浴的功率进行再分配，这需要将三通阀的电机更改为步进电机，以实现对供暖和卫浴的功率进行有效分配。

图1 板换式燃气采暖热水炉运行原理图

图2 三通阀结构图

2 方案设计及控制方法

1）方案设计1：根据以上原理分析可知，三通阀的普通电机需要更换为步进电机，并且由于增加供暖、卫浴同步运行功能后会增加三通阀芯的使用强度，而常规式燃气采暖热水炉均是将三通阀置于供暖水出水位置，属于高温区，这会对三通阀阀芯的寿命产生一定的影响，为了延长三通阀阀芯寿命，将三通阀更改至回水端，属于低温区，并在常规式的燃气采暖热水炉基础上增加卫浴进水温度探头、采暖水水流量传感器1、采暖水水流量传感器2、供暖水回水温度探头，总体的方案设计如图3所示。

图3 方案设计1

控制方法：根据原理分析及方案设计1可知，供暖、卫浴同步运行时，供暖和卫浴功率分配是通过步进电机三通阀对流经主换热器的供暖热水进行有效分流实现，这需要知道以下几个参数：整机功率、卫浴功率、供暖功率以及三通阀步进电机在不同位置对应供暖、卫浴流量分配曲线，以便快速实现供暖、卫浴的分流，实现快速恒温；整机功率=卫浴功率﹢供暖功率，其中卫浴功率可以通过卫浴进水流量、卫浴进水温度、用户设置的出水温度、板式换热器的效率计算得出，供暖功率可以通过供暖水水流量传感器1、供暖水水流量传感器2、供暖水回水温度探头以及用户设置的温度计算得出，而步进电机三通阀不同位置对应的供暖及卫浴流量分配，可以根据内置不同使用环境下的基础曲线，后期根据实际情况选择合适的基础曲线并加以修正得到，这样就可以快速分配好供暖和卫浴的所需功率并恒温，控制原理图如图4所示。

图4 控制原理图

2）方案设计2：沿用方案一的三通阀设计，其他和常规式燃气采暖热水炉维持一致，不做更改，总体的方案设计如图5所示。

图5 方案设计2

控制方法：根据原理分析及方案设计2可知，供暖、卫浴同步运行时，供暖和卫浴功率分配是通过步进电机三通阀对流经主换热器的供暖热水进行有效分流实现，该方案需要知道以下参数：整机功率、供暖功率以及卫浴功率；该方案并没有增加各种传感器，也没有内置三通阀步进电机不同使用环境下不同位置对应的供暖及卫浴流量分配基础曲线，而是依据卫浴优先的原则，整机运行后，整机快速达到用户设定的卫浴温度后，此时整机功率=卫浴功率，主控制板开始控制步进电机三通阀慢慢开启流经用户散热片方向的供暖水，同时调节燃气比例阀，增加整机功率，确保卫浴出水的温度变化在合适范围内，直到整机功率=卫浴功率﹢主控制板记录的用户最近一次单供暖功率，最终完成分流，实现供暖、卫浴同步运行，控制原理图如图6所示。

图6 控制原理图

3 方案对比选择

以上两种方案各有各的优势，也有各自的缺点，方案设计1能够快速的确认整机功率及分配好供暖及卫浴各自所需功率，但是由于增加了较多的传感器，这对主控制板的要求更高，成本相对较高，并且步进电机三通阀还需要大量的基础数据，增加设计难度；方案设计2虽然不能快速的确认整机功率、供暖功率、三通阀步进电机的位置，会一定程度上延长整机功率的稳定及供暖功率分配，但是方案设计2并不影响卫浴水恒温速度及舒适性，并且控制误差也较小；综上所述，方案设计2优于方案设计1，本文将选择方案设计2进行实验测试及数据分析。

4 实验测试及结果分析

考虑到用户实际使用情况，卫浴、供暖同步运行只有在功率较大机型上使用才具有意义，所以采用输入为53 kW的大功率机型（卫浴带有分段燃烧功能）在20 ℃环境温度下进行测试，根据换热原理及三通阀结构可知，供暖水入口处供暖水流量相同时，温度越高，步进电机每走一步对卫浴温度的影响就越大，所以卫浴进水温度为20 ℃，卫浴出水温度设置为60 ℃，温升40 K，供暖温度设置为80 ℃，采用10 ℃冷却水冷却[1]，并控制冷却水流量使得机器单供暖时记录的最近一次供暖功率为整机最大负荷，为了充分验证该方案的适用性，需要在不同阻力的供暖系统下使用不同的卫浴水流量模拟用户不同的卫浴用水需求进行测试；通过表1可知增设不同数量外置水泵可模拟不同的供暖系统阻力：外置泵数量越多，流量越大，可模拟阻力越小的供暖系统；根据表2和图7可知，不同阻力的供暖系统，三通阀步进电机每走一步供暖分流流量是不一致的：供暖系统阻力越小，三通阀步进电机每走一步供暖分流越大。

图7 三通阀步进电机不同步数对应不同外置泵数供暖分流流量

表1 外置泵数对应单供暖时最大供暖水流量

表2 三通阀步进电机不同步数对应不同外置泵数供暖分流流量

根据测试数据表3和图8可知：相同的卫浴流量时，无外置水泵分流稳定时间最长，一个外置泵次之，二个外置泵最短，这是因为三通阀步进电机动作相同步数时，供暖系统阻力越大，分流就越小，完成供暖功率分配时间就越长，供暖系统阻力越小，分流就越大，完成供暖功率分配时间就越短；相同外置泵数时，卫浴流量越大，分流完成时间越快，这是因为卫浴流量越大，剩下可分给供暖的功率就越小，三通阀步进电机走的步数也就越少，所以分流完成时间就越快；同时也可以看出供暖功率分配完成时间较长，基本都在600 s（10 min）左右，卫浴水流量480 L/h以下会达到1500 s（25 min）左右，但是我们的房屋一般具备一定保暖效果，根据图6控制原理图可知，在卫浴恒温10 s后机器就会开始控制三通阀步进电机分流给供暖，而卫浴恒温时间符合标准在90 s内就能完成，所以基本可维持房屋温度不出现大的波动；并且卫浴水的温度波动维持在±2 ℃，满足卫浴用水需求[2]，综上，该方案可实现供暖、卫浴同步运行功能。