梁展程

（廣東萬(wàn)和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

燃?xì)獠膳療崴疇t作為一種既能供暖也能提供生活熱水的兩用產(chǎn)品，隨著近年來(lái)煤改氣的大力開(kāi)展，燃?xì)獠膳療崴疇t的銷量得到爆發(fā)性增長(zhǎng)。然而舒適衛(wèi)浴一直是燃?xì)獠膳療崴疇t的短板，隨著用戶熱水舒適性要求提高，提升生活熱水舒適性的需求更顯突出。目前行業(yè)中燃?xì)獠膳療崴疇t負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較小，即最大負(fù)荷與最小負(fù)荷的比例小，普遍約達(dá)2.5∶1[1]，尤其是夏天，出現(xiàn)衛(wèi)浴水過(guò)燙的問(wèn)題，用戶體驗(yàn)感差，投訴頻繁。又因?yàn)闊嵩矗慈細(xì)獠膳療崴疇t）與用水點(diǎn)間存在一段距離，在使用衛(wèi)浴功能時(shí)，通常需要排放這一段距離的冷水后才能獲取加熱的熱水。這一段距離的冷水排放既浪費(fèi)水資源又浪費(fèi)時(shí)間，影響用戶的衛(wèi)浴體驗(yàn)[2]。因此，帶分段燃燒和循環(huán)熱水技術(shù)的燃?xì)獠膳療崴疇t的開(kāi)發(fā)成為行業(yè)迫切的需要。

1 分段燃燒最低熱負(fù)荷與循環(huán)熱水的設(shè)計(jì)

1.1 分段燃燒最低熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)

市面上大部分的燃?xì)獠膳療崴疇t不帶分段燃燒的，譬如一臺(tái)額定熱負(fù)荷30 kW的燃?xì)獠膳療崴疇t最小熱負(fù)荷達(dá)到12 kW，最小負(fù)荷較大；按熱效率85 %計(jì)算，熱輸出為10.2 kW。以普通家庭花灑水流量約7 L/min計(jì)算。

式中：

Q—燃?xì)獠膳療崴疇t輸出熱量，J；

C—水的比熱容，4.2×103 J /（kg·℃）；

m—水的質(zhì)量，kg；

△T—溫度變化量，K。

根據(jù)熱量計(jì)算公式（1），溫升約為18.6 k。以最小負(fù)荷運(yùn)行，溫升高達(dá)18.6 k，特別是夏季的時(shí)候，自來(lái)水的水溫可高達(dá)30 ℃，而人體舒適衛(wèi)浴的水溫約為（37 ～41）℃，衛(wèi)生熱水過(guò)燙的問(wèn)題尤為突出，影響用戶體驗(yàn)。為使衛(wèi)生熱水的溫度符合舒適衛(wèi)浴的要求，需要把30 ℃的衛(wèi)生進(jìn)水加熱到37 ℃，溫升為7 k，代入式（1）中，得出最小熱輸出Q為4.04 kW，按85 %的熱效率計(jì)算，熱輸入Q為4.75 kW。本文30 kW燃?xì)獠膳療崴疇t使用13排燃燒器，單一火排的最小熱輸入Q為0.92 kW。由于整機(jī)的最小熱輸出需要滿足衛(wèi)生熱水的加熱需求，得出分段燃燒最小分段檔為5 排。

1.2 循環(huán)熱水的設(shè)計(jì)

帶循環(huán)熱水功能的燃?xì)獠膳療崴疇t水路原理，如圖1所示，在現(xiàn)有燃?xì)獠膳療崴疇t上，多設(shè)置一個(gè)衛(wèi)浴循環(huán)回水口，并在回水管路增設(shè)一個(gè)循環(huán)回水泵，回水泵用于驅(qū)動(dòng)管路中的冷水進(jìn)行循環(huán)，進(jìn)入燃?xì)獠膳療崴疇t內(nèi)加熱，使管路中隨時(shí)有熱水，能夠滿足用戶即開(kāi)即熱的舒適洗浴要求。

圖1 循環(huán)熱水功能原理圖

另外，由于衛(wèi)生用水流經(jīng)緩沖水箱后再流至用戶用水點(diǎn)，因此我們需要設(shè)置緩沖水箱內(nèi)的水溫。又考慮到緩沖水箱的管道是與外部相連的，會(huì)隨著時(shí)間的變化而改變，緩沖水箱水溫的最低溫度和最高溫度即為機(jī)器啟動(dòng)和停止的條件，當(dāng)達(dá)到最高溫度時(shí)，停止加熱；達(dá)到最低溫度時(shí)，開(kāi)始運(yùn)行加熱。緩沖水箱的最低溫度和最高溫度即循環(huán)熱水的溫度差。循環(huán)熱水的溫度差不宜設(shè)置過(guò)大或過(guò)小，過(guò)大水溫差異過(guò)大，使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生前端水冷后端水熱的現(xiàn)象，舒適體驗(yàn)感差；過(guò)小則容易造成燃?xì)獠膳療崴疇t頻繁啟動(dòng)，縮短產(chǎn)品使用壽命，降低可靠性。

以衛(wèi)浴負(fù)荷需求30 kW的機(jī)型為例，設(shè)置循環(huán)熱水保溫溫度最高為43 ℃，最低為38 ℃，循環(huán)回水溫差為5 K，在外接長(zhǎng)度為100 m，直徑為DN15的管道上，循環(huán)回水水流量約5 L/min，代入式（1）中，得出最小熱輸出Q為1.7 kW，按85 %的熱效率計(jì)算，熱輸入Q為2.0 kW。因?yàn)閱我换鹋诺淖钚彷斎霝?.92 kW，因此最小需分配的火排數(shù)為2。結(jié)合單個(gè)火排的負(fù)荷比和負(fù)荷段間需足夠的重疊區(qū)，綜合所得第一分段火排數(shù)量為2，第二分段火排數(shù)量為4，第三分段火排數(shù)量為7，第四分段火排數(shù)量為13。

從表1得出各分段區(qū)域的最大/最小負(fù)荷，同時(shí)第一區(qū)域與第二區(qū)域的負(fù)荷重疊區(qū)域?yàn)椋?.68～4.62）kW，重疊區(qū)域負(fù)荷為：4.62 kW-3.68 kW=0.94 kW；第二區(qū)域與第三區(qū)域的負(fù)荷重疊區(qū)域?yàn)椋?.44～9.23）kW，重疊區(qū)域負(fù)荷為：9.23 kW-6.44 kW=2.79 kW；第三區(qū)域與第四區(qū)域的負(fù)荷重疊區(qū)域?yàn)椋?2～16.15）kW，重疊區(qū)域負(fù)荷為：16.15 kW-12 kW=4.15 kW。負(fù)荷比能夠高達(dá)16∶1，同時(shí)在不同負(fù)荷段的重疊，能實(shí)現(xiàn)高低負(fù)荷間的切換。

表1 火排分段數(shù)量及最大/最小負(fù)荷

2 分段燃燒技術(shù)和循環(huán)熱水功能測(cè)試驗(yàn)證

2.1 分段燃燒技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證

在環(huán)境溫度24 ℃，大氣壓101.8 kPa，市電電壓220 V，天然氣12 t，燃?xì)鉁囟?3.9 ℃的條件[3]下對(duì)額定功率為30 kW的燃?xì)獠膳療崴疇t進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試各分段燃燒時(shí)的性能工況，如表2各分段燃燒時(shí)的性能工況所示。

表2 各分段燃燒時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)

圖2各分段燃燒時(shí)的實(shí)際出水溫度與設(shè)置出水溫度對(duì)比

圖2 各分段燃燒時(shí)的實(shí)際出水溫度與設(shè)置出水溫度對(duì)比

由表2各分段燃燒時(shí)的性能工況可知，該燃?xì)獠膳療崴疇t為4分段燃燒，第1段為2排火燃燒，第2段為4排火燃燒，第3段為7排火燃燒，第4段為13排火燃燒。該燃?xì)獠膳療崴疇t在各分段狀態(tài)下均能保持極低的CO排放，證明了風(fēng)量與燃?xì)馀浔群侠?，燃?xì)馊紵浞郑紵r良好。另外，如圖2各分段燃燒時(shí)的實(shí)際出水溫度與設(shè)置出水溫度對(duì)比所示，實(shí)際出水溫度與各設(shè)置出水溫度偏差均在±1 ℃，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)恒溫。

2.2 循環(huán)熱水測(cè)試驗(yàn)證

在環(huán)境溫度24.2 ℃，大氣壓101.6 kPa，市電電壓220 V，天然氣12 T，燃?xì)鉁囟?3.8 ℃的條件[3]下對(duì)本項(xiàng)目額定功率為30 kW的燃?xì)獠膳療崴疇t進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試零冷水性能。為模擬家庭使用環(huán)境，在燃?xì)獠膳療崴疇t外接長(zhǎng)100 m、直徑為DN15并且?guī)в斜孛薜难h(huán)管路，在50米處設(shè)置一個(gè)用水點(diǎn)，分別設(shè)置出水溫度38 ℃、42 ℃、45 ℃，測(cè)試用水點(diǎn)處即開(kāi)水時(shí)的實(shí)際出水溫度，如表3用水點(diǎn)實(shí)際出水溫度所示。

表3 用水點(diǎn)實(shí)際出水溫度

由表3和圖3的測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，用水點(diǎn)開(kāi)水即出熱水，且測(cè)試該用水點(diǎn)在3次不同的設(shè)置出水溫度下，分別連續(xù)測(cè)試10 s，發(fā)現(xiàn)實(shí)際出水溫度與設(shè)置出水溫度的偏差均在±1 ℃內(nèi)，即循環(huán)熱水功能使管道內(nèi)的水溫達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度。

圖3 設(shè)定用水點(diǎn)實(shí)際出水溫度

從以上的數(shù)據(jù)可以看出，分段燃燒技術(shù)應(yīng)用在燃?xì)獠膳療崴疇t上，大大提高了整機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)比，滿足高負(fù)荷輸入的同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)小負(fù)荷的精準(zhǔn)控溫，實(shí)現(xiàn)冬季高溫升、夏季低溫升的要求。循環(huán)熱水技術(shù)的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)用戶即開(kāi)即熱的需求，循環(huán)回收前端冷水再利用，節(jié)約水資源。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分別研究了分段燃燒與循環(huán)熱水兩種技術(shù)及其在燃?xì)獠膳療崴疇t上應(yīng)用情況，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下：

1）本文中燃?xì)獠膳療崴疇t為4分段燃燒，各分段狀態(tài)下均能保持極低的CO排放，風(fēng)量與燃?xì)馀浔群侠?，燃?xì)馊紵浞?，燃燒工況良好；實(shí)際出水溫度與各設(shè)置出水溫度偏差均在±1 ℃，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)恒溫。

2）應(yīng)用本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的循環(huán)熱水技術(shù)后，用水點(diǎn)開(kāi)水即出熱水，且測(cè)試該用水點(diǎn)在3次不同的設(shè)置出水溫度下，分別連續(xù)測(cè)試10 s，實(shí)際出水溫度與設(shè)置出水溫度的偏差均在±1 ℃內(nèi)，管道內(nèi)的水溫精準(zhǔn)達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度。

3）分段燃燒技術(shù)應(yīng)用在燃?xì)獠膳療崴疇t上，大大提高了整機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)比，滿足高負(fù)荷輸入的同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)小負(fù)荷的精準(zhǔn)控溫，實(shí)現(xiàn)冬季高溫升、夏季低溫升的要求。循環(huán)熱水技術(shù)的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)用戶即開(kāi)即熱的需求，循環(huán)回收前端冷水再利用，節(jié)約水資源。