韓健 曹冠中 葉盛響 黃凱

青島經濟技術開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

0 引言

燃氣熱水器具有即熱即用、節(jié)能低耗的優(yōu)點，已經越來越受到用戶的認可。鑒于安全原因，通常強排式燃氣熱水器被安裝在廚房，水被加熱后需通過管道輸送到衛(wèi)生間使用，使得熱水器的加熱端和出水端存在一定距離，從而水的抵達溫度與加熱端有一定溫度差，存在“夾層水”現(xiàn)象。所謂“夾層水”，即用戶在洗浴過程中，關停出水閥后再次打開時，水溫會出現(xiàn)先熱后涼的狀態(tài)。本文研究的核心問題為如何盡可能減少水溫波動，保持恒溫。

針對以上問題，已有研究人員著重從軟件層面進行優(yōu)化[1]。對業(yè)內主流品牌燃氣熱水器控制系統(tǒng)[2][3]進行反向拆解，重點借鑒其前饋和后饋控制策略[4][5]，但該種方法效果已經達到一定極限值，溫度維持在±2℃，若結構硬件不做任何升級，恒溫效果將一直徘徊不前。本文借鑒TRIZ理論中物場原理[6]，將加熱系統(tǒng)和用水系統(tǒng)分別定義為S1物場和S2物場，在該模型內嘗試兩種不同方案：①物場原理，在S1物場和S2物場之間增加S3物場（內循環(huán)裝置），有效利用燃氣熱水器內部的熱力場混水均溫；②技術矛盾解，利用條件分離當中的借助中介物（增加水罐）解決高低水溫問題；每種模型模擬用戶真實使用場景進行實驗。

另外，對于夾層水的問題，由于每個用戶家中的具體管路安裝和每個人的舒適度體感不同，對同樣條件的出水，體驗結論可能千差萬別，對此建立了初步的熱水器舒適度評價體系，在一定進水溫度、出水距離、出水量的前提下，從最低水溫和最小夾層水量兩個維度進行等級評定，共區(qū)分出4個等級來定義夾層水的舒適度。

綜上分別結合兩種夾層水改善方法測試結果，輸出各方法夾層水的改善效果等級，評估現(xiàn)有產品平臺改動可行性和投入產出比，最終選定水罐+內循環(huán)裝置為改善策略，即在熱水器出水端增加一個0.5 L的儲水罐加停水循環(huán)燃燒，7 L流量以下，能將最低水溫提升10℃，能有效解決7 L以下流量的夾層水問題。

1 TRIZ解題方法

1.1 附加場解

1.1.1 物場模型建立

最簡單的物場模型至少應該包含以下三個元素：

（1）第一種物質（S1）：作用的承受者（本文中指管中水）；

（2）第二種物質（S2）：作用的施加者（本文中指加熱系統(tǒng)）；

（3）場（F）：存在于作用施加者和承受者之間的作用。

用圖1表示場F對于S1和S2的作用。

圖1 物場模型

1.1.2 附加場建立

目前燃氣熱水器當中的燃燒器和換熱器共同組成S2對管中水S1進行F加熱作用，但是目前此物場并不是十分完善，存在一個時間差的矛盾，在S2不對S1發(fā)生作用的時候，S1中有部分冷水未被加熱，會摻雜在熱水中，形成夾層水。根據TRIZ理論中的利用環(huán)境資源并引入添加物的物場模型方法，充分利用S1中的熱力場，增加S3（內循環(huán)管路），將S1中熱力場直接引入到進水口處以中和進水涼水，進行二次加熱，縮短升溫時間。圖2為物場模型的變化示意圖，圖3為熱水器中的管路示意圖。

圖2 復合物場模型

圖3 熱水器管路示意

1.2 技術矛盾解

TRIZ中的技術矛盾是指在改善對象的某個參數(shù)（A）的時候，導致另一個參數(shù)（B）的惡化，此時，稱參數(shù)（A）和參數(shù)（B）構成了一對技術矛盾。

在本文研究的課題當中，出水管前段水溫和后段水溫就是一對技術矛盾，前段水溫高，后段水溫必然低；前段水溫低，后段水溫必然高。從而利用TRIZ標準解中條件分離方法中的借助中介物原理[6]，在出水口前端增加一個中介物儲水罐，從而將前段出水和后段出水的水溫快速中和起來，將水溫的上下波動拉平。

燃氣熱水器內部結構空間非常緊湊，且外殼尺寸平臺已經確定，嘗試在內部搭載1 L和0.5 L水罐兩種解決方案。結論是1 L水罐方案在10 L/min流量下能較好解決水溫降低的問題，能夠將最低水溫提高7℃～9℃。存在的問題是首次加熱時加熱時間由10 s提到20 s以上，延長了加熱時間；增加一個0.5 L的儲水罐能提升最低水溫7℃，能解決5 L以下流量的夾層水問題，但5 L以上的由低溫水引起的夾層水問題，解決效果不明顯。

綜上，對于1.1附加場解（內循環(huán)）和1.2技術矛盾解（水罐）單獨運用[7]，都不能完全解決夾層水問題，從而需要進行綜合運用，才有可能達到理想改善效果，在本文后續(xù)實驗過程中將兩者合并在一起進行驗證。

2 舒適度評價分級

2.1 夾層水溫度曲線

夾層水溫度曲線如圖4所示。

圖4 夾層水溫度曲線

圖4中紫色曲線為出水口最低溫度27℃，時間為8.19 s；藍色曲線為8 m處出水口最低溫度30℃，時間為7.58 s；綠色曲線為13 m出水點最低溫度34℃，時間為7.38 s。以上為沒有增加任何改善措施時夾層水原始出水狀態(tài)。這個曲線描述了如下這個洗浴場景：在冬季沐浴時候，關水后再開，先是一股更高溫度的熱水，繼而是一股冷水，持續(xù)時間大約在7 s。洗浴體驗忽冷忽熱，要提防水溫變化。

2.2 舒適度評價分級標準

2.2.1 測試條件和方法

（1）測試條件

進水溫度：（9±1）℃；燃氣條件：0～2 Kp；供水壓力為0.1 MPa，供水水壓穩(wěn)定[7]。

設置狀態(tài)：按說明書要求管路連接，在出水口設置溫度傳感器，能連續(xù)監(jiān)控溫度變化。溫度設定42℃，將進水流量調節(jié)到使熱水器處于最大負荷流量?；虿捎迷黾舆M水壓力方式使熱水器在最大熱負荷狀態(tài)下工作。

測試母本：選定海爾JSQ31-16CR5SWU1型號燃氣熱水器，制熱水能力：16 L/min；額定輸入功率48 W；額定熱負荷31 kW；外觀尺寸：640 mm×390 mm×1600 mm。

測試設備：海爾熱水器試驗臺，如圖5所示。

圖5 實驗設備

（2）測試方法

熱水器點燃運行10 min后關閉出水，2 min后再次開水運行，測定出熱水的最低溫度。記錄出水溫度曲線，并根據曲線記錄溫度低于37℃的時間，根據時間和流量計算出夾層水水量[8]。

2.2.2 夾層水舒適度評價分級標準

結合2.2.1測試條件和方法，按照最大負荷，開機10 min后停機4 min再次重啟，按照通常自來水8 L/min的流量，結合熱水器型號水路參數(shù)，在出水口、8 m用水點、13 m用水點產生的低于37℃的出水量分別為：1.09 L；1.01 L；0.98 L。可以用最低水溫和最低夾層水量來衡量夾層水改善效果評定[9]。

舒適度評價標準是筆者根據多次實驗結果從水量、溫度和時間三個維度進行綜合劃分的：若最低水溫較低，夾層水量又大，恒溫所需時間又長，用戶的洗浴感受肯定是較差的，定義為舒適度第四級；相反，如果最低水溫和體溫基本相仿，夾層水量很小或者幾乎為零，夾層水量小，必然意味著達到恒溫的時間較短，綜合來看，用戶的洗浴感受將會有很大改善，相對而言是最佳的，定義為舒適度第一級；介于這兩種情況中的其他狀態(tài)，定義為第二和第三級，且分級標準是以最低水溫為較大權重。分級標準如表1所示。

表1 夾層水舒適度評價分級標準

3 方案測試和數(shù)據分析

3.1 無水罐方案與1 L水罐方案對比

測試方法：進水溫度10℃，設定出水溫度42℃。在不同流量下加熱至設定溫度，再停水2 min，測試加水罐（1 L）和不加水罐兩種情況下的出水溫度的最低溫度。測試數(shù)據如表2所示，水路循環(huán)如圖6所示。

表2 無水罐方案與1 L水罐方案對比

測試結論：增加1 L水罐后，最低水溫為37℃時，夾層水量已經為0 L，舒適度評級結論為一級。綜上，10 L流量下能很好解決水溫降低問題，能夠將最低水溫提高7～9℃。存在的問題是首次加熱時加熱時間由10 s提到20 s以上，雖然符合首次加熱時間國標要求＜35 s，但是帶給用戶的體驗不佳，嘗試使用更小水罐方案，例如0.5 L。

3.2 無水罐方案與0.5 L水罐方案對比

測試方法：進水溫度10℃，設定出水溫度42℃。在不同流量下加熱至設定溫度，再停水2 min，測試加水罐（容積0.5 L）和不加水罐兩種情況下的出水溫度的最低溫度，測試數(shù)據如表3所示，水路循環(huán)同圖6，其中水罐更換為0.5 L容積。

圖6 多個磁芯疊繞的共模電感

表3 無水罐方案與0.5 L水罐方案對比

圖6 無水罐方案（左）與1 L水罐（右）方案結構對比

測試結論：無水罐時，8 m位置最低水溫為31℃時，夾層水量為0.95 L，舒適度評級結果為四級；增加一個0.5 L水罐后最低水溫31.5℃時，夾層水量為0.85 L，舒適度評級位于三級和四級之間。綜上，增加0.5 L水罐一定程度可以改善5 L以下流量的夾層水問題，5 L以上低溫水引起的夾層水改善效果不明顯。繼續(xù)嘗試0.5 L水罐+內循環(huán)結合方案[10]。

3.3 內循環(huán)＋0.5 L水罐方案

測試方法：進水溫度10℃，設定出水溫度42℃。在不同流量下加熱至設定溫度，再停水2 min（停水期間打開內循環(huán)，水泵帶動機器燃燒約10 s，再不燃燒循環(huán)30 s），測試加水罐（容積0.5 L）情況下的出水溫度的最低溫度[11]，如表4所示，水路循環(huán)如圖7所示。

表4 內循環(huán)＋水罐0.5 L方案

圖7 內循環(huán)+0.5 L水罐方案

測試結論：增加一個0.5 L儲水罐加內循環(huán)燃燒，7 L流量時，最低水溫34℃，夾層水量1.07 L，舒適度為三級。綜上，7 L流量以下，能將最低水溫提升10.5℃，能夠解決夾層水問題，7 L以上大流量低溫水引起的夾層水效果不明顯。

綜上實驗結論，選定內循環(huán)+0.5 L水罐作為解決方案，對此做加強驗證；分別是（1）無水罐；（2）0.5 L水罐；（3）0.5 L水罐+內循環(huán)方案。驗證數(shù)據如表5所示，舒適度評級對比如表6所示。

表5 內循環(huán)+0.5 L水罐解決方案對比測試

表6 解決方案舒適度評級對比

4 結論

本文依據TRIZ理論中的技術矛盾解原理，選擇增加中間物場策略，從而輸出搭載1 L水罐，0.5 L水罐兩種方案，在進行實驗后，均無法達到預期恒溫出水效果，再次利用TRIZ中附加場原理，利用熱水器內部本身具有的冷端（加熱前水管內的常溫水），將冷端和熱端用內循環(huán)管進行連接，輸出水罐+內循環(huán)的第三種方案，實驗結果優(yōu)于前述兩種方案。同時，制定用戶洗浴體驗進行舒適度等級評價標準，綜合最低水溫和夾層水量進行評估，輸出水罐+內循環(huán)方案勝出。

綜上，從整個產品競爭力維度宏觀評價，對于此項技術創(chuàng)新，產品改善最為核心的三要素為：舒適度評級標準+成本+內部結構改善空間。由于燃氣熱水器內部空間的限制，首選0.5 L水罐方案，經實驗驗證，如果只搭載0.5 L水罐，對于水溫的恒定起到的貢獻值有限，從表5可以看出，在平均7 L的夾層水量前提下，0.5 L水罐方案僅能將出水最低溫度提升到31.5℃，在距離熱水器8 m處出水口位置出水溫度為33℃，尚低于人體常規(guī)體溫（36.5℃），總體體驗舒適度較低。鑒于此，在搭載0.5 L水罐的前提下，復合內循環(huán)水管，最低出水溫度達到34℃，8 m處出水溫度達到35℃，接近人體體溫，舒適度有顯著提升。從而本文研究結論為：從物理結構改善角度，增加0.5 L儲水罐和內循環(huán)水路可以將燃氣熱水器的洗浴舒適度提升一個標準等級，一定程度上解決燃氣熱水器水溫忽冷忽熱的用戶痛點，后續(xù)可以配合復合控制軟件的更新，使用戶體驗更佳。