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摘要：燃气热水器恒温性能是用户关注的焦点，各燃气热水器生产企业围绕恒温的研究提出多种解决方案，但是不能从根本上解决出热水等待时间长、出水温度忽冷忽热、二次开水不出夹生水等行业难题。针对如上问题，本文提出一种改变燃气热水器的管路设计和控制系统的研究方法。通过该方法，可实现开机后出水温度稳定时间不大于8s，出热水温度变化控制在±1℃。
关键词：燃气热水器；恒温性能；优化；提升
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。本研究主要是通过改变热水器内旁通管路的设计，同时结合用户家实际使用中存在的各种环境因素，设计一款具有出水温度恒定不变的燃气热水器。
一、燃气热水器恒温技术
恒温技术满足了人们对燃气热水器产品使用实用性、舒适性的综合要求。恒温技术是用控制的手法，实时监控一切和温度相关的参数、变量，如进水温度、出水温度、燃气阀开度、水流量大小等，通过单片机运算和程序控制，即时调整燃气阀的开度，或者切换燃烧方式，进而达到在较短时间内维持设定温度并使之恒定的口的。
恒温燃气热水器需要一个功能强大的指挥中心，这就是恒温控制器。恒温控制器通过硬件电路设计，将所有与燃烧、恒温相关的信息用电信号有机联结起来。与燃烧有关的有火焰信号、开关阀的开与关、气阀的开与关、驱动风机的运转等，与恒温相关的有进水温度、出水温度、水流传感信号、燃气阀的开度调节、风机转速的跟随变化等，所有这些制约因素在控制器的全盘计划和安排下，协调地工作：水流传感器将水流信号输送给单片机，进、出水传感器也将水温信号输送给单片机，单片机根据设置的温度，与进水温度、单片机根据实际出水温决定燃气阀的开度大小的增减，在稳定的情况下趋于恒温；当外界条件变化时，控制器单片机通过类似的方式进行快速响应，并做出预判和细调，改变气阀开度和风机转速，对应改变燃烧情况及加热强度，达到出水温度恒定的口的。
恒温技术中不应忽略的技术在于，控制器系统在合理调节恒温的同时，需兼顾燃烧情况。任何为达到恒温的指令，均意味着热水器工作热负荷的变化，也伴随着燃气阀开度的调节，为了保证高质量的燃烧工况，应使得风机转速以一个合理的取值跟随变化，才能满足热负荷、燃烧工况的要求。所以，恒温技术综合了燃烧技术，是燃气热水器技术中最富技术含量的关键技术之一。
二、燃气热水器恒温性能的优化与提升
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、关水后二次开水不出夹生水、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，以下对燃气热水器恒温性能的优化与提升进行了设计阐述。
（一）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現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。
（二）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。
（三）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O2体积分数。设计时将风机通过调节风机的功率，使得整机的燃烧过程控制在离焰燃烧曲线和和不完全燃烧曲线之间的有效范围内。
三、结语
综上所述，双水量伺服器恒温型燃气热水器的设计，全面考虑了用户在使用过程中进水压力变化、外部风压变化、多点用水的不确定性、用户对快速出热水的诉求、气压/气质条件的变化、热水器自身结构缺陷等诸多因素，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。双水量伺服器恒温型燃气热水器系统控制方面需要结合燃烧系统的设计进行性能调节匹配。
参考文献：
[1]朱洋一. 一种热负荷修正方法在恒温热水器上的应用[J]. 日用电器，2017，（07）：91-94.
[2]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.
[3]史雪婷，薛程阔，邵仕泉. 基于燃气热水器的智能恒温控制器的设计[J]. 科技风，2015，（06）：87+89.
关键词：燃气热水器；恒温性能；优化；提升
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。本研究主要是通过改变热水器内旁通管路的设计，同时结合用户家实际使用中存在的各种环境因素，设计一款具有出水温度恒定不变的燃气热水器。
一、燃气热水器恒温技术
恒温技术满足了人们对燃气热水器产品使用实用性、舒适性的综合要求。恒温技术是用控制的手法，实时监控一切和温度相关的参数、变量，如进水温度、出水温度、燃气阀开度、水流量大小等，通过单片机运算和程序控制，即时调整燃气阀的开度，或者切换燃烧方式，进而达到在较短时间内维持设定温度并使之恒定的口的。
恒温燃气热水器需要一个功能强大的指挥中心，这就是恒温控制器。恒温控制器通过硬件电路设计，将所有与燃烧、恒温相关的信息用电信号有机联结起来。与燃烧有关的有火焰信号、开关阀的开与关、气阀的开与关、驱动风机的运转等，与恒温相关的有进水温度、出水温度、水流传感信号、燃气阀的开度调节、风机转速的跟随变化等，所有这些制约因素在控制器的全盘计划和安排下，协调地工作：水流传感器将水流信号输送给单片机，进、出水传感器也将水温信号输送给单片机，单片机根据设置的温度，与进水温度、单片机根据实际出水温决定燃气阀的开度大小的增减，在稳定的情况下趋于恒温；当外界条件变化时，控制器单片机通过类似的方式进行快速响应，并做出预判和细调，改变气阀开度和风机转速，对应改变燃烧情况及加热强度，达到出水温度恒定的口的。
恒温技术中不应忽略的技术在于，控制器系统在合理调节恒温的同时，需兼顾燃烧情况。任何为达到恒温的指令，均意味着热水器工作热负荷的变化，也伴随着燃气阀开度的调节，为了保证高质量的燃烧工况，应使得风机转速以一个合理的取值跟随变化，才能满足热负荷、燃烧工况的要求。所以，恒温技术综合了燃烧技术，是燃气热水器技术中最富技术含量的关键技术之一。
二、燃气热水器恒温性能的优化与提升
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、关水后二次开水不出夹生水、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，以下对燃气热水器恒温性能的优化与提升进行了设计阐述。
（一）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現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。
（二）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。
（三）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O2体积分数。设计时将风机通过调节风机的功率，使得整机的燃烧过程控制在离焰燃烧曲线和和不完全燃烧曲线之间的有效范围内。
三、结语
综上所述，双水量伺服器恒温型燃气热水器的设计，全面考虑了用户在使用过程中进水压力变化、外部风压变化、多点用水的不确定性、用户对快速出热水的诉求、气压/气质条件的变化、热水器自身结构缺陷等诸多因素，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。双水量伺服器恒温型燃气热水器系统控制方面需要结合燃烧系统的设计进行性能调节匹配。
参考文献：
[1]朱洋一. 一种热负荷修正方法在恒温热水器上的应用[J]. 日用电器，2017，（07）：91-94.
[2]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.
[3]史雪婷，薛程阔，邵仕泉. 基于燃气热水器的智能恒温控制器的设计[J]. 科技风，2015，（06）：87+89.