摘 要

    本文介绍了一种燃气采暖热水炉与外置储水箱组合系统，对其组合结构及控制方式进行了合理的设计，并通过实验分析了各种情况下储水箱内水温的变化情况和储水箱的保温情况。实验结果表明，对燃气采暖热水炉与外置储水箱组合系统进行合理的设计，能满足用户大用水量的需求，提高生活品质。

    关键词 燃气采暖热水炉；储水箱；水温分层

    前言

    目前燃气采暖热水炉行业内，燃气采暖热水炉的供暖功能优势明显，但在生活热水功能上却相对较弱，主要体现在生活热水加热时间偏长、出水量不足等影响使用舒适性。储水式燃气采暖热水炉相对较少，只有部分欧洲品牌的厂家才有推出此类产品。考虑到已购置燃气采暖热水炉用户的大生活热水用量需求，开发作为燃气采暖热水炉配置的外置储水箱，无需对热水炉作任何修改，包括电控程序。用户能根据自身生活热水用量需求而选置，不仅可大大提升生活热水的品质，而且能避免重新购置储水式燃气采暖热水炉的资源浪费。

    常用的储水箱有两种：一种是具有内置盘管（U形或螺旋形）的储水箱；另一种是单纯的储水箱。由于部分用户已购置的热水炉是单暖机（只有供暖功能而没有提供生活热水功能），而有大生活热水用量的需求。因此，本文采用前者进行讨论。

    1 外置储水箱的设计

    1.1 容积设计

    根据ASHREA手册中热水供应（Service Water Heating）的有关章节，对于典型的普通四口之家平均每天的生活热水用量约240升，按人们一天内的生活热水用量规律，如图1，在19：00～22：00之间生活热水用量约占全天的40%。另外，由于盘管的容积和底层低温水的存在，故引入容量系数α，α=热水储量/储水箱容积，α取0.8。因此储水箱理论容积为V=240×40%÷α=120L，考虑到在特别情况下，生活热水用量可能会超出理论值，故本设计采用150L外置储水箱。不同的用户会有不同的用水方式和用水时间，不能一概而论，但也可以根据上式大概设计出适合不同场合的储水箱。

    1.2 结构设计

    储水箱盘管实际上是一个换热器，但其换热方式为浸没式换热，换热效率不高。而燃气采暖热水炉热流密度大，这可能产生一种情况：储水箱生活用水与盘管内供暖热水换热效率低，换热不充分，致使燃气采暖热水炉启动超温保护。

    在这种情况下，燃气采暖热水炉停止运行，无法实现正常的供暖功能。由于家用燃气采暖热水炉的额定负荷通常在16kW～32kW之间，因此我们选取热流密度最大的32kW燃气采暖热水炉与储水箱进行组合。根据GB 18111-2000《燃气容积式热水炉》中的6.10.1，以低热值计算的热效率不应低于75%和测试结果，得出储水箱结构，详细参数如表1。

    2 燃气采暖热水炉与外置储水箱组合系统的设计

    2.1 结构设计

    由于本设计中的储水箱作为一个配置产品，用户是根据实际情况而选置与否，部分用户已购置的热水炉可能为单暖机，没有提供生活热水功能，但又有大热水用量需求，因此本设计在结构上是以燃气采暖热水炉内的供暖热水作为热媒，流经储水箱盘管与生活用水进行换热，如图2。

    从图中可看出，热水炉中的供生活热水的板式换热器部分存在与否是视热水炉性质而定的，若热水炉为单暖炉，则板式换热器部分是不存在的。在储水箱盘管与室内散热器的交汇处设置电子三通阀，用于切换供暖热水的流向；温度控制器设置在储水箱内靠上部，使生活用水出水温度贴近实时检测水温；采暖热水上进下出，生活用水下进上出，供暖热水与生活用水对流换热，保证生活热水出水温度；储水箱壳身上设置水泵，循环储水箱内底层的低温水与高层高温水，缓解水温分层问题；在生活热水出口处设置水流量传感器，实时检测出水流量。

    2.2 控制方法

    根据图2的管道布置可知，燃气采暖热水炉在正常供暖状态下，启动储水箱，设置储水箱水温，当温度控制器检测到储水箱水温低于设定温度的下限值时，储水箱电控程序控制电子三通阀切换供暖热水流向，使供暖热水流入储水箱盘管，与储水箱生活用水换热；水泵转动，带动储水箱内高低层水循环。当温度控制器检测到储水箱水温高于设定温度的上限值时，储水箱电控程序控制电子三通阀切换供暖热水流向，使供暖热水流入室内散热器，水泵停转。

    另外，当水流量检测到生活热水出水流量高于设定值时，储水箱电控程序控制电子三通阀切换，维持采暖热水流入储水箱盘管，以避免突然的大用水量而热水供应不足问题，具体的控制流程如图3。

    3 实验结果与分析

    考虑到系统自身原因，系统可能出现三种问题：

    （1）储水箱生活用水与盘管内供暖热水换热效率低，换热不充分，致使燃气采暖热水炉自身供暖通道超温保护；

    （2）储水箱水温分层现象严重，影响大生活热水用量时舒适性；

    （3）储水箱保温不良，影响使用生活热水的即时性，防止浪费能源。

    3.1 燃气采暖热水炉恒温燃烧下储水箱生活用水温度变化

    以额定负荷为32kW燃气采暖热水炉运行系统，设置供暖出水温度为最大值80℃、储水箱生活用水温度最大值60℃，本设计要求前者设置温度需大于后者设置温度。

    由表2和图4可知，燃气采暖热水炉从点火至燃烧稳定后以最大热负荷工作，随着储水箱生活用水的升温也逐渐自动减少供暖热输入，最后以最小热负荷工作。因温差减小、换热减慢，储水箱生活用水到达55℃后温度上升速度减慢，直至设定温度的上限值65℃后，供暖热水流向室内散热器。

    若将供暖出水温度调低，则储水箱盘管换热时间拉长；若将储水箱生活用水温度调低，则燃气采暖热水炉以更快的速度降至最小热负荷工作，保持供暖出水恒温。

    实验结果表明：燃气采暖热水炉恒温燃烧下储水箱生活用水温度逐步升高，但未出现燃气采暖热水炉超温保护而机器停止工作的现象。

    3.2 在使用循环水泵与否两种情况下储水箱各层水温的变化

    从图5和图6可知，在某一时刻，生活用水温度随水箱高度的增高而上升，即存在水温分层现象，引起这种情况的原因是由于储水箱盘管与生活用水之间是浸没式换热，上下层传热靠水与水的自然热传导。同时，冷热水密度的差异也是造成水温分层的重要因素。另外，随着系统运行时间的推移，水温分层现象越明显。如图5，在没有使用储水箱循环水泵的情况下，最大温差达30℃；如图6，使用储水箱6m循环水泵的情况下，温差可控制在20℃左右，如忽略成本要求，可选用扬程更大或采用多个循环水泵，这可进一步缓解水温分层问题。

综合图5和图6数据，我们得到在使用储水箱循环水泵与否两种情况下在不同时刻里的水温分层情况对比，如表3。

    实验结果表明：储水箱内水温分层现象是存在的，可通过增加循环水泵方式使其影响降低，提高大生活热水用量时舒适性。

    3.3 储水箱的保温测试

    按GB/T 23137-2008《家用和类似用途热泵热水器》中5.7.1要求，系统正常工作至温控器断开，切断电源和水源，自然放置24小时，要求热水温差不得大于8℃。本设计中的储水箱采用保温材料是50mm聚氨酯泡沫塑料，测试点设在热水出水口处。图7给出了系统正常工作至储水箱温控器断开，关闭系统电源和水源，自然放置24小时内该点水温变化情况。从图中可看出，在24小时后，测试点水温降温不足8℃，且随着热水温度降低，水温降低速度减慢。实验结果表明：储水箱保温性能良好，使用生活热水即时性高，能源浪费少。

    4 结论

    本组合系统根据用户实际的生活热水用水方式和用水量进行了合理设计，并通过实验分析其合理性。其目的在于满足用户大用水量的需求，提高生活品质。鉴于行业内储水式燃气采暖热水炉相对较少，本文所提出的燃气采暖热水炉与外置储水箱组合、配置式储水箱、系统控制方法都将是值得思考的论点，望能给行业发展带来推动。

    参考文献

    [1]杨世铭等，传热学，第4版，高等教育出版社，北京：2006.

    [2]GB 25034-2010.燃气采暖热水炉.

    [3]GB 18111-2000.燃气容积式热水器.

    [4]GB/T 23137-2008.家用和类似用途热泵热水器.

    点评：

    燃气采暖热水炉（壁挂炉）的热水功能一直没有得到很好的开发，本文从壁挂炉加外置水箱的设计和实验分析上做了论证和分析。本人一直主张各品牌厂家加大壁挂炉热水功能的推广力度，外置水箱产品和内置水箱产品都应该在市场上有极好的应用前景。特别内置水箱产品占地面积小，可以壁挂，省掉几万元的水箱占地面积成本。随着人们对于卫生热水功能的认识提高和各品牌的推广，壁挂炉的舒适卫生热水功能将得到市场认可。