一种快速热水的燃气热水器

Gas water heater with fast hot water

左攀 李志逢

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

1 引言

传统水温控制主要是通过检测实际出水温度与用户设置水温的差值，通过实时调整系统输出功率，最终实现出水温度等于用户设置温度。从检测到热水需求到恒温输出，系统需要不停的对比出水温度与用户设置温度，根据两者的差值反复修正输出功率，最终才能实现出水温度在用户设置温度周围小范围波动（一般正负1度以内），整个调节过程一般需要10s到20s的时间，在这一段时间内，是无法满足恒温热水要求的，用户处于等待状态，不仅用户会觉得等待时间很漫长，而且往往给人浪费水的印象。所以从用户的角度出发，希望这个等待的时间越短越好，最好是无需等待，一打开水龙头就有恒温热水可供使用，这样不仅可以拥有良好的用户体验，提升产品口碑，也可以避免水资源的浪费。

为了提高用户体验，针对用户等待时间较长的问题，下面将对燃气热水器的加热系统、控制算法做出优化，尽可能的缩短用户等待时间，提高用户体验度。

2 系统整体方案设计

2.1 系统架构设计

传统的燃气热水器主要包含水流开关、换热器、燃气阀、燃烧器、出水温度传感器、强排风机、控制器、用户参数输入等功能部件组成，系统输出功率的大小，只能通过出水温度传感器检测值与用户设置温度的差值来被动调节，调节时间相对较长，为了缩短系统调节时间，实现快速热水，需要在原有系统上，把水流开关升级为水流量传感器，用于时时检测生活热水水流量的大小，从而根据生活热水水流量大小主动调节系统输出功率，缩短调节时间；增加入水温度传感器，用于检测入水温度，从而通过计算入水温度与设置温度的温度差，主动调节系统上输出功率，进一步缩短调节时间，实现快速出热水。系统架构框图如图1所示。

2.2 部件功能介绍

水流量传感器：主要用于用户热水需求检测，产生加热需求信号；由于采用了流量传感器，在检测用户热水需求的同时，还能准确检测当前用户水流量的大小，为后续控制器微处理器计算输出功率提供输入参数。

用户参数设置：主要用于用户设定出水温度、工作模式等。

温度传感器：用于检测进出水温度，为后续控制器微处理器计算输出功率提供参数。

控制器：接收来自水流量传感器的热水需求信号及水流量参数、用户设置水温、来自温度传感器的进出水温度等参数，通过内部控制逻辑，控制风机和燃气比例阀的开启大小，从而调节燃烧器的输出功率，实现输出功率大小调节。

燃烧器：燃气与空气混合燃烧，为系统提供热能。

换热器主要用来实现水与燃气燃烧产生热能的能量交换，使自来水得到加热。

2.3 硬件实现方案介绍

当用户有热水需求时，通过水流量传感器能够第一时间检测到当前的水流量，控制器根据当前水流量的大小与历史水流量的大小进行对比，根据对比结果，提前主动调整比例阀的开度；通过进水温度传感器能够准确检测当前的进水温度，控制器通过对比当前进水温度与进水温度历史数据，根据对比结果，提前主动调整比例阀的开度；以上根据进水温度和水流量大小直接主动调节比例阀的开度，从而调整整机的输出功率，能够第一时间使得出水温度快速接近用户设定温度，而不用等到出水温度感温包检测到出水温度后，再根据出水温度与用户设置温度的差值进行调节，极大的缩短了比例调节时间。

以上通过进水温度和水流量大小直接主动调节比例阀的开度，只能实现初步调节，使得出水温度与用户设置温度大致接近，但无法实现精确控温，此时再通过检测出水温度，利用出水温度与用户设置温度的差值，形成闭环控制系统，实现最后的精确调节，最终实现出水温度等于用户设置温度。

综上所述，先通过水流量传感器检测到的水流量参数与进水温度传感器检测到的进水温度参数，再结合历史记录的相关参数，提前对系统输出功率进行预调节，使得出水温度接近用户设置温度，缩短了水温调节的时间；然后再通过出水感温包检测的出水温度与用户设置出水温度形成一个闭环系统，实现精确控温，最终实现温度调节快，波动范围小。

3 系统软件设计

3.1 软件架构设计

基于上述硬件系统，设计了相应的软件算法，具体的流程图如图2所示。

参数说明：

T0：水温恒定状态下的出水温度；V0：水温恒定状态下的水流量；P0：水温恒定状态下的系统输出功率；T1：用户设置出水温度；V1：当前水流量；Ti1：当前进水温度；Ti0：恒温输出时的进水温度；P1：机组初始输出功率；Tout：当前出水温度；△T：当前出水温度与用户设置温度的差值。

3.2 软件算法及实现方案介绍

（1）当检测到用户有热水需求时，通过用户设置出水温度T1、当前水流量V1、当前进水温度Ti1、恒温出水温度T0、恒温时水流量V0、恒温输出功率P0、恒温输出时的进水温度Ti0等参数计算出初始输出功率值P1，P1的数学表达式：

P1=P0（1+Kt（T1-T0）/T0+Kv（V1-V0）/V0+Kti（Ti1-Ti0）/Ti0），其中Kt、Kv、Kti分别为出水温度、水流量、进水温度比例常数；

（2）按照初始输出功率P1输出，检测当前出水温度Tout；

图1 系统架构框图

图2 控制流程图

（3）计算出水温度与设置温度的差值E。数学表达式E=T1-Tout；

（4）通过PID算法计算出输出增量△P。数学表达式△P=E0*(Kp+Ki+Kd)-E1*(Kp+2*Kd)+E2*Kd; 其中Kp,Ki,Kd分别为PID算法的比例、积分、微分系数；

（5）最终控制输出Pout=P1+△P，使得出水温度达到设置温度；

（6）待出水温度稳定后，记录当前的出水温度值Tout，并把该温度值赋值给恒温出水温度T0；记录当前水流量V1，并把该水流量赋值给恒温水流量V0；记录当前进水水温Ti1，同步把该进水温度值赋值给恒温进水温度Ti0。以上参数在水温稳定输出条件下实时更新，直到检测到热水需求停止信号，停止参数的更新。

4 结束语

本文给出了详细的软硬件设计方案，详细介绍了整个系统的工作原理、软件算法，按照本文提供的设计方案，可以快速设计出相应的产品，经过简单的调试后，即可投入使用。