分段燃烧与循环热水技术在燃气采暖热水炉上的应用研究

梁展程

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528325）

引言

燃气采暖热水炉作为一种既能供暖也能提供生活热水的两用产品，随着近年来煤改气的大力开展，燃气采暖热水炉的销量得到爆发性增长。然而舒适卫浴一直是燃气采暖热水炉的短板，随着用户热水舒适性要求提高，提升生活热水舒适性的需求更显突出。目前行业中燃气采暖热水炉负荷调节范围较小，即最大负荷与最小负荷的比例小，普遍约达2.5∶1[1]，尤其是夏天，出现卫浴水过烫的问题，用户体验感差，投诉频繁。又因为热源（即燃气采暖热水炉）与用水点间存在一段距离，在使用卫浴功能时，通常需要排放这一段距离的冷水后才能获取加热的热水。这一段距离的冷水排放既浪费水资源又浪费时间，影响用户的卫浴体验[2]。因此，带分段燃烧和循环热水技术的燃气采暖热水炉的开发成为行业迫切的需要。

1 分段燃烧最低热负荷与循环热水的设计

1.1 分段燃烧最低热负荷的设计

市面上大部分的燃气采暖热水炉不带分段燃烧的，譬如一台额定热负荷30 kW的燃气采暖热水炉最小热负荷达到12 kW，最小负荷较大；按热效率85 %计算，热输出为10.2 kW。以普通家庭花洒水流量约7 L/min计算。

式中：

Q—燃气采暖热水炉输出热量，J；

C—水的比热容，4.2×10³ J /（kg·℃）；

m—水的质量，kg；

△T—温度变化量，K。

根据热量计算公式（1），温升约为18.6 k。以最小负荷运行，温升高达18.6 k，特别是夏季的时候，自来水的水温可高达30 ℃，而人体舒适卫浴的水温约为（37 ～41）℃，卫生热水过烫的问题尤为突出，影响用户体验。为使卫生热水的温度符合舒适卫浴的要求，需要把30 ℃的卫生进水加热到37 ℃，温升为7 k，代入式（1）中，得出最小热输出Q为4.04 kW，按85 %的热效率计算，热输入Q为4.75 kW。本文30 kW燃气采暖热水炉使用13排燃烧器，单一火排的最小热输入Q为0.92 kW。由于整机的最小热输出需要满足卫生热水的加热需求，得出分段燃烧最小分段档为5 排。

1.2 循环热水的设计

带循环热水功能的燃气采暖热水炉水路原理，如图1所示，在现有燃气采暖热水炉上，多设置一个卫浴循环回水口，并在回水管路增设一个循环回水泵，回水泵用于驱动管路中的冷水进行循环，进入燃气采暖热水炉内加热，使管路中随时有热水，能够满足用户即开即热的舒适洗浴要求。

图1 循环热水功能原理图

另外，由于卫生用水流经缓冲水箱后再流至用户用水点，因此我们需要设置缓冲水箱内的水温。又考虑到缓冲水箱的管道是与外部相连的，会随着时间的变化而改变，缓冲水箱水温的最低温度和最高温度即为机器启动和停止的条件，当达到最高温度时，停止加热；达到最低温度时，开始运行加热。缓冲水箱的最低温度和最高温度即循环热水的温度差。循环热水的温度差不宜设置过大或过小，过大水温差异过大，使用过程中会产生前端水冷后端水热的现象，舒适体验感差；过小则容易造成燃气采暖热水炉频繁启动，缩短产品使用寿命，降低可靠性。

以卫浴负荷需求30 kW的机型为例，设置循环热水保温温度最高为43 ℃，最低为38 ℃，循环回水温差为5 K，在外接长度为100 m，直径为DN15的管道上，循环回水水流量约5 L/min，代入式（1）中，得出最小热输出Q为1.7 kW，按85 %的热效率计算，热输入Q为2.0 kW。因为单一火排的最小热输入为0.92 kW，因此最小需分配的火排数为2。结合单个火排的负荷比和负荷段间需足够的重叠区，综合所得第一分段火排数量为2，第二分段火排数量为4，第三分段火排数量为7，第四分段火排数量为13。

从表1得出各分段区域的最大/最小负荷，同时第一区域与第二区域的负荷重叠区域为（3.68～4.62）kW，重叠区域负荷为：4.62 kW-3.68 kW=0.94 kW；第二区域与第三区域的负荷重叠区域为（6.44～9.23）kW，重叠区域负荷为：9.23 kW-6.44 kW=2.79 kW；第三区域与第四区域的负荷重叠区域为（12～16.15）kW，重叠区域负荷为：16.15 kW-12 kW=4.15 kW。负荷比能够高达16∶1，同时在不同负荷段的重叠，能实现高低负荷间的切换。

表1 火排分段数量及最大/最小负荷

2 分段燃烧技术和循环热水功能测试验证

2.1 分段燃烧技术测试验证

在环境温度24 ℃，大气压101.8 kPa，市电电压220 V，天然气12 t，燃气温度23.9 ℃的条件[3]下对额定功率为30 kW的燃气采暖热水炉进行测试，测试各分段燃烧时的性能工况，如表2各分段燃烧时的性能工况所示。

表2 各分段燃烧时的测试数据

图2各分段燃烧时的实际出水温度与设置出水温度对比

图2 各分段燃烧时的实际出水温度与设置出水温度对比

由表2各分段燃烧时的性能工况可知，该燃气采暖热水炉为4分段燃烧，第1段为2排火燃烧，第2段为4排火燃烧，第3段为7排火燃烧，第4段为13排火燃烧。该燃气采暖热水炉在各分段状态下均能保持极低的CO排放，证明了风量与燃气配比合理，燃气燃烧充分，燃烧工况良好。另外，如图2各分段燃烧时的实际出水温度与设置出水温度对比所示，实际出水温度与各设置出水温度偏差均在±1 ℃，实现精准恒温。

2.2 循环热水测试验证

在环境温度24.2 ℃，大气压101.6 kPa，市电电压220 V，天然气12 T，燃气温度23.8 ℃的条件[3]下对本项目额定功率为30 kW的燃气采暖热水炉进行测试，测试零冷水性能。为模拟家庭使用环境，在燃气采暖热水炉外接长100 m、直径为DN15并且带有保温棉的循环管路，在50米处设置一个用水点，分别设置出水温度38 ℃、42 ℃、45 ℃，测试用水点处即开水时的实际出水温度，如表3用水点实际出水温度所示。

表3 用水点实际出水温度

由表3和图3的测试数据可以得出，用水点开水即出热水，且测试该用水点在3次不同的设置出水温度下，分别连续测试10 s，发现实际出水温度与设置出水温度的偏差均在±1 ℃内，即循环热水功能使管道内的水温达到预设的温度。

图3 设定用水点实际出水温度

从以上的数据可以看出，分段燃烧技术应用在燃气采暖热水炉上，大大提高了整机负荷调节比，满足高负荷输入的同时，也能够实现小负荷的精准控温，实现冬季高温升、夏季低温升的要求。循环热水技术的应用，能实现用户即开即热的需求，循环回收前端冷水再利用，节约水资源。

3 结语

本文分别研究了分段燃烧与循环热水两种技术及其在燃气采暖热水炉上应用情况，并通过实验验证，结论如下：

1）本文中燃气采暖热水炉为4分段燃烧，各分段状态下均能保持极低的CO排放，风量与燃气配比合理，燃气燃烧充分，燃烧工况良好；实际出水温度与各设置出水温度偏差均在±1 ℃，实现精准恒温。

2）应用本文设计开发的循环热水技术后，用水点开水即出热水，且测试该用水点在3次不同的设置出水温度下，分别连续测试10 s，实际出水温度与设置出水温度的偏差均在±1 ℃内，管道内的水温精准达到预设的温度。

3）分段燃烧技术应用在燃气采暖热水炉上，大大提高了整机负荷调节比，满足高负荷输入的同时，也能够实现小负荷的精准控温，实现冬季高温升、夏季低温升的要求。循环热水技术的应用，能实现用户即开即热的需求，循环回收前端冷水再利用，节约水资源。