带循环热水壁挂炉卫浴舒适性提升设计

陈全兴

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

随着两用型燃气壁挂炉的发展和普及，人们对于壁挂炉的热水需求有着更高的要求，传统的两用型壁挂炉在使用过程存在等待热水时放冷水造成浪费、卫浴热水加热时间较长、夏季水温容易过热等现象，严重影响用户的使用舒适性。近几年，经过对于壁挂炉结构上的优化，通过采用多段式分段燃烧技术和增加水比例控制技术能有效解决上述部分用户痛点，而对于洗浴前管路中存在冷水需要排放的问题，提出了对管路中进行循环加热的概念，即增加循环热水功能，提前预加热水管中冷水，实现即开即热的效果，然而，由于点火前清扫及自检时间长导致点火速度慢，且板式换热器换热有滞后性的特点，容易存在二次开水时出现“先热、后冷、再热”的不舒服卫浴体验，本文就改善壁挂炉水温波动的方案进行探讨，分析缓冲水箱对卫浴水温波动所起到的影响。

1 带循环热水壁挂炉方案

带循环热水功能的两用型壁挂炉其水路原理如图1所示，在现有壁挂炉上，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水泵用于驱动管路中的冷水进行循环而进入壁挂炉预加热，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 水路原理图

为验证此结构方案的可行性，本试验使用一台输入功率30 kW的壁挂炉进行测试，在壁挂炉外接100 m长、直径为DN15的循环管路，测试循环热水加热及使用卫浴的过程，以此模拟用户在使用过程中的沐浴体验。

测试一：出水温度设定46 ℃，循环回水温度达到42 ℃熄火，测试循环热水加热过程温度变化，加热过程如图2所示。

图2 循环热水加热过程温度变化图及保温后用水过程温度变化图

测试二：出水温度设定46 ℃，进水温度20 ℃，保温后打开用水点，水流量8.5 L，模拟用户卫浴用水过程，测试出水温度变化，用水过程如图2所示。

由图2可看出，循环热水加热过程中，点火后逐步加热，出水温度最后恒定在所设置的46 ℃，回水温度起初几乎不变，后续逐步上升，达到42 ℃后熄火；循环热水加热后，用户打开卫浴用水点，能实现即开即出热水，热水温度46 ℃满足洗浴要求，但使用过程中会有明显的降温，温差26 ℃的情况下温降幅度已达到10 ℃，若处于北方进水温度极低的环境下，降温会更明显，将严重影响用户的使用舒适性。

经过分析，壁挂炉循环加热达到目标温度后，若没有检测到用水信号，壁挂炉熄火停机。用户开水后，壁挂炉卫浴信号被触发，壁挂炉开始进行前清扫[1]并进行零部件自检，然后再进行点火，从前清扫到点火成功的整个过程需要10 s，整个过程中，冷水不断进入壁挂炉，未能及时换热升温，从壁挂炉流出时水温达不到所设定的目标温度值，从而造成使用过程中大幅度降温，造成“忽热忽冷”的不舒服沐浴体验。

由此可见，上述循环热水方案能达到预先加热管路中冷水，达到即开即热的目的，但会造成“忽热忽冷”的不舒服沐浴体验，现针对此现象提出一种方法，采用缓冲水箱对上述循环热水方案进行改善设计，原理示意图如图3所示。

图3 水路原理图

2 缓冲水箱结构设计分析

从改善方案的原理图可看出，在卫浴出水前增加一个缓冲水箱，卫浴水从板换换热器流出后先进入缓冲水箱进行缓冲，再流出壁挂炉供用户洗浴使用会对循环热水系统温降起到缓解作用。结合壁挂炉整体结构尺寸及制造成本考虑，选用直径80 mm，容积为2.5 L的圆柱形水箱进行设计分析，水箱设计有一进一出的水管，长管为水箱出水管，短管为水箱进水管。

2.1 缓冲水箱结构方案分析

本试验制作上图方案A的水箱，测试水箱混水效果，测试条件设定为进水压力0.15 MPa，水流量8.5 L/min，进水管内径14mm，出水管内径12 mm，将水箱里的水加热至60 ℃后，停水后重新开水点火，检测水箱入口和出口的温度变化，如图4。

图4 水箱入水口温度变化过程及水箱出水口温度变化过程

把上述试验条件和测试得到的水箱入口温度作为边界条件，利用ANSYS软件进行模拟分析[2]，分析结果如图5。

图5 方案A分析结果图

表1 方案A水箱分析数据表

将试验测试结果和ANSYS软件模拟结果对比，两组数据从最大温差和最低温出现时间都较为接近，可见ANSYS软件模拟选取的网格划分方法和计算模型较为合理。

方案A为短进水管进水，长出水管出水结构，在进水管末端形成大涡，较大地增加了进水区域的热交换，但是在漩涡之后的区域则是以层流为主，后期的混合不均匀。针对此问题，拓展设计以下不同进出水管结构进行分析对比，如图6。

图6 不同进出水管结构分析图

方案G的最大温差为8 ℃，最低温出现时间较短，同时回升至330 K时间也比较短。从软件分析结果可看出方案G结构的水箱混水效果较好。

2.2 水箱方案验证

综合上述ANSYS软件分析，方案G结构的水箱混水效果较好，现通过试验进行验证。本试验使用一台输入功率30 kW的壁挂炉进行测试，进水温度20 ℃，为验证进出水温差更大时水箱缓冲效果，本次试验将出水温度设置为最高温度60 ℃，水流量为8.5 L/min，将出水温度加热到60 ℃后，停水10 s钟后重新开水点火，测试用水点水温波动，具体如图7所示。

表2 不同进出水管结构分析图

图7 不同进出水管方案温度变化图

表3 不同进出水管数据分析表

图7 方案G用水点温度变化图

从图7可得，方案G水箱缓冲过程中，水温从60 ℃降至52.1 ℃，降温幅度7.9 ℃，回升到60 ℃时间为63 s，由此可见，试验测试数据与模拟分析的结果一致。方案G较其余方案混水效果好。

3 结语

综合所述分析，对于带有循环热水的壁挂炉，循环热水系统中带有缓冲水箱有助于缓解壁挂炉再次点火过程中“忽冷忽热”的问题，同时合理设计缓冲水箱的大小容积，合理设计水箱进出水管的结构和进出水口的方式，改变水箱内部冷热水流的混水方式，能有效减少壁挂炉再次点火过程中的水温波动，提高卫浴水的舒适度。