一种基于负荷阈值判定的气电协同热水器以及控制方法与流程

本技术涉及燃气热水器，尤其涉及一种基于负荷阈值判定的气电协同热水器以及控制方法。

背景技术：

1、常规家用燃气热水器主要由水路系统、燃烧器、翅片式换热器、燃气比例阀、控制器及各类传感器组成，工作时通过燃气燃烧释放热量，经换热器将热量传递给流经的冷水，实现水温的持续提升。受换热器翅片间距、烟气流通截面积及换热管路布局的固有结构限制，燃气热水器的换热效率随运行负荷变化呈现明显的非线性特征：小负荷工况下烟气流量小、流速平缓，烟气与换热壁面接触时间充足，换热效率相对较高；随着运行负荷提升，烟气流速逐渐加快，换热效率随之发生变化，整体呈现负荷越高、换热效率越低的分布规律。

2、在冬季低进水温度、大流量用水的典型场景下，热水器需长期运行于大负荷区段，为满足用户设定的出水温度与大流量用水需求，燃烧器大幅提升输出功率，烟气流速急剧升高，烟气在换热器内的驻留时间大幅缩短，换热不充分导致整机热效率显著下降，造成燃气能源的不必要浪费。同时，大负荷下换热不充分易导致局部换热壁面温度低于烟气水露点，烟气中的水蒸气冷凝形成酸性冷凝水，而常规换热器未针对该位置做耐腐蚀设计，冷凝水长期附着在翅片与盘管表面会加速电化学腐蚀，缩短换热器使用寿命，降低整机运行可靠性，增加用户的使用与后期维护成本。

3、现有技术中，部分改进方案采用直流无级调速风机替代传统交流定速风机，通过提升风量调节精度优化燃烧状态，降低有害气体排放，但此类改进仅针对燃烧配风环节进行优化，并未改变换热器固定的换热面积与烟气流通结构，无法解决大负荷工况下烟气总量与换热面积匹配失衡的核心矛盾，大负荷区间换热效率低、冷凝水腐蚀换热器、季节能效偏低的缺陷仍无法得到有效改善。

技术实现思路

1、本技术提供了一种基于负荷阈值判定的气电协同热水器以及控制方法，以解决现有技术中燃气热水器因换热面积固化以及烟气结构限制，导致大负荷工况下热效率显著下降、冷凝水腐蚀换热器、整体季节能效偏低的现有技术问题。

2、第一方面，本技术提供了一种基于负荷阈值判定的气电协同热水器，包括：整机水路、燃气供热系统、电辅热系统、流量调节组件、采集组件及主控制器；

3、所述整机水路沿水流方向依次串联电辅热系统、采集组件、燃气供热系统的燃气换热器，水流先经电辅热系统后进入燃气换热器；

4、所述电辅热系统包括电加热模块，电加热模块内部设有扰流换热结构与独立过热温控器；

5、所述流量调节组件为多通道流量调节水阀，集成阀芯组件与两路独立水流通道，用于切换通道调节出水流量；

6、所述采集组件包含进水温度传感器、出水温度传感器及水流传感器，各传感器信号输出端均与主控制器电性连接；

7、所述燃气供热系统包含燃气比例阀、燃烧器及燃气换热器，燃气比例阀控制端与主控制器电性连接；

8、所述主控制器预存低效负荷区间阈值与高效负荷区间阈值，用于计算整机总热负荷与当前燃气燃烧负荷，并将负荷与预设区间比对后输出电加热启停、燃气功率调节及水阀通道切换的控制指令。

9、进一步地，所述电加热模块包括铝制外壳、进冷水接头、出热水接头以及内置电加热管；所述进冷水接头与出热水接头分别密封固定在铝制外壳的两端，所述内置电加热管沿水流方向固定安装于铝制外壳内部；所述扰流换热结构为螺旋导流片或环形挡水筋，固定设置于铝制外壳的内壁且环绕于电加热管外周；水流经进冷水接头流入后，受扰流换热结构扰动并与电加热管换热，最终从出热水接头流出。

10、进一步地，所述多通道流量调节水阀还包括阀体、水路截止阀、第一通道以及第二通道；所述阀体串联接入整机水路中，所述第一通道与第二通道并行设置于阀体内部；所述水路截止阀对应设置于两路水流通道的通路上，所述阀芯组件与水路截止阀传动连接；所述阀芯组件与主控制器的驱动输出端电性连接，阀芯组件受主控制器驱动时带动水路截止阀开闭对应水流通道，通过切换通流通道改变整机水路的通流截面积，以调节出水流量。

11、进一步地，所述多通道流量调节水阀连接有泵体，所述泵体的输出通路与第一通道和/或第二通道连通。

12、进一步地，所述水流传感器的信号输出端与主控制器的流量检测输入端电性连接，所述主控制器的电辅热控制输出端串联接入电加热模块的供电控制回路；所述主控制器依据水流传感器采集的水流量信号计算流量变化率，并通过供电控制回路控制电加热模块的通断电。

13、进一步地，所述电加热模块安装于整机进水水路、出水水路或者集成于内置储热水箱内部。

14、第二方面，本技术提供了一种基于负荷阈值判定的气电协同热水器控制方法，应用于如上所述的燃气热水器，包括以下步骤：

15、s1：实时获取进水流量、进水温度及设定出水温度，计算整机所需总热负荷q；

16、s2：检测当前燃气比例阀开度，换算得到当前燃气燃烧负荷q1；

17、s3：判断当前燃气燃烧负荷q1是否落入预设的低效负荷区间[ql,qh]；

18、s4：若q1落入低效负荷区间[ql,qh]，则开启电加热器，并主动调节燃气比例阀开度，将燃气燃烧负荷调整至预设的高效负荷区间[qh1,qh2]；

19、s5：根据总热负荷q与调整后的燃气燃烧负荷，计算电加热需补偿的热负荷q2，调节电加热器的输出功率以匹配该补偿负荷q2；

20、s6：实时检测出水温度，对燃气比例阀开度进行精调；若出水温度小于设定温度要求，则执行步骤s8；

21、s7：实时监测出水流量变化率，若流量变化率超过预设比例阈值，则立即断开电加热器，维持燃气加热以确保安全；

22、s8：驱动多通道水阀动作，关闭其中一路水流通道，降低整机水流量；降流量后重新判定燃气燃烧负荷是否落入预设的低效负荷区间[ql,qh]，若是则依次执行步骤s5至s7。

23、进一步地，步骤s2中，燃气燃烧负荷q1通过预存的燃气比例阀开度与额定燃烧功率映射关系换算得到；步骤s3中，预设的低效负荷区间[ql,qh]为整机最大额定燃烧负荷的预设比例区间，由第一比例阈值ql与第二比例阈值qh构成，且ql＜qh。

24、进一步地，步骤s4中，预设的高效负荷区间[qh1,qh2]为整机最大额定燃烧负荷的预设最优比例区间，由第三比例阈值qh1与第四比例阈值qh2构成，且qh1＜qh2。

25、进一步地，步骤s5中，补偿热负荷q2的计算方式为总热负荷q减去调整后的燃气燃烧负荷；电加热器采用无级功率调节方式，输出功率与补偿负荷q2实时匹配。

26、进一步地，步骤s7中，断开电加热器后持续监测水流量变化率，当流量变化率回落至预设比例阈值以内且水流状态稳定后，重新执行步骤s2至s3的负荷判定逻辑，恢复气电协同运行模式。

27、本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

28、根据本技术所提供的实施例，通过气主电辅的动态功率分配，避免燃气热水器长期运行于低效大负荷区，提升整机平均运行热效率，减少燃气消耗；降低燃气峰值负荷后，烟气流速放缓、驻留时间延长，换热更充分，可抑制酸性冷凝水生成，缓解换热器腐蚀，延长整机使用寿命；多通道流量调节可在供热不足时保障恒温出水，兼顾节能性与用户体验；配置流量突变断电保护与硬件过热保护，双重保障用电安全；整体方案无需大幅改动换热器结构，改造成本低，适配性强。