基于TRIZ原理的附加水罐和内循环装置的燃气热水器恒温策略研究

韩健 曹冠中 叶盛响 黄凯

青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101

0 引言

燃气热水器具有即热即用、节能低耗的优点，已经越来越受到用户的认可。鉴于安全原因，通常强排式燃气热水器被安装在厨房，水被加热后需通过管道输送到卫生间使用，使得热水器的加热端和出水端存在一定距离，从而水的抵达温度与加热端有一定温度差，存在“夹层水”现象。所谓“夹层水”，即用户在洗浴过程中，关停出水阀后再次打开时，水温会出现先热后凉的状态。本文研究的核心问题为如何尽可能减少水温波动，保持恒温。

针对以上问题，已有研究人员着重从软件层面进行优化[1]。对业内主流品牌燃气热水器控制系统[2][3]进行反向拆解，重点借鉴其前馈和后馈控制策略[4][5]，但该种方法效果已经达到一定极限值，温度维持在±2℃，若结构硬件不做任何升级，恒温效果将一直徘徊不前。本文借鉴TRIZ理论中物场原理[6]，将加热系统和用水系统分别定义为S1物场和S2物场，在该模型内尝试两种不同方案：①物场原理，在S1物场和S2物场之间增加S3物场（内循环装置），有效利用燃气热水器内部的热力场混水均温；②技术矛盾解，利用条件分离当中的借助中介物（增加水罐）解决高低水温问题；每种模型模拟用户真实使用场景进行实验。

另外，对于夹层水的问题，由于每个用户家中的具体管路安装和每个人的舒适度体感不同，对同样条件的出水，体验结论可能千差万别，对此建立了初步的热水器舒适度评价体系，在一定进水温度、出水距离、出水量的前提下，从最低水温和最小夹层水量两个维度进行等级评定，共区分出4个等级来定义夹层水的舒适度。

综上分别结合两种夹层水改善方法测试结果，输出各方法夹层水的改善效果等级，评估现有产品平台改动可行性和投入产出比，最终选定水罐+内循环装置为改善策略，即在热水器出水端增加一个0.5 L的储水罐加停水循环燃烧，7 L流量以下，能将最低水温提升10℃，能有效解决7 L以下流量的夹层水问题。

1 TRIZ解题方法

1.1 附加场解

1.1.1 物场模型建立

最简单的物场模型至少应该包含以下三个元素：

（1）第一种物质（S1）：作用的承受者（本文中指管中水）；

（2）第二种物质（S2）：作用的施加者（本文中指加热系统）；

（3）场（F）：存在于作用施加者和承受者之间的作用。

用图1表示场F对于S1和S2的作用。

图1 物场模型

1.1.2 附加场建立

目前燃气热水器当中的燃烧器和换热器共同组成S2对管中水S1进行F加热作用，但是目前此物场并不是十分完善，存在一个时间差的矛盾，在S2不对S1发生作用的时候，S1中有部分冷水未被加热，会掺杂在热水中，形成夹层水。根据TRIZ理论中的利用环境资源并引入添加物的物场模型方法，充分利用S1中的热力场，增加S3（内循环管路），将S1中热力场直接引入到进水口处以中和进水凉水，进行二次加热，缩短升温时间。图2为物场模型的变化示意图，图3为热水器中的管路示意图。

图2 复合物场模型

图3 热水器管路示意

1.2 技术矛盾解

TRIZ中的技术矛盾是指在改善对象的某个参数（A）的时候，导致另一个参数（B）的恶化，此时，称参数（A）和参数（B）构成了一对技术矛盾。

在本文研究的课题当中，出水管前段水温和后段水温就是一对技术矛盾，前段水温高，后段水温必然低；前段水温低，后段水温必然高。从而利用TRIZ标准解中条件分离方法中的借助中介物原理[6]，在出水口前端增加一个中介物储水罐，从而将前段出水和后段出水的水温快速中和起来，将水温的上下波动拉平。

燃气热水器内部结构空间非常紧凑，且外壳尺寸平台已经确定，尝试在内部搭载1 L和0.5 L水罐两种解决方案。结论是1 L水罐方案在10 L/min流量下能较好解决水温降低的问题，能够将最低水温提高7℃～9℃。存在的问题是首次加热时加热时间由10 s提到20 s以上，延长了加热时间；增加一个0.5 L的储水罐能提升最低水温7℃，能解决5 L以下流量的夹层水问题，但5 L以上的由低温水引起的夹层水问题，解决效果不明显。

综上，对于1.1附加场解（内循环）和1.2技术矛盾解（水罐）单独运用[7]，都不能完全解决夹层水问题，从而需要进行综合运用，才有可能达到理想改善效果，在本文后续实验过程中将两者合并在一起进行验证。

2 舒适度评价分级

2.1 夹层水温度曲线

夹层水温度曲线如图4所示。

图4 夹层水温度曲线

图4中紫色曲线为出水口最低温度27℃，时间为8.19 s；蓝色曲线为8 m处出水口最低温度30℃，时间为7.58 s；绿色曲线为13 m出水点最低温度34℃，时间为7.38 s。以上为没有增加任何改善措施时夹层水原始出水状态。这个曲线描述了如下这个洗浴场景：在冬季沐浴时候，关水后再开，先是一股更高温度的热水，继而是一股冷水，持续时间大约在7 s。洗浴体验忽冷忽热，要提防水温变化。

2.2 舒适度评价分级标准

2.2.1 测试条件和方法

（1）测试条件

进水温度：（9±1）℃；燃气条件：0～2 Kp；供水压力为0.1 MPa，供水水压稳定[7]。

设置状态：按说明书要求管路连接，在出水口设置温度传感器，能连续监控温度变化。温度设定42℃，将进水流量调节到使热水器处于最大负荷流量。或采用增加进水压力方式使热水器在最大热负荷状态下工作。

测试母本：选定海尔JSQ31-16CR5SWU1型号燃气热水器，制热水能力：16 L/min；额定输入功率48 W；额定热负荷31 kW；外观尺寸：640 mm×390 mm×1600 mm。

测试设备：海尔热水器试验台，如图5所示。

图5 实验设备

（2）测试方法

热水器点燃运行10 min后关闭出水，2 min后再次开水运行，测定出热水的最低温度。记录出水温度曲线，并根据曲线记录温度低于37℃的时间，根据时间和流量计算出夹层水水量[8]。

2.2.2 夹层水舒适度评价分级标准

结合2.2.1测试条件和方法，按照最大负荷，开机10 min后停机4 min再次重启，按照通常自来水8 L/min的流量，结合热水器型号水路参数，在出水口、8 m用水点、13 m用水点产生的低于37℃的出水量分别为：1.09 L；1.01 L；0.98 L。可以用最低水温和最低夹层水量来衡量夹层水改善效果评定[9]。

舒适度评价标准是笔者根据多次实验结果从水量、温度和时间三个维度进行综合划分的：若最低水温较低，夹层水量又大，恒温所需时间又长，用户的洗浴感受肯定是较差的，定义为舒适度第四级；相反，如果最低水温和体温基本相仿，夹层水量很小或者几乎为零，夹层水量小，必然意味着达到恒温的时间较短，综合来看，用户的洗浴感受将会有很大改善，相对而言是最佳的，定义为舒适度第一级；介于这两种情况中的其他状态，定义为第二和第三级，且分级标准是以最低水温为较大权重。分级标准如表1所示。

表1 夹层水舒适度评价分级标准

3 方案测试和数据分析

3.1 无水罐方案与1 L水罐方案对比

测试方法：进水温度10℃，设定出水温度42℃。在不同流量下加热至设定温度，再停水2 min，测试加水罐（1 L）和不加水罐两种情况下的出水温度的最低温度。测试数据如表2所示，水路循环如图6所示。

表2 无水罐方案与1 L水罐方案对比

测试结论：增加1 L水罐后，最低水温为37℃时，夹层水量已经为0 L，舒适度评级结论为一级。综上，10 L流量下能很好解决水温降低问题，能够将最低水温提高7～9℃。存在的问题是首次加热时加热时间由10 s提到20 s以上，虽然符合首次加热时间国标要求＜35 s，但是带给用户的体验不佳，尝试使用更小水罐方案，例如0.5 L。

3.2 无水罐方案与0.5 L水罐方案对比

测试方法：进水温度10℃，设定出水温度42℃。在不同流量下加热至设定温度，再停水2 min，测试加水罐（容积0.5 L）和不加水罐两种情况下的出水温度的最低温度，测试数据如表3所示，水路循环同图6，其中水罐更换为0.5 L容积。

图6 多个磁芯叠绕的共模电感

表3 无水罐方案与0.5 L水罐方案对比

图6 无水罐方案（左）与1 L水罐（右）方案结构对比

测试结论：无水罐时，8 m位置最低水温为31℃时，夹层水量为0.95 L，舒适度评级结果为四级；增加一个0.5 L水罐后最低水温31.5℃时，夹层水量为0.85 L，舒适度评级位于三级和四级之间。综上，增加0.5 L水罐一定程度可以改善5 L以下流量的夹层水问题，5 L以上低温水引起的夹层水改善效果不明显。继续尝试0.5 L水罐+内循环结合方案[10]。

3.3 内循环＋0.5 L水罐方案

测试方法：进水温度10℃，设定出水温度42℃。在不同流量下加热至设定温度，再停水2 min（停水期间打开内循环，水泵带动机器燃烧约10 s，再不燃烧循环30 s），测试加水罐（容积0.5 L）情况下的出水温度的最低温度[11]，如表4所示，水路循环如图7所示。

表4 内循环＋水罐0.5 L方案

图7 内循环+0.5 L水罐方案

测试结论：增加一个0.5 L储水罐加内循环燃烧，7 L流量时，最低水温34℃，夹层水量1.07 L，舒适度为三级。综上，7 L流量以下，能将最低水温提升10.5℃，能够解决夹层水问题，7 L以上大流量低温水引起的夹层水效果不明显。

综上实验结论，选定内循环+0.5 L水罐作为解决方案，对此做加强验证；分别是（1）无水罐；（2）0.5 L水罐；（3）0.5 L水罐+内循环方案。验证数据如表5所示，舒适度评级对比如表6所示。

表5 内循环+0.5 L水罐解决方案对比测试

表6 解决方案舒适度评级对比

4 结论

本文依据TRIZ理论中的技术矛盾解原理，选择增加中间物场策略，从而输出搭载1 L水罐，0.5 L水罐两种方案，在进行实验后，均无法达到预期恒温出水效果，再次利用TRIZ中附加场原理，利用热水器内部本身具有的冷端（加热前水管内的常温水），将冷端和热端用内循环管进行连接，输出水罐+内循环的第三种方案，实验结果优于前述两种方案。同时，制定用户洗浴体验进行舒适度等级评价标准，综合最低水温和夹层水量进行评估，输出水罐+内循环方案胜出。

综上，从整个产品竞争力维度宏观评价，对于此项技术创新，产品改善最为核心的三要素为：舒适度评级标准+成本+内部结构改善空间。由于燃气热水器内部空间的限制，首选0.5 L水罐方案，经实验验证，如果只搭载0.5 L水罐，对于水温的恒定起到的贡献值有限，从表5可以看出，在平均7 L的夹层水量前提下，0.5 L水罐方案仅能将出水最低温度提升到31.5℃，在距离热水器8 m处出水口位置出水温度为33℃，尚低于人体常规体温（36.5℃），总体体验舒适度较低。鉴于此，在搭载0.5 L水罐的前提下，复合内循环水管，最低出水温度达到34℃，8 m处出水温度达到35℃，接近人体体温，舒适度有显著提升。从而本文研究结论为：从物理结构改善角度，增加0.5 L储水罐和内循环水路可以将燃气热水器的洗浴舒适度提升一个标准等级，一定程度上解决燃气热水器水温忽冷忽热的用户痛点，后续可以配合复合控制软件的更新，使用户体验更佳。