即热式热水器水压流量波动模拟设备的研发和应用.docx

即热式热水器水压/流量波动模拟设备的研发和应用李懂利1, ，朱连喜2 （1.上海梦地工业自动控制系统股份有限公司；2.伊莱克斯（杭州）家用电器有限公司）摘要：出水温度稳定性是即热式热水器舒适度指标的一个重要因素，本文根据高层供水类型，并结合实际市政管网供水压力波动设计了一种可以模拟各种压力和流量波动的测试设备，以帮助厂家对热水器舒适度的研究和提高过程中获得相对客观的基础数据资料。关键词：水压流量波动 热水器 舒适度 模拟设备 1 引言我国城市高层发展迅速，但是市政供水管网压力不足，水厂没有足够的压力和储力将水输送到每个地方。目前而言，二次供水是唯一选择，尤其是高层。但是相对于原水供水，二次供水的水压波动较大（尤其是高峰期间），除了对居民正常用水造成影响之外，对燃气热水器的正常使用和卫浴舒适度造成一定影响。为验证各种不同类型的水压和流量波动对燃气热水器出水温度的影响，从而为在目前无法解决管网水压波动的情况下，找到消除或减少水压和流量波动对热水器出水温度的措施，进而提高燃气热水器使用舒适度，设计并制造了该水压和流量波动模拟测试装置。2 问题的提出民用建筑节水设计标准GB50555-2010，市政管网供水压力不能满足供水要求的多层，高层检出的给水，中水，热水系统应竖向分区，各分区最低卫生器具配水点初的静水压力不宜大于0.45MPa,且分区内底层部分设置减压设施保证各用水点处供水压力不大于0.2MPa。住宅建筑规范GB50368-2005 第8.2.4 分户用水点的给水压力应0.05MPa,入户管的给水压力不应大于0.35MPa建筑给水排水设计规范GB50015-2003第3.3.5码高层建筑生活系统应竖向分区，竖向分区压力应符合下列要求：1各分区最低卫生器具配水点的静水压力不宜大于0.45MPa2. 静水压力大于0.35MPa的入户管（或配水横管），宜设减压或调压阀3. 各分区最不利点的水压，应满足用水压力要求。第3.3.5A居住建筑入户管给水压力不应大于0.35MPa综合以上标准，二次供水入户水压应为在满足户内最不利点卫生器具水压0.05MPa的前提下，静水压不大于0.35MPa，动压不大于0.2MPa。虽然国家出台了多部相关建筑供水标准，但是由于我国城市高层发展迅速，市政供水管网压力不足，水厂没有足够的压力和储力将水输送到每个地方。目前而言，采用二次供水是唯一选择，尤其是高层。相对于原水供水，二次供水的水压波动较大（尤其是高峰期间），远远超过相关标准及卫生器具的用水压力要求。图1-图8为某一幢建筑内不同用户燃气热水器用水点的实时压力监测图。从图中可以看出，其一，同一幢建筑内不同住户用水压力范围为0.18-0.66MPa，远远超出0.35MPa的国家标准；其二，用水过程中最大水压波动达到0.14MPa，远远高于热水器检测过程中的小于0.05MPa的水压波动；在有压管路中，由于外界某种原因（建筑中主要是阀门的突然关闭或开启），使得液体流速突然变化，从而引起压强急剧升高和降低交替变化。并进而影响到燃气热水器出水温度的稳定性。图9水击压强曲线，显示了一次水击过程中的压强-时间曲线。 图1 图2 图3 图4 图5 图6 图7 图8图93水压波动类型分析3.1 常用高层建筑二次给水方式3.1.1 高位水箱+水泵联合供水方式：采用的是水泵从地下水或市政管网（无负压）吸水后供给屋顶高位水箱，由水箱供给用户供水；3.1.2 变频调速供水方式：采用的是水泵从地下水或市政管网（无负压）吸水后直接供给用户，根据水压变化通过变频器控制水泵钻速，从而改变供水量，使得水压保持在规定的范围内。3.1.3 气压罐供水方式：采用的是水泵从地下水或市政管网（无负压）吸水后供给气压罐，利用气压罐内被压缩的气体将水压上高层，供给用户使用。根据气压罐内的气体压力变化，水泵开启补水，气体被压缩到一定压力后，水泵停止运行。3.2 水压水流波动原因分析根据以上给水类型和图1-图9居民用水压力实时检测图，我们将造成居民用户水压波动和水流量变化的原因可以分解为以下几种：3.2.1 采用高位水箱供水时：1) 短时间内主要变现为由于多个用水点用水无规律，使得供水流量波动较大；2) 长时间主要变现为由于随着水箱内水位的下降，水压也进一步下降，导致一段时间内水压和流量不足，波动较大。3.2.2 采用变频供水方式时：变频供水模式是通过监控水压，进而调节水泵转速，达到通过改变水量进而维持供水压力。所以其压力和流量波动取决于两个因素：1) 长时间取决于水泵性能：图10为国外一水泵压力-流量特性图，又图可以看出，其压力和流量之间成近似反比关系，另外由于水泵本身特性，其对用户用水流量和压力的影响需要一定的时间方能体现至终端，并不是瞬时影响；2) 短时间内取决于同一时间用水点数量和变化速率。图103.2.3 采用气压罐供水方式时：1) 气压罐供水由于气压罐相对容积有限，所以较长时间内主要受水泵频繁启动造成带来的压力波动；2) 短时间内取决于同一时间相应区域内用水点数量和变化速率。3.2.4 波动分类总结：综合以上分析，我们可以将用户实际水压和流量波动分解，组合为以下三种模式：1) 三角波动：三角波动为模拟变频水泵供水时，连续的水压和流量变化，见以下图11图112) 水击波动：水击波动为一定压力下，不同压力的不同用水点阀门快速开启后水击波动，水击波形见图9所示，由于水击波动速度非常快，故模拟设备提供如图12所示快速切换的水压以生成水击波：图123) 连续脉动波动：连续脉动为正玄波动和水击波动的叠加，连续脉动波动为各种因素因素综合影响之后所体现出来的，可以使用普通检测方法比较方便的检测出来的波动图形，具体类型见图1-图8所示。4水压/流量波动模拟设备的组成及工作原理水压/流量波动模式设备是针对即热式热水器在居民用水点由于水压力和流量波动造成的出水温度不稳定， 从而影响用户体验的现象，设计的可以模拟各种水压和流量波动的一种测试设备，为即热式研发和检验人员提供一种方便快捷的验证工具。如图13所示，设备包括工控机，数据采集卡，测控软件，显示器，各种传感器及执行元器件，报警装置等。该设备以PLC作为整个系统的控制核心，用于控制执行机构，包括阀门，水泵等的启停和运行，以及各种模拟量信号采集，工控机作为分析中心，利用分析软件对测试数据进行存储，查询，统计和打印，以实现对检测数据的可追溯型管理。该系统的特点是下位机可独立与上位机运行，同时下位机配有触摸屏作为人机交互窗口用于独立完成各种参数设置，并可查看实时数据。即使是上位机系统故障，也不会影响到设备正常运行，大大提高了设备的可靠性。图13为提高设备的使用范围，总共为设备提供了四种不同类型的压力流量输出波形，其主要设备指标如下：检测压力：0-1.0MPa，精度1%FS流量量程：0-2m/h,精度1%FS温度量程：0-100，精度0.3压力切换响应时间：30ms图14所示为设备管路原理图，其相应的波形和操作步骤如下：1-热水器； 2-压力传感器； 3-流量计；4-进水模拟闸阀；5-单向阀；6-气动阀；7-自动调压阀；8-变频泵；9-储水箱1) 三角波动：ZF1和F1开启，8通过变频控制，按照设定Pmax，Pmin，周期及调节速度周期性输出，其水压和流量均呈周期性变化。2) 水击波动：水泵8设定固有频率，ZF1-ZF2根据所需压力自动调节，然后按照F1和F2交替开启和关闭。3) 连续脉动波动：水泵8设定固有频率，ZF1-ZF5调节至设定位置，然后逐次打开按照F1-F5共计5个阀门的组合随机打开，共计31中不同压力和流量组合。测试过程中可以设定目标压力趋势，其系统在检测过程中可以按照其趋势自动执行。4) 恒压输出：水泵8采用变频控制进行粗调，ZF1自动流量阀进行精调。上位机分析软件采用Lab windows 开发，分为权限管理，参数设定，数据查询，报表管理及软件校准五个模块，可以将测试过程动态的显示在显示器上，同时具有数据保存和查询功能，生成Excel格式文件，并可以自动生产以下曲线：a) 压力-时间曲线b) 流量-时间曲线c) 压力-出水温度曲线d) 压力-流量曲线e) 流量-温度曲线f) 出水温度-时间曲线5 结论本设备为居民用水水压/流量波动模拟设备，可以为即热式热水器研发和检验人员提供用于模拟由于高层建筑二次供水方