燃气热水器技术发展趋势：能效、联网、智能、体验

近年来，随着城镇化进程的发展以及燃气管网建设的全面铺开，国内燃气热水器的产销量保持了两位数的年增长率。中国市场的燃气热水器几乎都是快速加热型产品，具有加热快速、体积紧凑、价格低等特点，在与电热水器、热泵热水器、太阳能热水器的竞争过程中，逐步占据优势，燃气热水器已经连续几年成为中国家用热水器市场上销售额份额第一的类别。经过多年的发展，中国燃气热水器制造业经历了从无到有、从小到大的发展过程，目前行业的生产能力已经达到世界第一。
行至2020年，燃气热水器行业已经踏上由大到强的发展道路。其中，把握技术发展趋势至关重要。纵观全球燃气热水器行业的发展，笔者认为，未来的技术发展或将主要从能效（通过燃气利用方式的转变，实现对低碳社会建设的贡献）、联网（利用物联网等信息技术手段，适应社会的变化）、智能（利用智能技术，完善产品自身的功能）、体验（利用各种技术手段，进一步改善用户的产品使用体验）四大方向延展开来。

燃气利用方式
从热力学角度来看，即使采用回收烟气中水蒸气的潜热，燃气热水器能源利用效率的提高空间也已经不多。于是，转变能源方式就成为燃气热水器提高能源利用效率的重要途径。
目前，在家用燃气利用领域，燃气梯级利用的方式主要有两条技术路线。一是热电联产，利用燃气发电，将发电过程中产生的热量加以利用；二是多种热源组合利用，将燃气加热手段作为后备。前者属于较为复杂的燃气利用方式，将其纳入燃气热水器的领域不太合适；后者仍属于热水加热领域，将其作为燃气热水器的延伸比较合理。
以往在空调、热泵行业以及太阳能热利用行业，燃气加热手段会作为配套部件出现。而近年来，情况发生了很大的变化，热泵、太阳能集热器更多地成为燃气热水器的配套部件。无论如何，相对于空气源热泵以及太阳能集热器的加热性能，燃气加热的突出优势是运行不受环境变化的影响，而且对热负荷响应快，从而可以保证用户能够得到良好的使用体验，客观上促进了空气源热泵和太阳能集热器的市场的发展。
2020年4月，能率在日本开始销售新一代名为ユコアHYBRID-S（ECO HYBRID-S）的燃气—热泵组合式热水器。ユコアHYBRID（ECO HYBRID）系列产品自2013年开始进入日本市场，ECO HYBRID-S的特点是价格有所下调，更多地考虑了产品的安装和可操作性，同时热泵单元采用100V插座。此外，该产品还具备语音控制功能。
能率的ECO HYBRID系列产品曾在2017年获得日本节能中心大奖。与燃气热水器相比，该组合式热水器通过结合冷凝式燃气热水器和热泵热水器的优点，将热水供应和保温的全生命周期综合一次能耗降低约40%。这种组合式热水器的节能性主要体现在两个方面。一方面，利用空气源热泵在环境温度较高时的高运行效率，以及输出温度较低的热水时效率较高的优势，即使用水温度较高，也可以分两段加热，加热温度较低的加热过程利用热泵，温度较高的加热过程利用燃气热水器；另一方面，利用控制手段，通过自学习预测热水需求的温度和用水量，合理设定两种热源装置的运行状态，降低运行能耗。在非沐浴时段，尽可能降低水箱储存的热水温度。实际上，厨房所需的热水温度通常较低，46℃以下就可以满足需求，而且相应时段的环境温度较高，合理调整热源装置的运行参数，可以显著降低保温过程的热损失，同时充分利用空气源热泵在加热较低温度热水时效率较高的优势。能率公司的ECO HYBRID配套的空气源热泵所使用的制冷剂是R290（丙烷），是目前环境影响特性最优的天然制冷剂之一。此外，ECO HYBRID在防灾措施方面，还配备了与太阳能光伏系统连接，以及连接应急内燃发电机的接口和运行模式。
2019年12月，林内开始在日本销售具备光伏发电功能的燃气—热泵组合式热水器ECO ONE SOLAR。该产品与林内公司2010年开始销售的ECO ONE燃气—热泵组合式热水器之间最大的差异，是新增了部分防灾功能。ECO ONE SOLAR配备的太阳能光伏发电装置，除了满足燃气热水器的供电需求之外，还能兼顾发生灾害时冰箱和浴室、卫生间的用电需求。考虑到冰箱在日间有相对稳定的电力需求，所以平时太阳光伏系统主要向冰箱供电，避免光伏发电装置运行导致电力过剩。在发生电力供应中断时，太阳能光伏电池和蓄电池一般可以维持燃气热水器、冰箱和浴室、卫生间的用电需求，即使发生燃气供应中断或供水中断的情况，储水箱内的存水依然可以在一定程度上缓解灾害产生的不良影响。此外，该产品还具备与应急燃气发电机进行热电联产运行的功能，当燃气发电机组发电运行时，发电过程产生的余热用于加热生活热水，可显著提高能源的利用效率。
另一种具有代表性的产品是太阳能—燃气热水器SOLAMO，这是日本东京燃气公司在2010年开始销售的组合式燃气热水器。SOLAMO的主要特点是将燃气热水器作为后备热源，优先利用太阳能加热，当太阳能加热量不足时，燃气热水器开始补充加热量。该系列产品包括仅供生活热水的型号，以及可以供暖和供生活热水的型号。SOLAMO的控制系统具备能量可视化功能，可以显示太阳能的利用状态以及消耗的燃气和电力。这些信息以及用户的热水使用规律信息，可以成为优化运行热水器的依据，从而达到获得良好舒适性和减少燃气和电力费用的效果。这种组合式热水器的太阳能保证率较低，在全年热水加热的热量中，太阳能保证率仅为16%以下，考虑到安装位置差异等因素的影响，实际使用的效果约为10%以上，大致上只能达到中国太阳能热水系统保证率要求的1/3左右。但是，如果从设计者角度来看，太阳能保证率达到10%的组合式热水器的节约燃气效果，已经明显突破燃气热水器的能效上限，实现了节能。同时，这样的组合式热水器在使用体验上与使用燃气热水器时所获得的较好体验基本无异。实际上，要求过高的太阳能保证率，在客观上牺牲了用户使用体验，这也许是近几年中国太阳能热水器市场大幅度下滑的原因之一。当补贴政策退出后，太阳能热水器能够被用户接受的理由，就是其技术经济竞争力，脱离实际，追求过高的太阳能保证率指标，最终导致用户放弃太阳能热水器。
SOLAMO的典型运行模式是，利用太阳能集热器加热防冻液，通过集热泵循环加热热收集回路中将热量送入储水箱中，这些热量优先用于供暖，包括作为浴室暖风机的热源，实现对浴室空气的加热和干燥，同时利用生活热水专用热交换器加热生活热水。如果太阳能集热不足，或热水、浴缸和加热所需的温度未达到要求，就利用燃气热水器快速将生活热水加热至所设定的温度。
东京燃气公司在2013年秋季竣工的国领阿尔法公寓安装了58套SOLAMO，这些产品具备供暖和生活热水加热功能，太阳能集热器为阳台护栏一体式结构，垂直安装在阳台上代替护栏。大阪燃气公司的SOLAMO示范项目则安装在旭化成建筑技术研究所示范大楼，该项目太阳能集热器采用屋顶安装方式，为具备供暖和生活热水加热功能的型号。

物联网应用
联网使产品能够利用外部资源扩展其功能，是近年来家用燃气具和家用电器产品技术发展的重要领域。物联网通过与外部的信息交换，不仅可以使产品运行所需的信息更加完整、充分，也可以向用户提供合理使用产品所需的更丰富的信息，从而有效提高产品使用效用，这是广义智能化的实现形式。由于与中国市场有着不同的产品结构，日本家用燃气具产品在物联网应用领域的探索值得关注。
日本大阪燃气公司于2016年4月开始启动云服务平台，最早接入的是家用燃料电池，到目前为止，超过94%的燃料电池处于云服务器的监控之下。随后在2017年10月，该云平台支持具备物联网联接功能的冷凝式燃气热水器，提供燃气热水器故障时发送通知、沐浴安全监护和健康管理等服务。物联网的人机交互通过专用遥控器、智能手机和Amazon智能音箱、Google Home智能音箱等实现。
目前，物联网支持的功能包括：通过智能音箱扬声器操作燃气具产品，如供暖和热水功能的运行状态；利用智能手机APP监控热水的使用情况，如不同时段的热水使用量和热水温度等；利用智能手机APP通知功能，接收燃气公司推送的信息；向用户提供燃气消耗的细分记录可视化服务，如生活热水和供暖的单项消耗量等；通过智能音箱或可视化界面查询费用和使用记录。
日本能率公司目前已经有多个型号的物联网控制系统在市场上销售。例如，能率2017年在ECO HYBRID产品中增加了远程操作功能，支持无线LAN（局域网）的控制器。利用无线LAN，家人可以通过安装了相应程序的智能手机或平板电脑，实时了解沐浴者的情况，实现对沐浴者进行安全监护。同时，远程操作功能可以实现远程设置热水器的运行状态，这项功能对于老人和儿童的安全监护具有重要意义。据统计，在日本，每年由于沐浴过程中室内温度变化、水温、人体沐浴过程的生理状态变化等因素，导致老年人死亡的人数，比交通事故造成的死亡人数还要多。所以，沐浴过程的安全监护，成为日本热水器安全领域的新课题。此外，控制系统允许用户远程设定燃气热水器的运行参数，在回家的路上就可以将浴室温度预热以及准备热水。控制系统符合日本智能家居协议ECHONET Lite标准，并支持与住宅能源管理系统（HEMS）的连接。
RC-G001EW是能率公司2018年9月上市的可通过无线LAN控制系统的型号，除了常规的应用程序之外，新增了语音AI助手Alexa，包括智能音箱Amazon Echo和Alexa兼容的设备，可以通过语音指令实现自动清洁浴缸，以及浴缸注水、浴缸恒温，浴室供暖等功能。RC-G001EW是冷凝式燃气热水器GT-C62系列的配套控制系统。能率2019年3月开始销售新一代支持语音控制的无线LAN控制系统RC-G057PEW。与RC-G001EW不同的是，RC-G057PEW是用于燃气—热泵组合式热水器ECO HYBRID的配套控制系统，可通过语音指令设置自动清洁浴缸、浴缸注水、浴缸恒温和浴室供暖等功能。
日本东京燃气公司2019年8月发布了用于热水系统的物联网控制器AXiS smart。该控制器的特点是利用物联网和数字技术来减少沐浴过程发生的安全事故。利用东京燃气和日本九州理工学院合作开发的新型人体传感器，并结合门传感器和水位传感器等获得的信息，检测浴室的出入情况和沐浴者的状态。如果这些传感器在设定时间内未检测到沐浴者的运动，就会通过控制器的语音功能发出提示音和语音，以确保沐浴者的安全；如果沐浴者对这些信息没有及时响应，控制器会通过安全沐浴支持功能立即通知其他家庭成员。AXiS smart系列控制器的高性能型号还具备人体脂肪比例测量等健康管理功能。
日本林内公司在中国市场销售的新一代倚天系列燃气热水器配备了无线遥控器，遥控器可以与主机完全分离，直接安装在浴室内，做到热水器与浴室隔离，确保安全、便利，用户通过无线通信手段Wi-Fi就能够实时了解燃气热水器的工作状态。
德国威能公司在中国销售的turboMAG plus系列燃气热水器配备了远程无线射频遥控器以及威管家手机APP云端控制，在家中的任何位置都能使用无线遥控器一键开启热循环，手机APP更可以为用户实现一“键”热循环，达到设定温度后智能提醒用户，使用便捷，节能省气。定时功能还可以提前开启预热，每天3个时段定时循环加热，实现个性化定制热水。

产品智能化
产品智能化是利用产品自身配备的信息采集、传输、处理功能，对影响运行的各种信息进行收集和计算，实现最优的运行。产品智能化涉及的内容十分广泛，涵盖了安全性、技术性、经济性、舒适性以及使用性等多个方面。
当前，中国市场对沐浴过程的安全性需求，基本处于防止水温过高阶段，较多的产品采用水温分段设置的方式处理。一方面，不同年龄家庭成员对水温的要求不同，成人的适宜水温不一定适合儿童和老人；另一方面，浴室的适宜水温和厨房用水温度显然是不一样的。日本林内公司的倚天系列燃气热水器能够根据家庭成员的不同需求设定个性化的温度模式，使用时温度模式可以做到一键切换，不再需要针对不同需求进行逐一设定。能率在中国销售的L3系列燃气热水器，采用语音控制技术，使用者可以通过语音信息了解水温等状态，更有效地防止烫伤事故；配合48℃安心温度锁，避免老人和儿童的误操作导致水温过高。阿里斯顿在中国销售的Next EVO 2.0燃气热水器配备了温感系统，儿童、成人、厨房3个温度专属按键，每个按键都可单独存储并记忆专属温度，一键点击即可切换模式。
在燃烧安全性方面，近年来企业比较重视智能化技术对燃烧系统的监控调节手段。阿里斯顿全新的Next EVO2.0燃气热水器内置一氧化碳报警系统，当一氧化碳浓度超过150ppm时，触发声光警报。A.O.史密斯零冷水型燃气热水器在防止一氧化碳中毒方面采取的措施包括：分离监控，24小时监控浓度；手动清除，强力抽排；抽气增燃，在用气高峰时保证稳定燃烧，减少产生；抗风稳燃，在室外大风时稳定燃烧，减少产生；负压防逃逸，用大吸力防止逃逸。
博世Therm 6600 F燃气热水器采用密闭型高效强化燃烧，在有效减少热负荷损失的同时还配备了多重安全保护系统，保障产品的安全性。除了燃气阀门双重保险装置、故障自我诊断装置、不完全燃烧检测装置等，该产品还可选配一氧化碳浓度探测器，实时监测室内一氧化碳浓度，并通过热水器显示屏查看当前一氧化碳含量。当室内有害气体达到规定浓度时，探测器会自动开启声光报警并且立即切断气源，打开热水器排风系统向室外持续排气直至有害气体浓度降至安全水平。
自适应控制技术的应用对燃气热水器的燃烧安全性提高，效果十分显著。博世Therm 6600 F热水器的控制系统，可以对水流量、进水温度等多组数据进行分析处理，迅速设定热水器最佳参数以保证出水温度的恒定。其自适应控制功能可通过计算进风系统和排烟系统的长度等参数，自动调节风机的状态以获得最佳燃烧工况，让热水器运行更加稳定，使用户获得最佳的沐浴体验。
万和在燃气热水器的燃烧自适应控制技术方面也取得突破，通过离子电流检测技术的应用，实现了自适应调节。通过对燃烧火焰产生的离子电流检测，综合风压、水流量、水温等参数的测量数据，可以实时判定燃烧状态的计划趋势，分析影响燃烧条件的因素，从而及时采取相应的调节措施，确保燃烧状态保持最优，防止一氧化碳浓度异常升高，实现主动防止一氧化碳中毒的危险。该技术与一氧化碳传感器配合，可以利用主动和被动措施相结合更可靠地防止一氧化碳中毒事故发生。
自适应控制技术另一个突出的优点是，可以使得燃烧效率的控制能力更强，燃气热水器的燃烧过程更加稳定和高效。当发生室外风压变化、进水温度和流量变化以及燃气参数变化的情况下，燃烧过程仍然具有良好的控性。自适应控制技术的应用，对提高产品在极端运行环境下的适应能力十分有利。例如，阿里斯顿Next EVO2.0能够感知外界风速，自动调整热水器的运行状态，防止大风造成的气流倒灌，保障充分燃烧，持续稳定提供舒适热水，能抗9级大风。

改善使用体验
保持水温的稳定，是燃气热水器保证用户使用体验的基本手段。能率在F4系列燃气热水器中通过配备水量伺服器显著提高了热水器的恒温性能。在供水压力、流量以及水温需求等因素发生变化时，水量伺服器能够快速精确地调节水流量，从而维持水温稳定，在多点同时用水的场所，该特性更加突出。在夏季进水温度高时，燃气热水器的热负荷减小，水量伺服器就会增大出水量，防止水温过高；在冬天进水温度低时，燃气热水器热负荷增大，水量伺服器就会相应减少进水量，以缩短升温时间。由此可见，水量伺服器可以智能调节进出水量，在面对各种使用环境变化时，也能维持住宅内各个用水点的水温稳定。威能turboMAG pro热水器就配备了水量伺服自动调节装置，可根据进出水温度、水流量、燃气配比综合动态平衡进行调节，用户在使用过程中，恒温精确度可达到±0.5℃左右。
在空调领域应用多年的环境温度补偿技术，近年也在改善燃气热水器使用体验方面得到应用。温度补偿的原理是在不同的外界温度条件下，人体温度感觉会有所变化，所以恒温功能只是维持出水的温度不变，无法适应体感变化需要。阿里斯顿Next EVO 2.0燃气热水器配备了Auto智感应系统，采用双温感双调节系统，通过探测外界水温波动，自动修正出水温度，从而获得更好的使用体验。美的HS8燃气热水器具备随温感技术，能够根据天气变化进行水温调整。当热水器处于智温感模式时，进水温度每变化4℃，设置温度相应变化1℃，最大变化范围为36℃~48℃。
解决夏季最小温升过高问题，是燃气热水器改善用户体验的重要课题。对于目前在燃气热水器普遍采用的大气式燃烧型产品来说，分段燃烧方式是负荷调节的基本手段。博世Therm 6600 F热水器采用3段4火力分段燃烧技术。该技术可按需调节火力分配，杜绝不必要的燃烧进而节约资源，实现舒适与绿色并行。A.O.史密斯在中国销售的L1PB-V9零冷水燃气采暖/热水两用炉，以5段式燃烧技术，最少2排分段燃烧，最小功率为1.8kW，即使面对夏季较高进水温度，也能保证水温恒定舒适。威能turboMAG pro燃气热水器具备14%~100%超宽广的负荷调节范围，实现夏季沐浴水温不过过高，冬季可以随心享受到舒适的热水浴。万和公司的燃气热水器在低负荷运行方面，利用分段和比例调节措施能够实现最小功率为1.6kW的稳定运行，负荷率降低至10%左右。
日本市场上高配置的燃气热水器，通常还具备浴室环境控制的功能。一方面，利用热水器的供暖功能，调节浴室的温度，从而改善沐浴过程的体验；另一方面，利用浴室暖风干燥机，调节浴室内的湿度。除了在沐浴期间调节适宜的室内温湿度之外，浴室暖风干燥机的另一个重要作用，就是把晾在浴室内的湿衣服吹干，这是颇具日本特色的使用方式。