根据宁波市2017年的建设科技课题《宁波市民用建筑空气源热泵并太阳能热水系统技术标准项目》（SMFWZB2017069）的要求，2017年4月对宁波市区某多层住宅的顶层（6层带阁楼）住户热水系统进行了改造，拆除原来整体非承压式太阳能热水器（单管供水），新安装了1台整体非承压式太阳能热水器，在厨房间新增安装了热水专用型带进水温度自动控制点火升温功能的燃气热水器，太阳能热水出水接至上述燃气热水器进水口，另外系统还配置了太阳能热水增压水泵、恒温混水阀、热量（流量）表、燃气表、数据采集发送器等进行实际测试的设施，编写了热量、温度等数据采集软件，对住宅太阳能热水与燃气热水器串联系统的性能进行了测试研究。

宁波某住宅安装使用的太阳能热水（整体非承压太阳能热水系统）与热水专用型燃气热水器（无储水容积）的串联系统见图1。实际工程现场如图2所示。

图1太阳能热水与燃气热水器串联系统中，燃气热水器是辅助加热设备，也是最关键的设备，其稳定性能及控制质量要影响到整个热水系统的使用。

国内某公司于2015年对热水专用型燃气热水器（即热式）进行了性能测试。其测验条件如下：

(1）热水系统为太阳能出水（为方便连续多次测试，用燃气热水器模拟制备太阳能热水）与燃气热水器串联系统，太阳能出水直接接入燃气热水器进口。

(2）太阳能水箱为立式100L保温水箱，水箱测温点有4个部位，分别是水箱出水处（设定出水温度为48℃）、水箱上部、水箱中部、水箱底部冷水进水管上（水温为18℃）。

(3）燃气热水器出水口处设测温点，设定出水温度为42℃，进水口处无测温点（实际产品也是这样）。

测试过程中出水时间与温度的变化及燃气热水器的启闭控制等重要记录见图3。

(1）立式水箱内温度是分层的，从上部至下部温度逐渐下降，出水处最高为48℃，试验出水10min后，水箱中部温度接近冷水温度18℃，此时水箱上部温度为44℃。

(2）当水箱出水15min后，水箱出水温度下降至39℃时（图3中B部位），燃气热水器开始点火升温，出水温度为42℃，且为恒温。此前，当水箱出水温度≥39℃时，燃气热水器不点火升温，水流只是流过燃气热水器，从图3可以看出，燃气热水器出水温度就是进水温度，即太阳能水箱出水温度，图3中燃气热水器出水温度与水箱出水温度2条水温曲线是重叠的。

(3）测试刚开始进行至20s时，燃气热水器出水温度突然升高至58℃（比水箱出水温度高10℃，进水温度越高，温升越高），时间持续了5s左右（图3中A部位），5s以后燃气热水器出水温度等于热水箱出水温度。造成上述温度突然升高的原因是该燃气热水器在进水口处没有测温点，测温点设在出水口端，进水与出水口之间有水流通道长度，燃气热水器对水温感知有时间差，该冲击温度由于持续时间较短，人体感知能承受（在实际工程使用中经用户反映没有造成明显的使用影响），属于产品优化的一个方面。

(4）该燃气热水器已具备了与太阳能热水串联的功能，燃气热水器的启动点火升温由设定的出水与进水温度差值自动控制，当设定出水温度与进水温度差大于3℃时，燃气热水器点火升温，且水温能达到恒定值，当上述温度差≤3℃时，燃气热水器不点火升温，水流只是流过燃气热水器。

(5）燃气热水器的过流部件能耐高温，长期耐高温能力≥60℃。短时耐冲击高温≥80℃。

(6）热水专用型带进水温度自动控制点火升温功能的燃气热水器与冷水普通型燃气热水器的本质区别：冷水普通型燃气热水器当出水温度达到一个较高的温度时（一般为80℃），会启动高温保护强制使热水器停止工作。如果冷水普通型燃气热水器与太阳能热水串联，燃气热水器出水温度会比太阳能的进水温度更高，直至高温保护停机，这种工作机理无法满足人们对生活热水的使用要求，既不安全，也不舒适，而且冷水普通型燃气热水器的过水部件不耐高温，显然不能满足太阳能与燃气热水器的串联要求；而热水专用型带进水温度自动控制点火升温功能的燃气热水器的工作是由设定的出水温度与进水温度的差值自动控制的，当燃气热水器检测到实际出水温度小于设定温度某值（一般温差为大于3℃）时，会自动点火升温进行热量补充；当实际出水温度与设定温度值相差达到某值（一般温差为小于等于3℃）时，燃气热水器不点火升温，水流只是流过燃气热水器，此时燃气热水器出水温度就是进水温度，即太阳能热水温度。在太阳能热水与热水专用型带进水温度自动控制点火升温功能的燃气热水器串联的工作过程中，当燃气热水器的进水温度逐渐上升，燃气热水器的热负荷会逐渐下降，当燃气热水器检测到热负荷降到最低，并且出水温度与设定温度差值达到某值（一般温差为≤3℃）时，会主动停止点火升温。当燃气热水器的进水温度逐渐下降到低于燃气热水器的设定温度3℃时，会重新点火加热，确保出水温度恒定，而且过水部件都耐高温。因此，热水专用型带进水温度自动控制点火升温功能的燃气热水器可以与太阳能出水进行串联使用，既能确保用水安全，又能满足用水的舒适性要求。

2017年4月底课题组对宁波市区某多层住宅的顶层（6层带阁楼）住户热水系统进行了改造，该住户常住人口为2人，但爱好运动。拆除原有太阳能设备（原系统问题很多），新安装了1台整体非承压太阳能热水器，没有电辅助加热器，太阳能出水由增压泵加压后通过恒温混水阀与设在厨房内的热水专用型带进水温度自动控制点火升温功能的燃气热水器（辅助加热设备）串联，供应卫生间及厨房热水。增压水泵、恒温混水阀及数据采集发送器等设施设在阁楼层平台处（有雨蓬）。

太阳能热水串联系统中所配置的主要设备及参数见表1。

对太阳能热水串联系统的冷水进水、热水出水、燃气热水器出水（系统总出水）的温度、热量（流量）进行了数据采集及远程发送至服务器。

自2017年5月1日安装完毕（数据采集时间为6月5日）开始使用至今已运行2年多时间，目前系统仍在使用，效果良好。对该系统的应用，总结为以下四方面。

(1）在国内某公司测试的热水专用型燃气热水器主要性能（点火温度、恒温出水及启动控制等）在本工程中再次得到确认，国内某公司测试的数据基本准确。该系统完全能自动运行，不需人工控制，燃气热水器出水温度有45℃、50℃、55℃、60℃4档可以自由设定，出水恒温，运行稳定，到目前为止燃气热水器未出现过故障。2019年10月26日太阳能出水与燃气热水器出水（系统总出水处）温度记录见图4。

(2）该系统非常节能，运行费用省。前2年全年平均每月消耗天然气6.6m³，按宁波市住宅天燃气价格2.95元/m³（不考虑用气梯度价格），平均每月生活热水使用费为19.5元。

(3）恒温混水阀要选用可靠的产品，增压水泵宜采用变频调速水泵。恒温混水阀，是系统中控制燃气热水器进水温度的关键部件（整体式太阳能热水器夏季温度可达95℃），恒温混水阀有3个阀口，1个温度调节钮，3个阀口中有2个分别是冷、热水进水口，另1个是出水口。在恒温混水阀的混合出水口处，装有一个热敏元件，利用感温元件的特性推动阀体内阀芯移动，封堵或者开启冷、热水的进水口。在封堵冷水的同时开启热水，当温度调节旋钮设定某一温度后，不论冷热水进水温度、压力如何变化（在允许压力范围内），进入出水口的冷、热水比例也随之变化，从而使出水温度绐终保持恒定。从使用期间得到，恒温混水阀出水温度是基本恒定的，出水温度与设定温度误差在2℃以内。恒温混水阀是自力式的，不需要外部动力。进入恒温混水阀的冷、热水水流通道随温度而变化，当太阳能热水水温达到高温时，恒温混水阀的热水通道会变得很小，因此采用变频调速水泵与恒温混水阀可以很好地匹配使用，而工频水泵难以具备这个条件。该系统使用6个月后，已更换过1个恒温混水阀，此阀为网上购买国产品牌，前6个月使用稳定，恒温混水阀出水稳定。6个月后，恒温混水阀失灵后，由于所配水泵不是变频调速水泵，而是工频水泵带气压罐，由电接点压力表压差控制，压力开关无法正常控制水泵启停，有时半夜水泵会莫名其妙的运行，产生的噪音严重影响业主的睡眠。把恒温混水阀换成原装进口名牌产品后，水泵运行就稳定了。

(4）整体式太阳能热水器，宜采用承压式，这样热水出水不需要采用增压水泵，也没有了水泵的故障，同时可降低恒温混水阀的故障率。

从热水系统的统计软件中下载实时采集的主要参数见表2。

从表2可以得到，自2017年6月5日至2019年10月26日，“上接热表”即太阳能热水器提供的累计热量为1 872.2kW（已扣除初始值），“下接热表”即燃气热水器提供的累计热量为1 108.8kW（已扣除初始值）。该住户生活热水所消耗的总热量为1 872.2+1 108.8=2 981(kW）。上述时段从燃气表上读得数值为160.8m³（天燃气），从户自来水总表上得到总用水量为292m³（为户冷水总用水量）。

太阳能热水器提供的热量占用户生活热水总热量的比例（即太阳能保证率）为：f=1 872.2/2981.0=62.80%，燃气热水器提供的热量占用户生活热水总热量的比例37.20%，燃气热水器（辅助加热）使用的费用为：W=160.8×2.95=474.36元（28个月21天）。上述系统非常节能，使用费也很低。

自来水用水量户平均每月为10.17m³，即每人每天q=170L。

燃气热水器效率推算：以天燃气发热量为34 400kJ/m³计，燃气热水器出口至“下接热表”管段热损失为5%，则效率为η=1 108.8×3 600/（160.8×34 400×0.95)=0.76。此值为推算所得，可能存在误差，但具有参考价值。目前冷水普通型燃气热水器的热效率一般为0.84^[1]，国家规定不小于0.80（按低热值）^[2]，热水专用型燃气热水器的进水是太阳能的出水，一年中水温大部分时间要高于自来水温度，进水温度对燃气热水器的效率是有影响的，进水温度越高，燃气热水器效率越低，由此推断热水专用型燃气热水器的热效率要略低于冷水普通型燃气热水器。

目前宁波乃至全国住宅太阳能热水系统辅助加热能源主要是电，用燃气热水器作为辅助能源加热设备很少应用。太阳能热水与热水专用型燃气热水器串联系统是近几年来研发的新系统，该系统具有许多优点，见表3。

(1）通过对热水专用型燃气热水器的单机性能测试及太阳能热水与热水专用型燃气热水器串联系统工程的应用，得到该系统节能、可靠、运行费用低、舒适性好、能自动控制，具有推广应用价值。

(2）目前宁波乃至全国住宅太阳能热水系统绝大部分采用电作为辅助加热能源。热水专用型燃气热水器作为太阳能热水的辅助加热设备，比电辅助加热器具有能源效率高、加热速度快、恒温出水、使用费用低等优势。热水专用型燃气热水器与太阳能热水串联系统，可应用于分散式系统；集中集热、分户辅助加热等太阳能热水系统中。

(3）热水专用型燃气热水器与太阳能热水串联系统应用需要注意3个方面的问题：(1)控制太阳能热水的水垢累积，太阳能热水进燃气热水器管道上必须安装过滤器，且要设在便于拆下清洗的位置。对于直接加热系统，当冷水水质总硬度超过75mg/L^[4]时，生活热水不应直接采用过流式流经真空管及U型管等集热元器件（设备）；当冷水水质总硬度超过120mg/L^[3]时，宜进行水质软化或阻垢缓蚀处理；(2)合理设定太阳能热水进燃气热水器的温度，一般情况下住宅进燃气热水器温度宜为55℃^[5]，不得大于60℃。这个温度有利于控制水垢的形成、细菌的繁植，又不会烫伤，比较合理；(3)在系统设计时应预留冷水旁通管道并设阀门接至燃气热水器，平时阀门为常闭，当恒温混水阀或太阳能热水器需要维修或更换时，打开此旁通管路，直接采用燃气热水器制备生活热水，这样不会出现用户中断热水的供应。