低压全直流燃气热水器技术洞察报告发布

近年来，随着全球能源危机的加剧和环保意识的提高，节能减排成为各国科技研究的重点。据统计数据显示，全球温室气体排放量每年呈上升趋势，其中主要来源就是传统能源消耗带来的碳排放。为了应对这一问题，国际社会广泛关注并推动新能源技术的研发和应用。而在建筑领域用电方面，家用电器的能源消耗占比较大，因此提高家用电器的能效，减少能源消耗，成为各国政府和科研机构共同关注的课题。

在此背景下，低压全直流技术将家用电器的供电方式从传统的交流电转变为直流电，通过直接提供稳定的低压全直流电源，避免了传统交流电源中需要进行变频、整流等多个环节的能量转换，从而提高能源的利用效率，目前我国也已研制出直流空调、直流冰箱等高效家用电器。直流技术被广泛认为是未来家用电器重要发展方向之一。并且通过采用低压全直流技术，不仅能够提高能效，降低碳排放，还能够改善电器的安全性能，尤其是电气性能与燃气用具的双重耦合影响，明显可减少事故风险。低压全直流技术的发展和应用，对于提升家电行业的可持续发展能力，推动绿色低碳生活方式的普及具有重要意义，但是针对燃气具行业的低压全直流技术却还鲜有品牌涉及。

从1985年至今，万家乐一直致力于提供高质量的热水采暖解决方案。近年来，随着对低压全直流技术以及直流微电网的研究与发展，全直流燃气热水器很可能成为未来的技术升级目标之一，作为燃气热水器行业引领企业的万家乐，针对低压全直流燃气热水器设计的技术难点进行了潜心研究并提出了低压全直流燃气热水器的总体设计方案。

在中国家用电器研究院指导下，全国家用电器工业信息中心联合广东万家乐燃气具有限公司共同编写《2024年低压全直流燃气热水器技术洞察报告》。希望通过此报告为燃气具行业的发展提供一些新思路。

一、家电行业相关政策及发展趋势

近年来，随着全球能源危机的加剧和环保意识的提高，节能减排成为各国科技研究的重点。在建筑用电方面，家用电器的能源消耗占比较大，因此提高家用电器的能效，减少能源消耗，成为各国政府和科研机构共同关注的课题。我国政府已连续出台多项国家政策，鼓励发展绿色家电和智能家电，牵引行业向低能耗、高能效的方向升级转型。

1.1 家用电器相关政策梳理

1.1.1 节能环保政策

随着全球气候变化问题日益严峻，多个国家相继提出减排承诺。作为全球最大的发展中国家，中国明确提出力争2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的“双碳”目标。

开展节能减排,是党中央、国务院做出的重大战略部署, “十一五”以来，国务院在每个五年规划期均制定节能减排综合工作方案，对全国节能减排工作进行总体部署，对加快经济社会绿色转型发挥了重要作用。2021年，党中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》，把节能减排作为推进碳达峰碳中和工作的重大举措。国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知（国发〔2021〕23号）中提出：提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑。“光”和“储”分别指分布式光伏和分布式储能，作为建筑配用电系统重要组成部分；“直”指建筑配用电网的形式发生改变，从传统的交流配电网改为采用低压直流配电网；“柔”则是指建筑用电设备应具备可中断、可调节的能力，使建筑用电需求从刚性转变为柔性。与常规光伏建筑相比，光伏直流建筑具备电能利用率高(提高6-8%)、节能优势明显、设备投资少，投资回收期短等优势。而且建筑上应用直流配电，可获得显著改善系统性能，安全性显著提高，电源品质提高等优势。

2022年，国务院印发《“十四五”节能减排综合工作方案》，明确了“十四五”推进节能减排的总体要求、主要目标、重点工程、政策机制和保障措施，对完成“十四五”节能减排目标任务、助力实现碳达峰碳中和提供重要工作支撑。

1.1.2 消费升级政策

消费是我国经济增长的第一拉动力，家电消费是居民消费的重要组成部分，是传统消费的“四大金刚”（汽车、家电、家具、餐饮）之一。近年来，随着人均家电保有量提升，传统家电销售增速放缓，家电行业由增量市场进入存量。

2020年，距上一轮以旧换新政策结束已近十年，一大批家电将进入换新期，老旧家电产品过期使用可能存在以下风险：⑴安全隐患增加，超过安全使用年限的家电产品可能存在零部件老化、电路老化等问题，增加了发生漏电、短路、火灾等安全隐患的可能性；⑵能源浪费，老化的家电产品通常能耗较高，能源利用率低下，使用过程中会浪费大量电能，增加能源消耗和电费支出；⑶环境污染，老化的家电产品可能存在有害物质释放等问题，对环境造成污染和负面影响，不利于环境保护和可持续发展。

2021年初，商务部等12部门联合印发《关于提振大宗消费、重点消费，促进释放农村消费潜力若干措施的通知》，提出要激活家具、家电市场，鼓励有条件的地区淘汰旧家具、旧家电，对于购买绿色智能家电和环保家具提供补贴。2023年6月9日，商务部办公厅、发展改革委办公厅、工业和信息化部办公厅、市场监管总局办公厅共同发布《关于做好2023年促进绿色智能家电消费工作的通知》，提出要深入开展家电以旧换新，促进绿色智能家电消费。2024年3月7日，国务院关于印发《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》的通知，实施消费品以旧换新行动，支持家电等领域耐用消费品以旧换新。

1.1.3 创新发展政策

当前，我国家电市场消费新潮涌动，一方面存量特征明显，另一方面新型家电渐成新宠。积极扩大市场需求，把握消费升级趋势，帮助用户构建和谐美好“未来家”正成为驱动家电产业升级、迈向高质量发展的核心动力。

2023年2月，中共中央、国务院特别印发了《质量强国建设纲要》，家居家电被列入重点消费品，同时强调要加强家居家电的创新创意设计，加快新技术研发应用，推动产品升级迭代和品牌化发展等方面的内容。2023年7月，商务部会同国家发展改革委等12部门印发了《关于促进家居消费的若干措施》，提出以绿色化、智能化、适老化为发力点，提升供给质量，创新消费场景，改善消费条件，优化消费环境，疏堵点、解难点、治痛点，促进家居消费恢复和升级。2023年8月，工业和信息化部、国家发展改革委、商务部等三部门联合发布了《轻工业稳增长工作方案（2023—2024年）》，针对重点行业优结构、扩内需、促消费、稳出口及推动产业生态协调发展、提升产业链现代化水平提出切实可行的工作举措。

图1. 家电行业相关政策梳理

1.2 家用电器用电趋势分析

1.2.1家用电器电源类型分析

直流电和交流电是电力工程和电子领域两种最常见的电流类型，它们在许多方面都有着根本性的区别。

直流电（Direct Current，DC）是指大小和方向都不随时间变化的电流。直流电的生成通常通过电池、太阳能电池板或直流发电机等设备完成。直流电的电流从正极流向负极，方向始终保持一致。直流电的优点包括稳定性高、传输损耗小、无电磁辐射、易于控制等，而直流电的缺点包括传输距离有限、转换成本高等。

交流电（Alternating Current，AC）是指电流方向随时间作周期性变化的电流。交流电的生成通常通过发电厂的交流发电机完成，这些发电机产生的电流周期性地从正极到负极再到正极，如正弦波一样变化。交流电具有远距离传输方便、便于产生、电机结构简单、制造成本低、维护方便等优点，但也存在一些缺点，如传输过程中存在电磁辐射和电压波动等问题。

自1882年爱迪生用直流供电系统点亮摩根大楼，为夜晚带来了光明和温暖，此时直流供电占据主导地位。1895年特斯拉发明的交流电力设备将电力传输到35公里之外，解决了远程输电的问题，结束了“电力之战”，交流供电技术发展迅速并全面取代直流供电技术，各类电气设备基本上也都由交流电驱动，历史上仅由于当时电子技术不成熟，使得交流输电代替了直流输电。

直流电和交流电之争虽然已经结束了一个多世纪，但是它们并没有消失。针对交流电传输中存在的问题，我国也在开始逐渐使用超高压直流输电，高压直流输电技术因其在长距离输电中损耗小、稳定性高的特点，特别适合于跨国跨区域的电力传输和电网互联，有助于实现全球能源资源的优化配置；它可将风电、太阳能等再生能源有效集中到电网中，支持全球能源转型和减少碳排放目标；全球多个国家和地区已将发展高压直流输电技术作为国家战略，相关政策的支持和资金的投入将进一步推动其商业化进程和技术创新。综上所述，高压直流输电技术作为现代电网的重要组成部分，其发展前景看好，将在未来电力系统中扮演越来越重要的角色。

图2. 交直流之争

1.2.2绿色低碳背景下的电力革命

2021年，国务院印发《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》，《通知》中明确要求，提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑，首次在政策层面为“光储直柔”的发展提供清晰的方向和支持。“光储直柔”是目前直流输送技术的主要发展方向，直流电器将成为该技术发展的重要支撑。

当前我国居民供电系统主要以交流电为主，也就是日常所见的是“220V 50Hz”正弦交流电。在发电端，随着光伏等新能源的发展和微电网的兴起，低压直流供用电系统因其高效、低碳的特征正引起业界广泛关注。在电力的需求端，居民最终实际在大量使用直流电。从LED照明、路由器、到电脑，未来还可能延伸至更多品类的家用电器产品，如：风扇、空调、冰箱、洗衣机、热水器等。为了给这些电器提供直流电，电器设备外部或者内部都会装备一个电源模块，将电网提供的 220V 交流电进行整流降压，转换成低压直流电，才能供用电器使用。而这一个转换，却会带来一系列问题，比如，能耗高、成本高、设备复杂等。如果从发电到用电全部改为直流电，形成低压直流供用电系统，可以突破传统电器的能源获取、能源输配、能源使用方式局限，实现发、配、用电直流化，提高系统效率；简化相关设备结构，降低成本；让分布式光伏等电源就近并网，从而打造低碳、环保、舒适、智能、安全的家居环境。

家用电器内部电路使用直流供电，可降低设备成本投入，减少能源转换损耗，提高能源效率，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的智能化体验环境。当前家用电器，如冰箱、洗衣机、空调等应用直流电机实现部分直流技术，对于全直流技术部分企业也已经做了相应的技术储备研究。

图3. 光储直柔应用示意图

1.2.3企业相关技术储备

1）其他企业全直流技术储备

2021年，格力推出了光储直柔空调系统；2022年，格力及国创联能协同萧山供电公司、南瑞集团在浙江杭州打造首个多站合一低压直流配网示范工程。2023年2月，海尔参与“十四五”国家重点研发计划“建筑机电设备直流化产品研制与示范”项目。

2.）万家乐全直流技术储备

始创于1985年的万家乐，秉持“全球亿万家庭美好厨卫生活创造者”这一品牌愿景，一直专注于改善中国家庭热水和厨房生活，凭借极具创新和技术研发的优势，万家乐成长为全屋用水和厨房解决方案的国民品牌。

一直以来，万家乐致力于提供高质量的热水采暖解决方案，成功打造了零冷水、小体积、健康水和精控恒温四大燃气热水器产品系列。从第一台带有熄火保护的燃气热水器到第一台小体积燃气热水器，从首创零冷水技术到创新无电洗技术，万家乐已经拿下多个行业第一。

在对高效节能产品需求持续上升的背景下，万家乐针对燃气热水器内部的能耗模式进行了深入的分析，同时在洞悉到相关性能要求（如：抗干扰能力差、可靠性低、维修难、有害物质排放相对较多）落后于国家绿色发展需要等问题后，积极响应国家“双碳”号召，大力开展产品创新及技术研发。作为国家重点高新技术企业和国家认定企业技术中心，万家乐拥有博士后科研工作站和国家认可实验室，研发出小体积集成技术、零冷水、无电洗、家用中央热水、厨房自动烹饪等颠覆行业的创新技术。万家乐引领数十次行业开创性重大技术革新，主导或参与了百余项国家、行业标准制定，获得近3000项国内外权威行业大奖。为研发出一种新型、高效、安全的燃气热水器平台技术，提升家庭生活品质、推进家电行业技术进步，公司召集十余名工程师、投入大量研发资金，经过反复试验、优化和改进，攻克技术难题，历时3年，最终成功研发出全直流24V燃气热水器平台技术，并推进全直流燃气热水器的国标修订，以前沿的技术创新和研发成果为促进燃气热水器的低压全直流化应用贡献力量。

1.2.4柔直输电现状及发展前景

近年来，中国用电需求快速增长。据国家能源局数据显示，2016年-2023年我国社会用电量逐年递增，2023年全社会用电量92241亿千瓦时，同比增长6.7%，其中城乡居民生活用电量13524亿千瓦时，居民侧用电占社会总用电量14.7%。在电力需求持续增加、部分地区用电紧张的背景下，不仅要号召全社会节约用电、科学用电，使用绿色节能家用电器及设备，更应优化电网结构，加快新型电力系统建设，提升全网供电能力。

图4. 2016-2023中国社会用电量及增长

柔性直流输电，采用新一代直流输电技术，可提升电网输送能力和安全水平，是解决新能源消纳、长距离输送及电网安全的重要途径。我国柔直技术发展始于2006 年国网智研院，随后发展迅猛。国内柔直工程起步较晚但发展较快，海外柔直工程始于1997年，国内则始于2010年，但在电压和容量上国内后来居上，截至2023年10月，国内已累计投运11条柔直输电工程，输电容量和电压等级居然已经达到了国际领先水平。

根据饶宏所著论文《柔性直流输电技术的工程应用和发展展望》中预测，预计2033年国外新增柔直输电工程项目将超过50个，新增容量超60GW，欧洲已提出“超级电网”计划旨在提高欧洲电网对于可再生能源的消纳与利用；国内方面，柔性直流输电技术已在风电送出、电网互联、无源网络供电和远距离大容量输电等场景取得了充分发展和工程应用，其输电能力已经达到特高压等级，南方电网已明确提出“新建直流受端以柔性直流为主，存量直流逐步实施柔性直流改造”。由此可见，柔性直流输电是新能源并网消纳、电网互联和远距离输电的重要方式，应用场景包括陆上柔直、海风外送柔直和背靠背电网柔直互联等，发展前景十分广阔。

二、燃气热水器市场现状及前景分析

2.1 燃气热水器市场规模及增长

热水器是我们日常生活中经常用到的家电产品。经过多年的发展，热水器在我国居民家庭中已占有较为重要的地位，据国家统计局数据显示，截止2022年底，我国居民平均每百户年末热水器拥有量为89.9台。近几年，在疫情反复、房地产市场不乐观等因素影响下，我国热水器市场负重前行，2023年随着宏观经济的回暖和消费潜力的逐步释放，热水器市场出现回暖，据全国家用电器工业信息中心数据显示，2023年国内热水器零售规模为513.5亿元，零售额同比增长1.9%。其中燃气热水器销售规模为263亿元，同比增长3.5%，从数据来看，燃气热水器的市场表现优于整体。近年来随着天然气管道的加速覆盖，燃气热水器因其体积小、能效高、加热速度快、即开即用等优点，成为不少消费者在装修新房或更换热水器时的首选。

图5. 国内热水器市场规模及增长

2.2 燃气热水器产品的优势

作为热水器市场的主销品类之形，燃气热水器凭借连续多年的两位数增长、政府“煤改气”政策及全国各地天然气管道铺设的持续推进等利好因素收获了明星般的光环。近年来，随着消费者对生活品质的追求和环保意识的提高，燃气热水器市场呈现出稳步增长的态势。此外，政府对清洁能源的推广和扶持也为燃气热水器的发展提供了有利条件。燃气热水器具有以下优点：

加热速度快：燃气热水器采用燃气作为热源，加热速度快，能够在短时间内提供大量热水，满足用户即时使用的需求。

节能环保：燃气热水器在加热过程中产生的废气较少，能源利用率更高，更加节能环保。2005年诞生以高效、节能、环保为主的冷凝燃气热水器 ，以及近几年燃气具行业大力发展的全预混燃烧技术，大幅提升了燃烧换热效率，降低了燃气消耗量，从而达到节能目的。

安全性高：燃气热水器通常配备有安全装置，如熄火保护、过热保护等，正常情况下能够确保使用过程中的安全。

适用范围广：燃气热水器适用于各种户型和用水场景，能够满足不同用户的需求。

近年来，城市市场中越来越注重家居设计与用户使用体验的消费者在更换热水器时更多地考虑具备节能、舒适、体积小巧等优点的燃气热水器。据《2021家用热水器消费升级趋势调查》显示，燃气热水器成为多数家庭的首要选择，占比达到53.8%。

图6. 用户家庭热水器类型调研

在厂家大力宣传、产品不断升级改进及燃气管网设施改善等因素的共同推动下，燃气热水器产品在一至三级市场正迅速成为主导品类。

2.3 燃气热水器产品发展趋势

在市场规模持续扩容的过程中，燃气热水器行业不断迎来新生力量，尤其是在线上渠道，大量品牌的涌入使得燃气热水器市场品牌数量大幅增加。据全国家用电器工业信息中心数据，2023年我国燃气热水器线上在销品牌数量为149个，较上年增加26个，线下渠道在销品牌数量为94个，较上年减少9个。激烈的竞争使得头部品牌的集中度发生变化，在线上市场，前三品牌占据了半壁以上江山，2023年零售额份额为58.0%，较上年增长5.6个百分点，4-5名品牌共占据19.3%的市场份额，较去年减少2.4个百分点；线下市场品牌表现较为稳定，前三品牌共占据36.7%的市场份额，占比较去年小幅下降0.2个百分点，4-5名品牌共获得22.1%的市场份额，较去年增长1.1个百分点。

图7. 2023年燃气热水器品牌数量及集中度变化

随着市场竞争的加剧，品牌加速转型的决心更加坚定，燃气热水器行业结构调整和转型升级已成为必然的选择。同时在消费升级的大形势下，消费者对家电产品的要求正在从“能用”向“好用”方向转变，追求品质生活、买好产品已成为一种趋势。水量不足、冷水等待、水温波动、沐浴健康是消费者在使用燃气热水器过程中遇到的主要痛点，针对这些问题，生产企业不断进行技术创新及产品升级，大升数、恒温、安全、健康、静音正在成为燃气热水器产品发展趋势。

⑴ 恒温。针对用水过程中由于外界干扰造成的“水温波动”问题，恒温技术的推出和应用在很大程度上保证了沐浴水温的恒定，当前市场上绝大多数燃气热水器均具备了恒温功能，同时在稳定水流基础控温的基础上，相继衍生出水气双调、水量伺服等技术。数据显示，具有水量伺服器的燃气热水器线上、线下零售量较去年同期分别增长72.1%、68.9%。

⑵ 安全。燃气热水器一般采用密闭燃烧室，不会产生有害气体。现代燃气热水器还配备了多种安全保护装置，如熄火保护、过热保护、防冻保护、防倒灌以及燃气泄漏报警防护系统等，确保用户的使用安全；但是实际使用中仍存在因家庭复杂电网环境导致地线带电或地线与燃气管道间存在电位差引起管道加速老化并发热烧穿等安全问题，在产品端需进行用电环境适应性展开相关研究与攻关。

⑶ 健康。健康已然是用户最为关注的话题，也由此成为各企业宣传最多的卖点。在健康体验方面，燃气热水器产品主要通过软化水、过滤、杀菌、气泡水等功能，达到健康效果。数据显示，据有抑菌功能的燃气热水器2023年线上、线下零售量占比分别达到46.6%、19.4%，同比分别增长9.9%、6.9%。用水健康将成为热水器产品高端化升级的突破口。

⑷ 静音。近年来，“静音”已成为家电行业的高频宣传词汇，众多家电产品均以“静音”作为卖点。燃气热水器在运行过程中因为燃料的燃烧加热以及风机的持续供风，仍旧避免不了噪音的产生，对用户生活造成困扰。因此，静音也成为燃气热水器改善体验的重点方向之一，数据显示，2023年据有静音功能的燃气热水器在线上、线下市场的零售量占比分别为3.1%、7.1%，同比分别增长15.6%、29.3%，表明消费者对于静音热水器有一定的购买意愿。

图8. 2023年燃气热水器品主要规格占比变化

随着“绿色低碳，节能环保”理念的深入人心，消费者对于高效能、低碳排放产品的需求不断释放，同时对沐浴体验提出了更高的要求，在此背景下，许多厂家通过技术研发，提高燃气热水器能效，提升用户使用体验。这些创新技术的推出和应用，不仅切合当下绿色节能的理念，响应国家“双碳”政策，更是带动行业历经了几轮的升级，在满足消费者需求的同时也为行业的发展带来了新的增长机会。

三、直流技术在燃气热水器中的应用

3.1 燃气热水器用电技术分析

燃气热水器的供电方式主要有插电式供电和电池式供电这两种，其中插电式供电是通过插电方式来连接电源，这种方式的优点在于电源稳定，线路相对比较简单；而电池式供电主要是通过电池来对燃气热水器进行供电，其优点在于燃气热水器的供电不再依赖于电网，也不需要敷设电源线路和插线板等设施。从目前市场上反馈的销售数据分析，具有插电式供电的强排式燃气热水器是目前市场上的绝对主力，在线下市场中强排式燃气热水器的零售量份额已经高达97%。

电源在燃气热水器中的作用主要是支持点火系统、控制系统、保护系统的工作。燃气热水器的火花发生器使用电来点燃燃气，控制系统中的电子控制器、传感器和执行组件依靠电流来控制和调节燃气的流量、温度、压力等参数，保护系统中的温度传感器、压力开关、漏电保护器等同样需要电流驱动，监测和控制热水器的温度、压力、漏电等情况，在出现异常时采取相应的措施，以确保热水器的安全运行。燃气热水器中的电路元器件众多，线路复杂，同时需要对接入线路中的电源电压进行转换，以适配各自不同的额定电压，因此产品的用电安全、电压转换中的能源损耗成为企业和消费者共同关注的话题。基于提高燃气热水器用电的安全性、节能型等出发点，众多燃气热水器生产企业致力于推进燃气热水器用电技术的创新和发展，通过调整接入燃气热水器的电源类型以及底层电气架构改善其安全和能耗。

3.1.1传统交流燃气热水器

交流燃气热水器指的是热水器内部风机、水泵、防冻加热体等主要元器件均采用交流供电的燃气热水器。其中交流风机通常具有固定的转速和风力输出，缺乏足够的调节能力。因此，它的抗风压能力较低，只有100Pa左右，当外部压力增大时，交流风机可能无法提供足够的空气流量，来满足热水器的燃烧需求，这会导致热水器的性能下降；或者燃烧不充分产生有害气体，危害用户的使用健康，同时也无法满足不同用户家中对不同环境的使用需求。此外，交流风机一般调速较为困难，无法根据热水器的实际运行情况进行精确调节，如果燃烧需求发生变化，交流风机可能无法及时提供适量的空气，导致燃烧效率降低。而交流燃气热水器在大部分的燃烧负荷段，都会因为风速过高而带走太多的热量，进而降低了热水器的热效率。相比直流风机而言，交流风机还会因为转速过高带来噪声大的问题，尤其在夜间还会干扰到家庭成员的休息和睡眠。除此之外，交流燃气热水器普遍采用的是风压开关来判断烟道和外界风压的变化，而风压开关是一个易损件，寿命短，故障率较高，会严重影响用户使用体验感。

另外交流水泵存在电功率大、体积大、效率低的问题，同体积下的性能较弱会严重影响用户使用体验感。

3.1.2直流变频燃气热水器

传统的交流燃气热水器主要采用的是交流电机，一旦启动电机就会以额定电流、恒定转速进行工作，在这种工作方式下，无论水流量大小，燃气热水器风机都会以固定的功率运行。而直流变频燃气热水器采用的是直流变频技术，通过变频器来控制电机的转速，从而控制热水器风机的转速，进而实现对加热效果的精准控制。但是在目前交直流共存阶段，依然存在电气安全、电效率低、干扰大性能不足等问题。对于电气安全，主要是家庭电网接地线带电或与燃气管道间存在电位差问题，易在热水器上表象出“所谓电气安全”隐患；电效率低主要是内部电压有AC220、DC40/36、24/12/5V等，除AC/DC的电源损耗，其他直流电压间转换也存在较大损耗；干扰大性能不足主要是开关电源与伺服器件的干扰，以及对外界复杂环境的适应性差。基于能源高效利用、极致安全探索的设计理念，持续探究高效直流极致安全技术，紧跟绿色低碳发展之路，特低压全直流技术引领行业进入全直流时代，燃气热水器全直流发展历程如图9所示。

图9. 全直流燃气热水器发展历程

3.1.3全直流燃气热水器

全直流技术是一种先进的电力驱动技术，具有高效、节能、环保等优点。而全直流燃气热水器是一种结合了全直流技术与燃气加热功能的热水器，无论是整机本体的外部供电端，还是产品内部的电控零部件等元器件的供电方式均采用的是直流供电，内部无需进行交直流转换，从而代替了传统的交流电源，实现了对电机的直接控制。它结合了直流变频技术，通过控制燃气供应和燃烧过程，实现了高效、稳定的热水输出。在燃气热水器中，全直流技术主要应用于风机供气排烟系统、水泵水力系统和各个传感器的控制系统等，从而提高了整机的运行效率和产品的稳定性。近年来，随着对低压全直流技术以及直流微电网的研究与发展，全直流燃气热水器很可能成为未来的技术升级目标之一。

同时它还在以下几个方面具有更大的优势：一是全直流燃气热水器内部直流电压均为低压直流，相比于交流220V来说使用起来会更加安全可靠；二是全直流燃气热水器可实现全负荷精准调速并匹配风量，使燃烧更加充分，一氧化碳排放量低更环保，特别是在用户烟道阻力不同和变大、或者室外风吹扰动时，直流热水器仍能正常安全工作，且燃烧工况正常，烟气指标均控制在合理范围内节能减排符合当今社会对绿色环保理念的追求；三是全直流燃气热水器还具有智能化的特性，它不仅拥有智能恒温系统，还具有智能故障诊断和预警功能，同时它所使用的无极变频风机和水泵，搭载整机电功率自分配技术，在使用时噪声也会更小，为用户提供了更加优质的热水使用体验。

3.2 燃气热水器使用直流技术的现状及优势

技术革新是燃气热水器直流化发展的大趋势，随着科技的进步，直流燃气热水器在外观设计、燃烧技术、安全性能等方面都得到了显著提升。同时，直流化技术使得燃气热水器能够更加精准地控制燃气的供应和燃烧的过程，从而提高了热水器的能效。与传统热水器相比，直流燃气热水器能够实现更高的热效率，快速供应热水，满足人们高品质的沐浴体验。

3.2.1 燃气热水器直流化设计的技术难点

目前，在流通领域中的燃气热水器的供电方式依然采用了AC220V的供电方式，电源线通常使用的是三线插脚插头，其中地线会与热水器的金属外壳直接相连，以确保热水器能够安全接地，防止触电事故的发生。此外，热水器电源的零、火线也会通过端子与内部的供电系统直接相连，并通过变压器和整流电路将输入的交流电转换为热水器内部电路所需的直流电，用于驱动热水器内不同部件工作时所需的电压，如：排风机、点火器和循环泵等都需要通过此系统来获取电能。同时，它还要为控制这些部件工作的电子元件供电，如：温度传感器、压力开关等，以确保热水器的正常运行。

然而，这样的结构设计却不能很好的满足家电“直流化”阶段中新能源和储能技术直接接入的需求。为了弥补这些不足之处，身为厨卫电器的民族企业万家乐，借鉴了国内外其他行业直流电器的设计经验，对现有燃气热水器的电气结构（如图10所示）从设计到生产、使用、维护全方位地进行系统性分析，针对现有燃气热水器部分直流化的不足进行深入研究，发现在燃气热水器直流化设计过程中会存下以几方面的技术难点。

图10. 现有燃气热水器内部的电气结构图

3.2.1.1能源利用率低

行业内带直流风机或直流水泵的燃气热水器产品，大部分采用了控制器与电源的一体化设计，其内部电压种类繁多，如：AC220V以及DC40V、36V、24V、12V、5V等。从能源角度考虑，除了交-直流转换过程中开关电源存在电能损耗，其余各级直流电压间的降压转换电路（如图11所示）也会存在较大电能损耗。根据万家乐企业试验室内部测试经验分析得出此类产品在交流电网中应用，整体的能源利用率大约降低了10%，背离了最初直流高效的设计理念。

图11. 燃气热水器电压转换电路

3.2.1.2电磁兼容干扰现象

在电源与控制器的一体化设计中，电磁兼容（EMC）是一个必须要关注的问题。控制系统强弱电一体化设计会存在较强的干扰性，影响电源和控制器间彼此的正常工作。这种干扰可能是来自电源的高频开关噪声、电磁辐射，也可能是来自控制器内部的信号线和电源线上的耦合干扰等。即便经过了共模电感进行处理，干扰现象依然存在，它会对系统的稳定运行产生一定的影响。此外，直流伺服器件启动时也存在一定的干扰性，两者相互耦合，甚至还会对电网造成一定的干扰，如图12所示。因此，在设计阶段就需使用很多抗干扰性强的隔离器件或保护器件对此进行优化处理。

图12. 燃气热水器EMC干扰示意图

3.2.1.3外部漏电的安全隐患

一般家用电器内部的电气件在耐压、绝缘方面均有相关标准要求，因此在使用过程中也会比较安全，但不排除随着时间的推移在长期使用过程中会存在老化、或因其他原因导致的绝缘层破损、用户复杂地线环境变化等因素而引发的漏电问题，导致了器具金属外壳带电。当地线失效时，人体接触带电部件后会与大地形成回路，从而引发触电事故的发生。

当家中其他电器内部出现漏电情况时，也会通过地线传输使热水器的金属外壳带电，并通过燃气管道和大地形成回路，回路电流的大小取决于燃气管道对地电阻的大小，详情如图13所示（黄色线代表漏电电流走向，正常地线不带电，用绿色示意）。因此，用电安全也是热水器直流化过程中要解决的问题之一。

图13. 因其他电器漏电导致燃气热水器带电的示意图

3.2.2 燃气热水器直流化设计的优势

热水器直流化设计的优势主要表现在能效、安全性、智能化以及用户使用舒适性、适应性等方面，能够满足现代家庭对燃气热水器的多元化需求。

3.2.2.1安全性设计优势

在安全性方面，全直流技术能为燃气热水器的控制系统提供稳定的直流电源，无需整流器进行交-直流电压转换，可优化燃气热水器的内部结构。并且风机、水泵等部件均可使用直流供电方式，可采用全直流技术对其电压、电流进行精确控制，以实现热水器智能点火、精确控温等功能，提高了热水器的加热速度和出水温度的稳定性。

3.2.2.2 高效节能设计优势

燃气热水器中的风机和水泵等部件通常采用电机驱动，电机的优劣会直接影响整机的性能。传统的交流电机在启动和运行过程中会产生较大的能量损耗和噪声。而使用直流变频电机的燃气热水器，其内部会采用直流电流来控制加热功率，能实现对加热效果的调节。与传统的交流变频技术相比，直流变频技术能够根据实际需求自动调节燃气供应和燃烧状态的精准控制，更加高效的将电能转化为机械能，从而使热水器的整机能效得到显著提升，降低家庭用电成本。并且直流变频电机无刷式的结构设计会让其在工作时产生比较小的噪声；相反传统的交流电机工作时，会由于单相位供电，导致其转矩产生较大的起伏，电机运行不够平稳，其工作噪声也会比直流变频的噪声大很多。

3.2.2.3 智能化设计优势

燃气热水器的智能化与直流技术之间存在着相互促进的关系。首先，直流技术为热水器的智能化提供了稳定、高效的电源供给。并且直流电源具有电压稳定好、功率损耗低等优势，使得燃气热水器在工作过程中能够获得持续、稳定的电力供给，进而能够确保智能化系统（如：调节水温、水量等参数）正常稳定的运行。因此，直流化技术是燃气热水器智能化基础保障。其次，直流技术与智能化的完美结合也使得燃气热水器能够适应不同的使用场景，满足用户使用需求。让热水器智能学习用户的洗浴习惯，并基于这些数据自动调整水温、水量等参数，为使用者提供更加舒适、节能的沐浴体验。此外，用户还可以通过手机APP或其他智能设备远程调控热水器，实现水温的精准设定和定时功能。这种智能化设计极大提升了日常使用的便利性，满足了现代家庭对智能生活的需求。

3.3小结

随着消费者节能环保意识的增强，高效、节能的燃气热水器也逐渐成为市场的主流产品。燃气热水器的直流化设计可优化其内部结构和工作原理；同时也推动了燃气热水器智能化发展，使热水器更加安全可靠，降低能耗，多元化的外观设计和智能化发展也满足了消费者对品质生活的向往。

四、直流燃气热水器技术解读和优势

4.1 低压全直流燃气热水器技术解读

低压全直流燃气热水器是将低压直流技术应用于燃气热水器控制系统，实现对热水器工作状态的精确控制。与交流电相比直流电更易于检测和控制，因此使用低压全直流技术的燃气热水器在用电安全方面会表现得更为出色。同时，低压直流技术还可以减少电力损耗，提高能源的利用率，从而实现节能的效果。在功能方面，低压全直流燃气热水器技术还能与其它先进技术相结合，进一步提升热水器的性能。

4.1.1低压全直流燃气热水器的总体设计思路

低压全直流燃气热水器的总体设计思路主要围绕高效、安全、稳定以及智能化等方面展开。作为燃气热水器的行业的引领企业万家乐，针对低压全直流燃气热水器设计的技术难点进行了潜心研究并成功研制了低压全直流燃气热水器产品，以顺应未来直流家电技术发展的大趋势。

4.1.2“化繁为简”变革底层电气架构

燃气热水器内部电气线路复杂，多种控制元件相互交错连接，不同的元器件需要加载不同的直流电压，因此电气架构是整个电路的基础和骨架。只有把最基础架构设计合理和顺畅才能保证元器件工作的稳定和安全。为此，万家乐的工程师对燃气热水器底层电气架构进行革新性设计与整合，“化繁为简”所有伺服器件均统一为一种高效低压直流进行驱动。在统一电压的基础上，让各元器件稳定工作，不仅能节约能耗同时也降低了电气件的成本，还能提升了产品的可靠性，因此整机电气系统主要分为低压电源系统、低压主控系统、低压控气、控风、控水等主要模块。

图14.燃气热水器电气底层架构示意图

4.1.3全直流控制系统设计

在实际应用中开关电源工作时会处于高电压大电流的工作状态，其工作电压和电流的波形中也会含有大量的高次谐波分量。这些高次谐波分量可在产品内部产生电磁场，导致产品工作的不稳定，降低了产品的性能。其次，开关电源中的主要元器件有：变压器、功率开关管、电容等。在高频开关过程中它们可能会产生谐波振荡通过分布式电容传入内部电路，也可能通过散热器和变压器向空间辐射，对周围的电子产品产生干扰。而热水器中的伺服器内件包含了复杂的电路和电器元件，如：电机、驱动器、传感器等。这些元器件在工作时也会产生电磁场，受元器件间电磁耦合作用的影响，可能会产生电磁干扰现象，导致直流系统出现更多的纹波，干扰控制系统的正常工作，如图15所示。

图15.电磁干扰空间传播示意图

为了解决这一问题，万家乐的工程师们对全直流控制系统进行了优化设计，并采用物理隔离和软件控制等设计方式，减少了电磁干扰对产品的影响。

4.1.4低压供电设计

对于直流家电产品，目前国内外没有统一的直流电压分级标准。最早，国内是根据不同的生产环境和作业场所，在GB 3805-1983《安全电压》标准中将安全电压划分为42V、36V、24V、12V和6V这五个等级，以防止在劳动生产过程中因触电而造成的人身伤害。标准中规定，当电气设备采用的电压超过24V时，则必须采取防止直接接触带电体的防护措施。随着研究的深入，该标准已更新为GB/T 3805-2008《特低电压（ELV）限值》，并通过环境状况和故障类型进行分级，而其他标准对安全电压的定义也是参考了GB/T 3805-2008，具体如表１所示。

在不同的使用条件下，标准中对安全电压的要求也并不相同，因而使用“安全电压”不一定绝对安全，还需要充分考虑电流的因素。

触电对人体造成的伤害主要取决于经过人体的电流强度以及持续时间。GB/T 13870.1-2022《电流对人和家畜的效应 第1部分：通用要求》中规定，在接触直流电压时，流过人体的电流大小取决于电压和人体电阻的大小。人体电阻的大小则与接触面积、电压大小、皮肤状态、电流路径等因素有关，且流经人体的电流不能超过25mA，具体分析如下图16和表2所示。

图16.直流电流和持续时间对人体效应的区域划分

表2 各区域的生理效应

自2019年10月1日起，家用燃气器具正式纳入CCC认证的管理范围，为了保障产品质量，燃气热水器产品必须执行GB 6932和GB 4706.1这两个标准。而这两个标准中规定的安全特低电压均是不应超过42V，并且当安全特低电压是从电网中获取时，应通过一个安全隔离变压器或一个带分离绕组的转换器。显然标准中规定的电网是一个交流电网。因此直流安全电压的选择也可参考GB/T156-2017《标准电压》，该标准中规定了直流额定电压优选值与备选表，如表3所示。由于直流30V的电压在实施过程中可选择的电气零件方案较少，因此万家乐的工程师们最终选择与其相邻较近的优选值——24V作为额定电压在潮湿区域中使用的电源值，为低压全直流燃气热水器提供工作所需的额定电压。

4.1.5交直流电网兼容性接入设计

目前全国各省市都在积极推动智能楼宇、零碳建筑、绿色产业园和光储直柔等示范建筑，这也加快了直流供电技术的落地。尽管如此，目前现有的供电方式仍会以交流供电为主，并且在未来相当长的一段过渡时间范围内也将以交、直流电网并存的状态而存在。因此，现阶段的低压全直流燃气热水器暂时仍需要一个可拆卸的外置电源适配器将电网中的交流电转换成直流电为热水器进行供电。如17图所示。

图17.现阶段的低压全直流燃气热水器供电接口示意图

4.2 低压全直流技术对燃气热水器性能的提升

4.2.1能耗方面

首先，从整机层面看，低压全直流燃气热水器内部采用直流变频风机可根据用户的使用需求进行精准调速并匹配风量，让热水器充分燃烧，不会因风速过高而带走太多的热量，相比传统的交流燃气热水器可提供更高的燃烧效率。

其次，热水器在低负荷燃烧阶段工作时，直流风机可降低风速，减少电机的功率；在高负荷燃烧阶段又能够增大风速。根据负荷变化使用不同大小的耗气量与风量实现充分燃烧，在相同条件下，交流风机则很难实现，尤其是在常用负荷点的半开热效率提高了约4.2%注1。

综上，低压全直流燃气热水器在能耗方面具有显著的优势，其高效的燃烧技术、智能调节功能，以及直流变频技术都使得燃气热水器在运行时能够最大程度地降低能耗，相比传统全交流燃气热水器整机电功率降低40%注1，多方位实现节能效果提升。

注1：以上试验数据来源于第三方检测机构及万家乐企业试验室。

4.2.2安全方面

传统家用电器的电源几乎都是AC220V供电，使用时电压会比较高，需要注意用电安全。倘若发生地线带电的情况，就可能会引发其他家电设备带电，而引发触电风险。如果在干燥环境、大面积、手到手长时间接触带电部件，就会对肌肉造成强烈肌肉反应，其接触的直流电压阈值为DC43V，具体如下表4所示。

鉴于当前用电环境仍以交流电网为主，因此现阶段直流热水器需搭配电源适配器使用。电源适配器内部使用的是安全隔离变压器，交流电被完全隔离在燃气热水器外，并且电源适配器采用的是塑料外壳，可作为加强绝缘将带电部件包裹起来，以防止电源适配器意外漏电，这样就能从根源上提高了燃气热水?