近年來，随着全球能源危機的加劇和環保意識的提高，節能減排成為各國科技研究的重點。據統計資料顯示，全球溫室氣體排放量每年呈上升趨勢，其中主要來源就是傳統能源消耗帶來的碳排放。為了應對這一問題，國際社會廣泛關注并推動新能源技術的研發和應用。而在建築領域用電方面，家用電器的能源消耗占比較大，是以提高家用電器的能效，減少能源消耗，成為各國政府和科研機構共同關注的課題。
在此背景下，低壓全直流技術将家用電器的供電方式從傳統的交流電轉變為直流電，通過直接提供穩定的低壓全直流電源，避免了傳統交流電源中需要進行變頻、整流等多個環節的能量轉換，進而提高能源的利用效率，目前大陸也已研制出直流空調、直流冰箱等高效家用電器。直流技術被廣泛認為是未來家用電器重要發展方向之一。并且通過采用低壓全直流技術，不僅能夠提高能效，降低碳排放，還能夠改善電器的安全性能，尤其是電氣性能與瓦斯用具的雙重耦合影響，明顯可減少事故風險。低壓全直流技術的發展和應用，對于提升家電行業的可持續發展能力，推動綠色低碳生活方式的普及具有重要意義，但是針對瓦斯具行業的低壓全直流技術卻還鮮有品牌涉及。
從1985年至今，萬家樂一直緻力于提供高品質的熱水采暖解決方案。近年來，随着對低壓全直流技術以及直流微電網的研究與發展，全直流瓦斯熱水器很可能成為未來的技術更新目标之一，作為瓦斯熱水器行業引領企業的萬家樂，針對低壓全直流瓦斯熱水器設計的技術難點進行了潛心研究并提出了低壓全直流瓦斯熱水器的總體設計方案。
在中國家用電器研究院指導下，全國家用電器工業資訊中心聯合廣東萬家樂瓦斯具有限公司共同編寫《2024年低壓全直流瓦斯熱水器技術洞察報告》。希望通過此報告為瓦斯具行業的發展提供一些新思路。
一、家電行業相關政策及發展趨勢
近年來，随着全球能源危機的加劇和環保意識的提高，節能減排成為各國科技研究的重點。在建築用電方面，家用電器的能源消耗占比較大，是以提高家用電器的能效，減少能源消耗，成為各國政府和科研機構共同關注的課題。大陸政府已連續出台多項國家政策，鼓勵發展綠色家電和智能家電，牽引行業向低能耗、高能效的方向更新轉型。
1.1 家用電器相關政策梳理
1.1.1 節能環保政策
随着全球氣候變化問題日益嚴峻，多個國家相繼提出減排承諾。作為全球最大的開發中國家，中國明确提出力争2030年前實作“碳達峰”、2060年前實作“碳中和”的“雙碳”目标。
開展節能減排,是黨中央、國務院做出的重大戰略部署, “十一五”以來，國務院在每個五年規劃期均制定節能減排綜合工作方案，對全國節能減排工作進行總體部署，對加快經濟社會綠色轉型發揮了重要作用。2021年，黨中央、國務院印發《關于完整準确全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達峰行動方案》，把節能減排作為推進碳達峰碳中和工作的重大舉措。國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知（國發〔2021〕23号）中提出：提高建築終端電氣化水準，建設集光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建築。“光”和“儲”分别指分布式光伏和分布式儲能，作為建築配用電系統重要組成部分；“直”指建築配用電網的形式發生改變，從傳統的交流配電網改為采用低壓直流配電網；“柔”則是指建築用電裝置應具備可中斷、可調節的能力，使建築用電需求從剛性轉變為柔性。與正常光伏建築相比，光伏直流建築具備電能使用率高(提高6-8%)、節能優勢明顯、裝置投資少，投資回收期短等優勢。而且建築上應用直流配電，可獲得顯著改善系統性能，安全性顯著提高，電源品質提高等優勢。
2022年，國務院印發《“十四五”節能減排綜合工作方案》，明确了“十四五”推進節能減排的總體要求、主要目标、重點工程、政策機制和保障措施，對完成“十四五”節能減排目标任務、助力實作碳達峰碳中和提供重要工作支撐。
1.1.2 消費更新政策
消費是大陸經濟增長的第一拉動力，家電消費是居民消費的重要組成部分，是傳統消費的“四大金剛”（汽車、家電、家具、餐飲）之一。近年來，随着人均家電保有量提升，傳統家電銷售增速放緩，家電行業由增量市場進入存量。
2020年，距上一輪以舊換新政策結束已近十年，一大批家電将進入換新期，老舊家電産品過期使用可能存在以下風險：⑴安全隐患增加，超過安全使用年限的家電産品可能存在零部件老化、電路老化等問題，增加了發生漏電、短路、火災等安全隐患的可能性；⑵能源浪費，老化的家電産品通常能耗較高，能源使用率低下，使用過程中會浪費大量電能，增加能源消耗和電費支出；⑶環境污染，老化的家電産品可能存在有害物質釋放等問題，對環境造成污染和負面影響，不利于環境保護和可持續發展。
2021年初，商務部等12部門聯合印發《關于提振大宗消費、重點消費，促進釋放農村消費潛力若幹措施的通知》，提出要激活家具、家電市場，鼓勵有條件的地區淘汰舊家具、舊家電，對于購買綠色智能家電和環保家具提供補貼。2023年6月9日，商務部辦公廳、發展改革委辦公廳、工業和資訊化部辦公廳、市場監管總局辦公廳共同釋出《關于做好2023年促進綠色智能家電消費工作的通知》，提出要深入開展家電以舊換新，促進綠色智能家電消費。2024年3月7日，國務院關于印發《推動大規模裝置更新和消費品以舊換新行動方案》的通知，實施消費品以舊換新行動，支援家電等領域耐用消費品以舊換新。
1.1.3 創新發展政策
目前，大陸家電市場消費新潮湧動，一方面存量特征明顯，另一方面新型家電漸成新寵。積極擴大市場需求，把握消費更新趨勢，幫助使用者建構和諧美好“未來家”正成為驅動家電産業更新、邁向高品質發展的核心動力。
2023年2月，中共中央、國務院特别印發了《品質強國建設綱要》，家居家電被列入重點消費品，同時強調要加強家居家電的創新創意設計，加快新技術研發應用，推動産品更新疊代和品牌化發展等方面的内容。2023年7月，商務部會同國家發展改革委等12部門印發了《關于促進家居消費的若幹措施》，提出以綠色化、智能化、适老化為發力點，提升供給品質，創新消費場景，改善消費條件，優化消費環境，疏堵點、解難點、治痛點，促進家居消費恢複和更新。2023年8月，工業和資訊化部、國家發展改革委、商務部等三部門聯合釋出了《輕工業穩增長工作方案（2023—2024年）》，針對重點行業優結構、擴内需、促消費、穩出口及推動産業生态協調發展、提升産業鍊現代化水準提出切實可行的工作舉措。
圖1. 家電行業相關政策梳理
1.2 家用電器用電趨勢分析
1.2.1家用電器電源類型分析
直流電和交流電是電力工程和電子領域兩種最常見的電流類型，它們在許多方面都有着根本性的差別。
直流電（Direct Current，DC）是指大小和方向都不随時間變化的電流。直流電的生成通常通過電池、太陽能電池闆或直流發電機等裝置完成。直流電的電流從正極流向負極，方向始終保持一緻。直流電的優點包括穩定性高、傳輸損耗小、無電磁輻射、易于控制等，而直流電的缺點包括傳輸距離有限、轉換成本高等。
交流電（Alternating Current，AC）是指電流方向随時間作周期性變化的電流。交流電的生成通常通過發電廠的交流發電機完成，這些發電機産生的電流周期性地從正極到負極再到正極，如正弦波一樣變化。交流電具有遠距離傳輸友善、便于産生、電機結構簡單、制造成本低、維護友善等優點，但也存在一些缺點，如傳輸過程中存在電磁輻射和電壓波動等問題。
自1882年愛迪生用直流供電系統點亮摩根大樓，為夜晚帶來了光明和溫暖，此時直流供電占據主導地位。1895年特斯拉發明的交流電力裝置将電力傳輸到35公裡之外，解決了遠端輸電的問題，結束了“電力之戰”，交流供電技術發展迅速并全面取代直流供電技術，各類電氣裝置基本上也都由交流電驅動，曆史上僅由于當時電子技術不成熟，使得交流輸電代替了直流輸電。
直流電和交流電之争雖然已經結束了一個多世紀，但是它們并沒有消失。針對交流電傳輸中存在的問題，大陸也在開始逐漸使用超高壓直流輸電，高壓直流輸電技術因其在長距離輸電中損耗小、穩定性高的特點，特别适合于跨國跨區域的電力傳輸和電網互聯，有助于實作全球能源資源的優化配置；它可将風電、太陽能等再生能源有效集中到電網中，支援全球能源轉型和減少碳排放目标；全球多個國家和地區已将發展高壓直流輸電技術作為國家戰略，相關政策的支援和資金的投入将進一步推動其商業化程序和技術創新。綜上所述，高壓直流輸電技術作為現代電網的重要組成部分，其發展前景看好，将在未來電力系統中扮演越來越重要的角色。
圖2. 交直流之争
1.2.2綠色低碳背景下的電力革命
2021年，國務院印發《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》，《通知》中明确要求，提高建築終端電氣化水準，建設集光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建築，首次在政策層面為“光儲直柔”的發展提供清晰的方向和支援。“光儲直柔”是目前直流輸送技術的主要發展方向，直流電器将成為該技術發展的重要支撐。
目前大陸居民供電系統主要以交流電為主，也就是日常所見的是“220V 50Hz”正弦交流電。在發電端，随着光伏等新能源的發展和微電網的興起，低壓直流供用電系統因其高效、低碳的特征正引起業界廣泛關注。在電力的需求端，居民最終實際在大量使用直流電。從LED照明、路由器、到電腦，未來還可能延伸至更多品類的家用電器産品，如：風扇、空調、冰箱、洗衣機、熱水器等。為了給這些電器提供直流電，電器裝置外部或者内部都會裝備一個電源子產品，将電網提供的 220V 交流電進行整流降壓，轉換成低壓直流電，才能供用電器使用。而這一個轉換，卻會帶來一系列問題，比如，能耗高、成本高、裝置複雜等。如果從發電到用電全部改為直流電，形成低壓直流供用電系統，可以突破傳統電器的能源擷取、能源輸配、能源使用方式局限，實作發、配、用電直流化，提高系統效率；簡化相關裝置結構，降低成本；讓分布式光伏等電源就近并網，進而打造低碳、環保、舒适、智能、安全的家居環境。
家用電器内部電路使用直流供電，可降低裝置成本投入，減少能源轉換損耗，提高能源效率，提升家居安全性、便利性、舒适性、藝術性，并實作環保節能的智能化體驗環境。目前家用電器，如冰箱、洗衣機、空調等應用直流電機實作部分直流技術，對于全直流技術部分企業也已經做了相應的技術儲備研究。
圖3. 光儲直柔應用示意圖
1.2.3企業相關技術儲備
1）其他企業全直流技術儲備
2021年，格力推出了光儲直柔空調系統；2022年，格力及國創聯能協同蕭山供電公司、南瑞集團在浙江杭州打造首個多站合一低壓直流配網示範工程。2023年2月，海爾參與“十四五”國家重點研發計劃“建築機電裝置直流化産品研制與示範”項目。
2.）萬家樂全直流技術儲備
始創于1985年的萬家樂，秉持“全球億萬家庭美好廚衛生活創造者”這一品牌願景，一直專注于改善中國家庭熱水和廚房生活，憑借極具創新和技術研發的優勢，萬家樂成長為全屋用水和廚房解決方案的國民品牌。
一直以來，萬家樂緻力于提供高品質的熱水采暖解決方案，成功打造了零冷水、小體積、健康水和精控恒溫四大瓦斯熱水器産品系列。從第一台帶有熄火保護的瓦斯熱水器到第一台小體積瓦斯熱水器，從首創零冷水技術到創新無電洗技術，萬家樂已經拿下多個行業第一。
在對高效節能産品需求持續上升的背景下，萬家樂針對瓦斯熱水器内部的能耗模式進行了深入的分析，同時在洞悉到相關性能要求（如：抗幹擾能力差、可靠性低、維修難、有害物質排放相對較多）落後于國家綠色發展需要等問題後，積極響應國家“雙碳”号召，大力開展産品創新及技術研發。作為國家重點高新技術企業和國家認定企業技術中心，萬家樂擁有博士後科研工作站和國家認可實驗室，研發出小體積內建技術、零冷水、無電洗、家用中央熱水、廚房自動烹饪等颠覆行業的創新技術。萬家樂引領數十次行業開創性重大技術革新，主導或參與了百餘項國家、行業标準制定，獲得近3000項國内外權威行業大獎。為研發出一種新型、高效、安全的瓦斯熱水器平台技術，提升家庭生活品質、推進家電行業技術進步，公司召集十餘名工程師、投入大量研發資金，經過反複試驗、優化和改進，攻克技術難題，曆時3年，最終成功研發出全直流24V瓦斯熱水器平台技術，并推進全直流瓦斯熱水器的國标修訂，以前沿的技術創新和研發成果為促進瓦斯熱水器的低壓全直流化應用貢獻力量。
1.2.4柔直輸電現狀及發展前景
近年來，中國用電需求快速增長。據國家能源局資料顯示，2016年-2023年大陸社會用電量逐年遞增，2023年全社會用電量92241億千瓦時，同比增長6.7%，其中城鄉居民生活用電量13524億千瓦時，居民側用電占社會總用電量14.7%。在電力需求持續增加、部分地區用電緊張的背景下，不僅要号召全社會節約用電、科學用電，使用綠色節能家用電器及裝置，更應優化電網結構，加快新型電力系統建設，提升全網供電能力。
圖4. 2016-2023中國社會用電量及增長
柔性直流輸電，采用新一代直流輸電技術，可提升電網輸送能力和安全水準，是解決新能源消納、長距離輸送及電網安全的重要途徑。大陸柔直技術發展始于2006 年國網智研院，随後發展迅猛。國内柔直工程起步較晚但發展較快，海外柔直工程始于1997年，國内則始于2010年，但在電壓和容量上國内後來居上，截至2023年10月，國内已累計投運11條柔直輸電工程，輸電容量和電壓等級居然已經達到了國際領先水準。
根據饒宏所著論文《柔性直流輸電技術的工程應用和發展展望》中預測，預計2033年國外新增柔直輸電工程項目将超過50個，新增容量超60GW，歐洲已提出“超級電網”計劃旨在提高歐洲電網對于可再生能源的消納與利用；國内方面，柔性直流輸電技術已在風電送出、電網互聯、無源網絡供電和遠距離大容量輸電等場景取得了充分發展和工程應用，其輸電能力已經達到特高壓等級，南方電網已明确提出“建立直流受端以柔性直流為主，存量直流逐漸實施柔性直流改造”。由此可見，柔性直流輸電是新能源并網消納、電網互聯和遠距離輸電的重要方式，應用場景包括陸上柔直、海風外送柔直和背靠背電網柔直互聯等，發展前景十分廣闊。
二、瓦斯熱水器市場現狀及前景分析
2.1 瓦斯熱水器市場規模及增長
熱水器是我們日常生活中經常用到的家電産品。經過多年的發展，熱水器在大陸居民家庭中已占有較為重要的地位，據國家統計局資料顯示，截止2022年底，大陸居民平均每百戶年末熱水器擁有量為89.9台。近幾年，在疫情反複、房地産市場不樂觀等因素影響下，大陸熱水器市場負重前行，2023年随着宏觀經濟的回暖和消費潛力的逐漸釋放，熱水器市場出現回暖，據全國家用電器工業資訊中心資料顯示，2023年國内熱水器零售規模為513.5億元，零售額同比增長1.9%。其中瓦斯熱水器銷售規模為263億元，同比增長3.5%，從資料來看，瓦斯熱水器的市場表現優于整體。近年來随着天然氣管道的加速覆寫，瓦斯熱水器因其體積小、能效高、加熱速度快、即開即用等優點，成為不少消費者在裝修新房或更換熱水器時的首選。
圖5. 國内熱水器市場規模及增長
2.2 瓦斯熱水器産品的優勢
作為熱水器市場的主銷品類之形，瓦斯熱水器憑借連續多年的兩位數增長、政府“煤改氣”政策及全國各地天然氣管道鋪設的持續推進等利好因素收獲了明星般的光環。近年來，随着消費者對生活品質的追求和環保意識的提高，瓦斯熱水器市場呈現出穩步增長的态勢。此外，政府對清潔能源的推廣和扶持也為瓦斯熱水器的發展提供了有利條件。瓦斯熱水器具有以下優點：
- 加熱速度快：瓦斯熱水器采用瓦斯作為熱源，加熱速度快，能夠在短時間内提供大量熱水，滿足使用者即時使用的需求。
- 節能環保：瓦斯熱水器在加熱過程中産生的廢氣較少，能源使用率更高，更加節能環保。2005年誕生以高效、節能、環保為主的冷凝瓦斯熱水器 ，以及近幾年瓦斯具行業大力發展的全預混燃燒技術，大幅提升了燃燒換熱效率，降低了瓦斯消耗量，進而達到節能目的。
- 安全性高：瓦斯熱水器通常配備有安全裝置，如熄火保護、過熱保護等，正常情況下能夠確定使用過程中的安全。
- 适用範圍廣：瓦斯熱水器适用于各種戶型和用水場景，能夠滿足不同使用者的需求。
近年來，城市市場中越來越注重家居設計與使用者使用體驗的消費者在更換熱水器時更多地考慮具備節能、舒适、體積小巧等優點的瓦斯熱水器。據《2021家用熱水器消費更新趨勢調查》顯示，瓦斯熱水器成為多數家庭的首要選擇，占比達到53.8%。
圖6. 使用者家庭熱水器類型調研
在廠家大力宣傳、産品不斷更新改進及瓦斯管網設施改善等因素的共同推動下，瓦斯熱水器産品在一至三級市場正迅速成為主導品類。
2.3 瓦斯熱水器産品發展趨勢
在市場規模持續擴容的過程中，瓦斯熱水器行業不斷迎來新生力量，尤其是線上上管道，大量品牌的湧入使得瓦斯熱水器市場品牌數量大幅增加。據全國家用電器工業資訊中心資料，2023年大陸瓦斯熱水器線上在銷品牌數量為149個，較上年增加26個，線下管道在銷品牌數量為94個，較上年減少9個。激烈的競争使得頭部品牌的集中度發生變化，線上上市場，前三品牌占據了半壁以上江山，2023年零售額份額為58.0%，較上年增長5.6個百分點，4-5名品牌共占據19.3%的市場佔有率，較去年減少2.4個百分點；線下市場品牌表現較為穩定，前三品牌共占據36.7%的市場佔有率，占比較去年小幅下降0.2個百分點，4-5名品牌共獲得22.1%的市場佔有率，較去年增長1.1個百分點。
圖7. 2023年瓦斯熱水器品牌數量及集中度變化
随着市場競争的加劇，品牌加速轉型的決心更加堅定，瓦斯熱水器行業結構調整和轉型更新已成為必然的選擇。同時在消費更新的大形勢下，消費者對家電産品的要求正在從“能用”向“好用”方向轉變，追求品質生活、買好産品已成為一種趨勢。水量不足、冷水等待、水溫波動、沐浴健康是消費者在使用瓦斯熱水器過程中遇到的主要痛點，針對這些問題，生産企業不斷進行技術創新及産品更新，大升數、恒溫、安全、健康、靜音正在成為瓦斯熱水器産品發展趨勢。
⑴ 恒溫。針對用水過程中由于外界幹擾造成的“水溫波動”問題，恒溫技術的推出和應用在很大程度上保證了沐浴水溫的恒定，目前市場上絕大多數瓦斯熱水器均具備了恒溫功能，同時在穩定水流基礎控溫的基礎上，相繼衍生出水氣雙調、水量伺服等技術。資料顯示，具有水量伺服器的瓦斯熱水器線上、線下零售量較去年同期分别增長72.1%、68.9%。
⑵ 安全。瓦斯熱水器一般采用密閉燃燒室，不會産生有害氣體。現代瓦斯熱水器還配備了多種安全保護裝置，如熄火保護、過熱保護、防凍保護、防倒灌以及瓦斯洩漏報警防護系統等，確定使用者的使用安全；但是實際使用中仍存在因家庭複雜電網環境導緻地線帶電或地線與瓦斯管道間存在電位差引起管道加速老化并發熱燒穿等安全問題，在産品端需進行用電環境适應性展開相關研究與攻關。
⑶ 健康。健康已然是使用者最為關注的話題，也由此成為各企業宣傳最多的賣點。在健康體驗方面，瓦斯熱水器産品主要通過軟化水、過濾、殺菌、氣泡水等功能，達到健康效果。資料顯示，據有抑菌功能的瓦斯熱水器2023年線上、線下零售量占比分别達到46.6%、19.4%，同比分别增長9.9%、6.9%。用水健康将成為熱水器産品高端化更新的突破口。
⑷ 靜音。近年來，“靜音”已成為家電行業的高頻宣傳詞彙，衆多家電産品均以“靜音”作為賣點。瓦斯熱水器在運作過程中因為燃料的燃燒加熱以及風機的持續供風，仍舊避免不了噪音的産生，對使用者生活造成困擾。是以，靜音也成為瓦斯熱水器改善體驗的重點方向之一，資料顯示，2023年據有靜音功能的瓦斯熱水器線上上、線下市場的零售量占比分别為3.1%、7.1%，同比分别增長15.6%、29.3%，表明消費者對于靜音熱水器有一定的購買意願。
圖8. 2023年瓦斯熱水器品主要規格占比變化
随着“綠色低碳，節能環保”理念的深入人心，消費者對于高效能、低碳排放産品的需求不斷釋放，同時對沐浴體驗提出了更高的要求，在此背景下，許多廠家通過技術研發，提高瓦斯熱水器能效，提升使用者使用體驗。這些創新技術的推出和應用，不僅切合當下綠色節能的理念，響應國家“雙碳”政策，更是帶動行業曆經了幾輪的更新，在滿足消費者需求的同時也為行業的發展帶來了新的增長機會。
三、直流技術在瓦斯熱水器中的應用
3.1 瓦斯熱水器用電技術分析
瓦斯熱水器的供電方式主要有插電式供電和電池式供電這兩種，其中插電式供電是通過插電方式來連接配接電源，這種方式的優點在于電源穩定，線路相對比較簡單；而電池式供電主要是通過電池來對瓦斯熱水器進行供電，其優點在于瓦斯熱水器的供電不再依賴于電網，也不需要敷設電源線路和插線闆等設施。從目前市場上回報的銷售資料分析，具有插電式供電的強排式瓦斯熱水器是目前市場上的絕對主力，線上下市場中強排式瓦斯熱水器的零售量份額已經高達97%。
電源在瓦斯熱水器中的作用主要是支援點火系統、控制系統、保護系統的工作。瓦斯熱水器的火花發生器使用電來點燃瓦斯，控制系統中的電子控制器、傳感器和執行元件依靠電流來控制和調節瓦斯的流量、溫度、壓力等參數，保護系統中的溫度傳感器、壓力開關、漏電保護器等同樣需要電流驅動，監測和控制熱水器的溫度、壓力、漏電等情況，在出現異常時采取相應的措施，以確定熱水器的安全運作。瓦斯熱水器中的電路元器件衆多，線路複雜，同時需要對接入線路中的電源電壓進行轉換，以适配各自不同的額定電壓，是以産品的用電安全、電壓轉換中的能源損耗成為企業和消費者共同關注的話題。基于提高瓦斯熱水器用電的安全性、節能型等出發點，衆多瓦斯熱水器生産企業緻力于推進瓦斯熱水器用電技術的創新和發展，通過調整接入瓦斯熱水器的電源類型以及底層電氣架構改善其安全和能耗。
3.1.1傳統交流瓦斯熱水器
交流瓦斯熱水器指的是熱水器内部風機、水泵、防凍加熱體等主要元器件均采用交流供電的瓦斯熱水器。其中交流風機通常具有固定的轉速和風力輸出，缺乏足夠的調節能力。是以，它的抗風壓能力較低，隻有100Pa左右，當外部壓力增大時，交流風機可能無法提供足夠的空氣流量，來滿足熱水器的燃燒需求，這會導緻熱水器的性能下降；或者燃燒不充分産生有害氣體，危害使用者的使用健康，同時也無法滿足不同使用者家中對不同環境的使用需求。此外，交流風機一般調速較為困難，無法根據熱水器的實際運作情況進行精确調節，如果燃燒需求發生變化，交流風機可能無法及時提供适量的空氣，導緻燃燒效率降低。而交流瓦斯熱水器在大部分的燃燒負荷段，都會因為風速過高而帶走太多的熱量，進而降低了熱水器的熱效率。相比直流風機而言，交流風機還會因為轉速過高帶來噪聲大的問題，尤其在夜間還會幹擾到家庭成員的休息和睡眠。除此之外，交流瓦斯熱水器普遍采用的是風壓開關來判斷煙道和外界風壓的變化，而風壓開關是一個易損件，壽命短，故障率較高，會嚴重影響使用者使用體驗感。
另外交流水泵存在電功率大、體積大、效率低的問題，同體積下的性能較弱會嚴重影響使用者使用體驗感。
3.1.2直流變頻瓦斯熱水器
傳統的交流瓦斯熱水器主要采用的是交流電機，一旦啟動電機就會以額定電流、恒定轉速進行工作，在這種工作方式下，無論水流量大小，瓦斯熱水器風機都會以固定的功率運作。而直流變頻瓦斯熱水器采用的是直流變頻技術，通過變頻器來控制電機的轉速，進而控制熱水器風機的轉速，進而實作對加熱效果的精準控制。但是在目前交直流共存階段，依然存在電氣安全、電效率低、幹擾大性能不足等問題。對于電氣安全，主要是家庭電網接地線帶電或與瓦斯管道間存在電位差問題，易在熱水器上表象出“所謂電氣安全”隐患；電效率低主要是内部電壓有AC220、DC40/36、24/12/5V等，除AC/DC的電源損耗，其他直流電壓間轉換也存在較大損耗；幹擾大性能不足主要是開關電源與伺服器件的幹擾，以及對外界複雜環境的适應性差。基于能源高效利用、極緻安全探索的設計理念，持續探究高效直流極緻安全技術，緊跟綠色低碳發展之路，特低壓全直流技術引領行業進入全直流時代，瓦斯熱水器全直流發展曆程如圖9所示。
圖9. 全直流瓦斯熱水器發展曆程
3.1.3全直流瓦斯熱水器
全直流技術是一種先進的電力驅動技術，具有高效、節能、環保等優點。而全直流瓦斯熱水器是一種結合了全直流技術與瓦斯加熱功能的熱水器，無論是整機本體的外部供電端，還是産品内部的電控零部件等元器件的供電方式均采用的是直流供電，内部無需進行交直流轉換，進而代替了傳統的交流電源，實作了對電機的直接控制。它結合了直流變頻技術，通過控制瓦斯供應和燃燒過程，實作了高效、穩定的熱水輸出。在瓦斯熱水器中，全直流技術主要應用于風機供氣排煙系統、水泵水力系統和各個傳感器的控制系統等，進而提高了整機的運作效率和産品的穩定性。近年來，随着對低壓全直流技術以及直流微電網的研究與發展，全直流瓦斯熱水器很可能成為未來的技術更新目标之一。
同時它還在以下幾個方面具有更大的優勢：一是全直流瓦斯熱水器内部直流電壓均為低壓直流，相比于交流220V來說使用起來會更加安全可靠；二是全直流瓦斯熱水器可實作全負荷精準調速并比對風量，使燃燒更加充分，一氧化碳排放量低更環保，特别是在使用者煙道阻力不同和變大、或者室外風吹擾動時，直流熱水器仍能正常安全工作，且燃燒工況正常，煙氣名額均控制在合理範圍内節能減排符合當今社會對綠色環保理念的追求；三是全直流瓦斯熱水器還具有智能化的特性，它不僅擁有智能恒溫系統，還具有智能故障診斷和預警功能，同時它所使用的無極變頻風機和水泵，搭載整機電功率自配置設定技術，在使用時噪聲也會更小，為使用者提供了更加優質的熱水使用體驗。
3.2 瓦斯熱水器使用直流技術的現狀及優勢
技術革新是瓦斯熱水器直流化發展的大趨勢，随着科技的進步，直流瓦斯熱水器在外觀設計、燃燒技術、安全性能等方面都得到了顯著提升。同時，直流化技術使得瓦斯熱水器能夠更加精準地控制瓦斯的供應和燃燒的過程，進而提高了熱水器的能效。與傳統熱水器相比，直流瓦斯熱水器能夠實作更高的熱效率，快速供應熱水，滿足人們高品質的沐浴體驗。
3.2.1 瓦斯熱水器直流化設計的技術難點
目前，在流通領域中的瓦斯熱水器的供電方式依然采用了AC220V的供電方式，電源線通常使用的是三線插腳插頭，其中地線會與熱水器的金屬外殼直接相連，以確定熱水器能夠安全接地，防止觸電事故的發生。此外，熱水器電源的零、火線也會通過端子與内部的供電系統直接相連，并通過變壓器和整流電路将輸入的交流電轉換為熱水器内部電路所需的直流電，用于驅動熱水器内不同部件工作時所需的電壓，如：排風機、點火器和循環泵等都需要通過此系統來擷取電能。同時，它還要為控制這些部件工作的電子元件供電，如：溫度傳感器、壓力開關等，以確定熱水器的正常運作。
然而，這樣的結構設計卻不能很好的滿足家電“直流化”階段中新能源和儲能技術直接接入的需求。為了彌補這些不足之處，身為廚衛電器的民族企業萬家樂，借鑒了國内外其他行業直流電器的設計經驗，對現有瓦斯熱水器的電氣結構（如圖10所示）從設計到生産、使用、維護全方位地進行系統性分析，針對現有瓦斯熱水器部分直流化的不足進行深入研究，發現在瓦斯熱水器直流化設計過程中會存下以幾方面的技術難點。
圖10. 現有瓦斯熱水器内部的電氣結構圖
3.2.1.1能源使用率低
行業内帶直流風機或直流水泵的瓦斯熱水器産品，大部分采用了控制器與電源的一體化設計，其内部電壓種類繁多，如：AC220V以及DC40V、36V、24V、12V、5V等。從能源角度考慮，除了交-直流轉換過程中開關電源存在電能損耗，其餘各級直流電壓間的降壓轉換電路（如圖11所示）也會存在較大電能損耗。根據萬家樂企業試驗室内部測試經驗分析得出此類産品在交流電網中應用，整體的能源使用率大約降低了10%，背離了最初直流高效的設計理念。
圖11. 瓦斯熱水器電壓轉換電路
3.2.1.2電磁相容幹擾現象
在電源與控制器的一體化設計中，電磁相容（EMC）是一個必須要關注的問題。控制系統強弱電一體化設計會存在較強的幹擾性，影響電源和控制器間彼此的正常工作。這種幹擾可能是來自電源的高頻開關噪聲、電磁輻射，也可能是來自控制器内部的信号線和電源線上的耦合幹擾等。即便經過了共模電感進行處理，幹擾現象依然存在，它會對系統的穩定運作産生一定的影響。此外，直流伺服器件啟動時也存在一定的幹擾性，兩者互相耦合，甚至還會對電網造成一定的幹擾，如圖12所示。是以，在設計階段就需使用很多抗幹擾性強的隔離器件或保護器件對此進行優化處理。
圖12. 瓦斯熱水器EMC幹擾示意圖
3.2.1.3外部漏電的安全隐患
一般家用電器内部的電氣件在耐壓、絕緣方面均有相關标準要求，是以在使用過程中也會比較安全，但不排除随着時間的推移在長期使用過程中會存在老化、或因其他原因導緻的絕緣層破損、使用者複雜地線環境變化等因素而引發的漏電問題，導緻了器具金屬外殼帶電。當地線失效時，人體接觸帶電部件後會與大地形成回路，進而引發觸電事故的發生。
當家中其他電器内部出現漏電情況時，也會通過地線傳輸使熱水器的金屬外殼帶電，并通過瓦斯管道和大地形成回路，回路電流的大小取決于瓦斯管道對地電阻的大小，詳情如圖13所示（黃色線代表漏電電流走向，正常地線不帶電，用綠色示意）。是以，用電安全也是熱水器直流化過程中要解決的問題之一。
圖13. 因其他電器漏電導緻瓦斯熱水器帶電的示意圖
3.2.2 瓦斯熱水器直流化設計的優勢
熱水器直流化設計的優勢主要表現在能效、安全性、智能化以及使用者使用舒适性、适應性等方面，能夠滿足現代家庭對瓦斯熱水器的多元化需求。
3.2.2.1安全性設計優勢
在安全性方面，全直流技術能為瓦斯熱水器的控制系統提供穩定的直流電源，無需整流器進行交-直流電壓轉換，可優化瓦斯熱水器的内部結構。并且風機、水泵等部件均可使用直流供電方式，可采用全直流技術對其電壓、電流進行精确控制，以實作熱水器智能點火、精确控溫等功能，提高了熱水器的加熱速度和出水溫度的穩定性。
3.2.2.2 高效節能設計優勢
瓦斯熱水器中的風機和水泵等部件通常采用電機驅動，電機的優劣會直接影響整機的性能。傳統的交流電機在啟動和運作過程中會産生較大的能量損耗和噪聲。而使用直流變頻電機的瓦斯熱水器，其内部會采用直流電流來控制加熱功率，能實作對加熱效果的調節。與傳統的交流變頻技術相比，直流變頻技術能夠根據實際需求自動調節瓦斯供應和燃燒狀态的精準控制，更加高效的将電能轉化為機械能，進而使熱水器的整機能效得到顯著提升，降低家庭用電成本。并且直流變頻電機無刷式的結構設計會讓其在工作時産生比較小的噪聲；相反傳統的交流電機工作時，會由于單相位供電，導緻其轉矩産生較大的起伏，電機運作不夠平穩，其工作噪聲也會比直流變頻的噪聲大很多。
3.2.2.3 智能化設計優勢
瓦斯熱水器的智能化與直流技術之間存在着互相促進的關系。首先，直流技術為熱水器的智能化提供了穩定、高效的電源供給。并且直流電源具有電壓穩定好、功率損耗低等優勢，使得瓦斯熱水器在工作過程中能夠獲得持續、穩定的電力供給，進而能夠確定智能化系統（如：調節水溫、水量等參數）正常穩定的運作。是以，直流化技術是瓦斯熱水器智能化基礎保障。其次，直流技術與智能化的完美結合也使得瓦斯熱水器能夠适應不同的使用場景，滿足使用者使用需求。讓熱水器智能學習使用者的洗浴習慣，并基于這些資料自動調整水溫、水量等參數，為使用者提供更加舒适、節能的沐浴體驗。此外，使用者還可以通過手機APP或其他智能裝置遠端調控熱水器，實作水溫的精準設定和定時功能。這種智能化設計極大提升了日常使用的便利性，滿足了現代家庭對智能生活的需求。
3.3小結
随着消費者節能環保意識的增強，高效、節能的瓦斯熱水器也逐漸成為市場的主流産品。瓦斯熱水器的直流化設計可優化其内部結構和工作原理；同時也推動了瓦斯熱水器智能化發展，使熱水器更加安全可靠，降低能耗，多元化的外觀設計和智能化發展也滿足了消費者對品質生活的向往。
四、直流瓦斯熱水器技術解讀和優勢
4.1 低壓全直流瓦斯熱水器技術解讀
低壓全直流瓦斯熱水器是将低壓直流技術應用于瓦斯熱水器控制系統，實作對熱水器工作狀态的精确控制。與交流電相比直流電更易于檢測和控制，是以使用低壓全直流技術的瓦斯熱水器在用電安全方面會表現得更為出色。同時，低壓直流技術還可以減少電力損耗，提高能源的使用率，進而實作節能的效果。在功能方面，低壓全直流瓦斯熱水器技術還能與其它先進技術相結合，進一步提升熱水器的性能。
4.1.1低壓全直流瓦斯熱水器的總體設計思路
低壓全直流瓦斯熱水器的總體設計思路主要圍繞高效、安全、穩定以及智能化等方面展開。作為瓦斯熱水器的行業的引領企業萬家樂，針對低壓全直流瓦斯熱水器設計的技術難點進行了潛心研究并成功研制了低壓全直流瓦斯熱水器産品，以順應未來直流家電技術發展的大趨勢。
4.1.2“化繁為簡”變革底層電氣架構
瓦斯熱水器内部電氣線路複雜，多種控制元件互相交錯連接配接，不同的元器件需要加載不同的直流電壓，是以電氣架構是整個電路的基礎和骨架。隻有把最基礎架構設計合理和順暢才能保證元器件工作的穩定和安全。為此，萬家樂的工程師對瓦斯熱水器底層電氣架構進行革新性設計與整合，“化繁為簡”所有伺服器件均統一為一種高效低壓直流進行驅動。在統一電壓的基礎上，讓各元器件穩定工作，不僅能節約能耗同時也降低了電氣件的成本，還能提升了産品的可靠性，是以整機電氣系統主要分為低壓電源系統、低壓主要系統、低壓控氣、控風、控水等主要子產品。
圖14.瓦斯熱水器電氣底層架構示意圖
4.1.3全直流控制系統設計
在實際應用中開關電源工作時會處于高電壓大電流的工作狀态，其工作電壓和電流的波形中也會含有大量的高次諧波分量。這些高次諧波分量可在産品内部産生電磁場，導緻産品工作的不穩定，降低了産品的性能。其次，開關電源中的主要元器件有：變壓器、功率開關管、電容等。在高頻開關過程中它們可能會産生諧波振蕩通過分布式電容傳入内部電路，也可能通過散熱器和變壓器向空間輻射，對周圍的電子産品産生幹擾。而熱水器中的伺服器内件包含了複雜的電路和電器元件，如：電機、驅動器、傳感器等。這些元器件在工作時也會産生電磁場，受元器件間電磁耦合作用的影響，可能會産生電磁幹擾現象，導緻直流系統出現更多的紋波，幹擾控制系統的正常工作，如圖15所示。
圖15.電磁幹擾空間傳播示意圖
為了解決這一問題，萬家樂的工程師們對全直流控制系統進行了優化設計，并采用實體隔離和軟體控制等設計方式，減少了電磁幹擾對産品的影響。
4.1.4低壓供電設計
對于直流家電産品，目前國内外沒有統一的直流電壓分級标準。最早，國内是根據不同的生産環境和作業場所，在GB 3805-1983《安全電壓》标準中将安全電壓劃分為42V、36V、24V、12V和6V這五個等級，以防止在勞動生産過程中因觸電而造成的人身傷害。标準中規定，當電氣裝置采用的電壓超過24V時，則必須采取防止直接接觸帶電體的防護措施。随着研究的深入，該标準已更新為GB/T 3805-2008《特低電壓（ELV）限值》，并通過環境狀況和故障類型進行分級，而其他标準對安全電壓的定義也是參考了GB/T 3805-2008，具體如表１所示。
在不同的使用條件下，标準中對安全電壓的要求也并不相同，因而使用“安全電壓”不一定絕對安全，還需要充分考慮電流的因素。
觸電對人體造成的傷害主要取決于經過人體的電流強度以及持續時間。GB/T 13870.1-2022《電流對人和家畜的效應 第1部分：通用要求》中規定，在接觸直流電壓時，流過人體的電流大小取決于電壓和人體電阻的大小。人體電阻的大小則與接觸面積、電壓大小、皮膚狀态、電流路徑等因素有關，且流經人體的電流不能超過25mA，具體分析如下圖16和表2所示。
圖16.直流電流和持續時間對人體效應的區域劃分
表2 各區域的生理效應
自2019年10月1日起，家用瓦斯器具正式納入CCC認證的管理範圍，為了保障産品品質，瓦斯熱水器産品必須執行GB 6932和GB 4706.1這兩個标準。而這兩個标準中規定的安全特低電壓均是不應超過42V，并且當安全特低電壓是從電網中擷取時，應通過一個安全隔離變壓器或一個帶分離繞組的轉換器。顯然标準中規定的電網是一個交流電網。是以直流安全電壓的選擇也可參考GB/T156-2017《标準電壓》，該标準中規定了直流額定電壓優選值與備選表，如表3所示。由于直流30V的電壓在實施過程中可選擇的電氣零件方案較少，是以萬家樂的工程師們最終選擇與其相鄰較近的優選值——24V作為額定電壓在潮濕區域中使用的電源值，為低壓全直流瓦斯熱水器提供工作所需的額定電壓。
4.1.5交直流電網相容性接入設計
目前全國各省市都在積極推動智能樓宇、零碳建築、綠色産業園和光儲直柔等示範建築，這也加快了直流供電技術的落地。盡管如此，目前現有的供電方式仍會以交流供電為主，并且在未來相當長的一段過渡時間範圍内也将以交、直流電網并存的狀态而存在。是以，現階段的低壓全直流瓦斯熱水器暫時仍需要一個可拆卸的外置電源擴充卡将電網中的交流電轉換成直流電為熱水器進行供電。如17圖所示。
圖17.現階段的低壓全直流瓦斯熱水器供電接口示意圖
4.2 低壓全直流技術對瓦斯熱水器性能的提升
4.2.1能耗方面
首先，從整機層面看，低壓全直流瓦斯熱水器内部采用直流變頻風機可根據使用者的使用需求進行精準調速并比對風量，讓熱水器充分燃燒，不會因風速過高而帶走太多的熱量，相比傳統的交流瓦斯熱水器可提供更高的燃燒效率。
其次，熱水器在低負荷燃燒階段工作時，直流風機可降低風速，減少電機的功率；在高負荷燃燒階段又能夠增大風速。根據負荷變化使用不同大小的耗氣量與風量實作充分燃燒，在相同條件下，交流風機則很難實作，尤其是在常用負荷點的半開熱效率提高了約4.2%注1。
綜上，低壓全直流瓦斯熱水器在能耗方面具有顯著的優勢，其高效的燃燒技術、智能調節功能，以及直流變頻技術都使得瓦斯熱水器在運作時能夠最大程度地降低能耗，相比傳統全交流瓦斯熱水器整機電功率降低40%注1，多方位實作節能效果提升。
注1：以上試驗資料來源于第三方檢測機構及萬家樂企業試驗室。
4.2.2安全方面
傳統家用電器的電源幾乎都是AC220V供電，使用時電壓會比較高，需要注意用電安全。倘若發生地線帶電的情況，就可能會引發其他家電裝置帶電，而引發觸電風險。如果在幹燥環境、大面積、手到手長時間接觸帶電部件，就會對肌肉造成強烈肌肉反應，其接觸的直流電壓門檻值為DC43V，具體如下表4所示。
鑒于目前用電環境仍以交流電網為主，是以現階段直流熱水器需搭配電源擴充卡使用。電源擴充卡内部使用的是安全隔離變壓器，交流電被完全隔離在瓦斯熱水器外，并且電源擴充卡采用的是塑膠外殼，可作為加強絕緣将帶電部件包裹起來，以防止電源擴充卡意外漏電，這樣就能從根源上提高了瓦斯熱水器的安全性。
對于全直流低壓瓦斯熱水器，其内部的電氣部件都是以安全特低電壓供電的，各個零部件間的電壓不會高于安全特低電壓。那麼，根據GB 4706.1中8.1.4條款則認為其是不帶電的，内部低壓全直流電即便發生線路老化，其漏電流也不會對人體産生觸電危害。是以，低壓全直流瓦斯熱水器無漏電隐患，充分發揮了低壓直流電供電的安全性優勢。另外因為熱水器内部無需地線介入，解決了地線漏電導緻熱水器帶電的系列問題，也從根源上避免了地線帶電引發的所有隐患。
4.2.3舒适性方面
瓦斯熱水的使用舒适性一般展現在恒溫、靜音以及零冷水大水量等方面。首先，在熱水器的恒溫方面，低壓全直流瓦斯熱水器可将直流變頻技術與恒溫技術相結合，通過直流變頻技術控制并調節瓦斯熱水器的加熱功率，進而實作對出水溫度的精确控制。
其次，在噪聲方面，瓦斯熱水器的噪聲主要包括燃燒噪聲、汽化噪聲、風機噪聲和機械噪聲等。當瓦斯熱水器處于不同燃燒階段時燃燒器就會在電磁閥的控制下，開啟不同分段的燃燒火排，為整機提供現階段所需的燃燒負荷。且直流風機在電子調速過程中沒有傳統電容式的降噪電路，也使得全直流瓦斯熱水器在噪聲方面會表現的更加優秀。
在零冷水大水量方面，瓦斯熱水器的“增壓”和“零冷水”功能一般都是通過内置的水泵來實作的。傳統瓦斯熱水器的水泵通常采用交流電源直接驅動，存在效率低、噪音大等問題。相反，如果采用相同規格的直流水泵，則能實作寬電壓運作，在相同的能源消耗下，産生更大的水量，這樣即使供水能力較差的使用者也能享受到舒适大水量的沐浴體驗，同時也降低了能量損耗，實作了節能的效果，進一步提高了産品的适應性和靈活性。
此外，低壓全直流瓦斯熱水器還具備智能控制的功能，它可以根據使用者的用水習慣和實際需求，自動調節加熱功率和出水流量，有助于降級運作成本以及提升産品适應性，充分利用電源電功率，實作産品舒适性的極緻體驗，節約能源。
4.3 小結
低壓全直流瓦斯熱水器在高效節能、零冷水技術、大水量供應、恒溫性能、智能化操作以及安全可靠等方面都具有顯著的先進性和技術優勢。這些技術優勢會讓全直流瓦斯熱水器在市場上具有更強的競争力，同時也能為使用者提供更加舒适、便捷和安全的熱水使用體驗。萬家樂的低壓全直流技術也将成為未來熱水器行業的引領者。
五、結語
全直流瓦斯熱水器作為使用者側電網用電端，支撐了“光儲直柔”的發展和最終的落地應用，成為民用建築領域實作碳中和的重要路徑之一。
作為瓦斯熱水器的行業的引領企業萬家樂，針對低壓全直流瓦斯熱水器設計的技術難點進行了潛心研究并提出了低壓全直流瓦斯熱水器的總體設計方案，使熱水器在使用過程中更加高效節能，還確定了在複雜的家庭用電環境下産品的安全穩定運作，低壓全直流技術也為進一步的産品舒适性提升、功能拓展更新和智能化打下基礎，同時也為其他家電直流化提供設計參考思路。
瓦斯熱水器的全直流化是産業和消費更新的必然方向，對于執行“雙碳”政策、宣貫綠色環保理念有重要意義；總的來說，低壓全直流技術在家用電器中的應用不僅能夠提升家庭生活品質，節約能源，保護環境，還能夠為綠色家庭和可持續發展目标的實作貢獻力量。是以，低壓全直流技術在家用電器中的應用有着重要的現實意義和發展前景。