冷凝式燃气热水器的研究综述

作者：上海酒店设备工程成套南翔厂有限公司  张健

摘 要：本文主要介绍了冷凝式燃气热水器的工作原理、其相对于普通式燃气热水器的节能分析以及冷凝式燃气热水器的发展形势，推广冷凝式燃气热水器的重要性和必要性。

关键词：冷凝式燃气热水器；热效率；工作原理；排烟温度；节能

 一、引言

    随着城市燃气事业的迅速发展和人民生活水平的不断提高，家用燃气热水器得到了极大的普及，已经成为居民生活的必需品。由于目前我国普通式燃气热水器的排烟温度相对较高，仅利用高温烟气中的部分显热，对于排烟余热却未充分利用，以致普通式燃气热水器热效率相对较低，造成了燃气能源的浪费。为了缓解燃气能源的日趋紧张，国家发展与改革委员会已明确提出要在2010年使主要耗能产品的能耗水平下降20%，对燃气热水器而言，GB 6932—2001《家用燃气快速热水器》中规定热效率应满足不低于80%，到要达到能耗水平下降20%，即达到热效率提高20%，对燃气热水器的热效率要求将会变为不低于96%，也就是达到GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》中规定的一级能效等级产品的要求（能效等级分类见表1）。而冷凝式燃气热水器是普通式燃气热水器的技术升级，通过见排烟温度尽可能降低，充分利用烟气中的显热和汽化潜热并减少烟气排烟损失，可将燃气热水器的热效率提高15%左右，是目前能到达一级能效指标的唯一途径，所以冷凝式燃气热水器是今后燃气热水器的发展方向和必然选择。

表1  家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级

二、冷凝式燃气热水器的工作原理

    众所周知，燃气燃烧可供利用的热量包括烟气的显热和烟气中水蒸气的汽化潜热两部分热量。普通式燃气热水器受换热器结构的限制，排烟温度较高，只能利用烟气的显热，而冷凝式燃气热水器由于可以将排烟温度降低，不仅能够充分利用烟气的显热，而且还能吸收水蒸气的汽化潜热，使热效率显著提高。因此冷凝式燃气热水器定义为是在正常使用条件下，烟气中的水蒸气部分冷凝，冷凝释放出的潜热用于加热生活用水的燃气热水器。

    普通式燃气热水器与冷凝式燃气热水器在结构上的区别在于换热器的不同，具体见图1所示。通过对比可知：普通式燃气热水器的换热器采用一次换热方式（显热换热器换热），燃烧时排出高温烟气的排烟温度高达约200℃左右；而冷凝式燃气热水器的换热器则是采用二次换热方式一般在下方安装一次热交换器（显热换热器），在上方设置二次热交换器（冷凝换热器），换热原理为：不仅利用显热换热器吸收显热，还要将烟气中水蒸气的潜热进行回收利用，其方法是将冷水先通过冷凝式换热器吸收烟气中的热量以初次提高冷水温度，降低烟气温度达到常压下水蒸气饱和温度，使水蒸气凝结，放出潜热，这部分热量通过冷凝换热器传给被加热的水，通过烟气预热冷水，从而有效地利用烟气中的水蒸气潜热来增加冷凝换热效率。燃烧时烟气由下至上经过显热换热器和冷凝换热器的热交换，吸收显热和潜热后的烟气温度一般可降至约50℃左右。

图1  普通式燃气热水器与冷凝式燃气热水器的结构对比图

三、冷凝式燃气热水器的节能分析

    众所周知，燃气的热值是指1Nm3燃气完全燃烧所放出的热量。热值又可分为高热值和低热值，高热值是指1Nm3燃气完全燃烧后，其烟气被冷却至原始温度，其中的水蒸气以凝结水的状态排出所放出的热量，即包括水蒸气在内的发热量；低热值是指1Nm3燃气完全燃烧后，其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量，即不包括水蒸气在内的发热量。而汽化潜热是指1kg饱和液体在一定压力下加热成同温度下的干饱和蒸汽所需的热量。因此，从数学意义上来讲，水蒸气的汽化潜热其实就是高低热值之差。假设燃气低热值为显热，那么燃气的总热量（高热值）就是显热（低热值）与潜热（汽化潜热）之和。普通式燃气热水器仅利用的是显热，即利用的是燃气的低热值；而冷凝式燃气热水器不仅利用了显热，而且还利用了水蒸气的汽化潜热，即利用的是燃气的高热值。

燃气热水器国家标准GB 6932—2001中关于热效率的规定（低热值热效率η）为：

┄┄（1）

式中：η—温升(tw2-tw1)K时的值热效率（低热值热效率），%；

M—出热水量，kg/min；

C—水的比热，4.19×10-3MJ/kg×K；

tw2—出热水温度，℃；

tw1—进水温度，℃；

V—实测燃气流量，m3/h；

Hl—燃气低热值，MJ/Nm3；

tg—测定时燃气流量计内的燃气温度，℃；

Pamb—实验时的大气压力，kPa；

Pg—实测热水器前的燃气压力，kPa；

S—温度为tg℃时的饱和水蒸气压力，kPa。

那么冷凝式燃气热水器则按高热值计算的热效率ηh则为：

┄┄（2）

式中：ηh—温升(tw2-tw1)K时的值热效率（高热值热效率），%；

       Hh—燃气低热值，MJ/Nm3。

由式（1）和式（2）可知，冷凝式燃气热水器按低热值计算的热效率为：

┄┄（3）

    从式（3）分析可知：冷凝式燃气热水器的节能取决于燃气高低热值的比值，高低热值相差越大，节能效果越明显，而高低热值的区别主要在于燃气燃烧生成水蒸气量的多少，而水蒸气量的多少则主要取决于燃气组分中含氢原子数的多少，含氢数越多燃烧产生的水蒸气量就越大，可以提供冷凝吸收的潜热就越多，热效率越高。但在实际过程中，水蒸气汽化潜热的完全利用是不可能的，而冷凝式燃气热水器热效率的提高还有另一部分热量的吸收，那部分热量就是排烟温度的降低以吸收的由高排烟损失掉的显热。因此，冷凝式燃气热水器相对于普通式燃气热水器主要节能分析为：冷凝式燃气热水器的节能主要是由两部分组成，冷凝式燃气热水器排烟温度的降低，一部分为利用水蒸气的汽化潜热，另一部分是利用低排烟温度所减少的排烟热量损失。大量实验数据表明：目前冷凝式燃气热水器的热效率要比普通式燃气热水器的热效率高15%左右；由于热效率与燃气耗气量是反比例关系，则使用冷凝式燃气热水器要比使用普通式燃气热水器节约15%左右的燃气能源。

四、冷凝式燃气热水器的发展形势

    虽然冷凝式燃气热水器比普通式燃气热水器热效率要高13%，节约燃气资源约15%，但其市场普及率非常低，发展推广受到限制，尚无法到达全民推广、取代普通式燃气热水器的地步，究其原因主要如下：

1.价格昂贵

    由于冷凝式燃气热水器的制造成本较高，导致目前市场上冷凝式燃气热水器的价格昂贵，其销售价格远高于普通式燃气水器，有的甚至是普通式燃气热水器的数倍，许多消费者不愿意一次性花更多的钱在冷凝式燃气热水器上面。

2.安装麻烦

    目前国内的冷凝式热水器安装时需要增加一条管道，专门用来排放冷凝水。这有点像空调，需要一根管子通往室外排水。按照现在国内的住宅条件，燃气热水器习惯安装在厨房，多数消费者不愿意在厨房的墙上打个洞。

3.环保问题

    环保这是冷凝式热水器所要克服的重点技术问题。由于烟气燃烧中产生大量有害气体CO、NOx，在冷凝成水时，含有大量的酸性物质，会对热水器内部、管道产生比较强的腐蚀。虽然在管道中采用中和物质进行无害处理，但是目前还不能做到100%的中和。另外，冷凝水排出室外后，对周围环境的污染也成为要解决的问题之一。

    但是从实际情况考虑，全球能源危机日趋严重，能源紧缺已成为一个世界性问题，由于能源使用而带来的一系列社会问题，使节约能源再一次成为各国政府和社会民众关注的焦点。随着《京都议定书》的签定，以及我国《节能中长期专项规划》的实施，开发、使用环保节能产品是民心所向、大势所趋。可以预见，随着消费者节能、环保意识的不断增强，冷凝式燃气快速热水器必将以其卓越的节能表现，受到广大消费者的欢迎，并逐步取代技术落后的燃气热水器，成为引领市场的主流产品。而且一些发达国家为了节约能源保护环境，对冷凝热水器销售进行补贴，促进产品的发展和能源的节约。日本政府出台相应的推广政策，每售出1台冷凝式燃气热水器政府给企业补助4万日元，希望到2010年实现生产的热水器全部是冷凝式燃气热水器。我国目前还没有这样的措施，因此，建议我国政府也应该出台对于冷凝式燃气热水器的推广措施，实行销售补助；各燃气具制造厂家不断研发设计，克服技术难题，降低冷凝式燃气热水器的生产成本，解决冷凝水的中和排放和对燃气热水器本身的腐蚀问题，从而降低冷凝式燃气热水器的销售价格，这样我国冷凝式燃气热水器的销量会逐渐上升，冷凝式燃气热水器在得到推广后，算这样一笔账：冷凝式燃气快速热水器比普通式燃气热水器节能15%左右，以一个家庭每年沐浴用气12瓶计算，一年可节省1.8瓶气，以每瓶15公斤计算，一年便可省气27公斤，那么全国每千万个家庭一年可节气2.7亿公斤，如此显著的节能效果，不仅对消费者来说节省了燃气费用的支出，对国家来说更是节约了燃气能源的消耗，那是才能真正做到冷凝式燃气热水器的推广从单纯为消费者节省支出提高到实现国民经济的可持续发展的战略高度。

【参考文献】

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