摘要：冷凝式燃氣熱水器作為高效的燃氣燃燒設(shè)備，具有較大的節(jié)能潛力，但由于目前國內(nèi)天然氣價格各地差異較大，其在不同地區(qū)使用后的經(jīng)濟效益差別也較大。為此，介紹了冷凝式熱水器的國內(nèi)外發(fā)展情況，闡述了目前冷凝式熱水器所采用的換熱器結(jié)構(gòu)形式和原理，提出了防腐的技術(shù)對策，并結(jié)合目前國內(nèi)較為典型的城市天然氣價格及冷凝式熱水器的銷售價格，采用凈現(xiàn)值法對其進行了節(jié)能效益分析，指出在目前民用天然氣價格條件下，冷凝式熱水器與常規(guī)熱水器相比，前者節(jié)能效果顯著，尤其在天然氣價格較高地區(qū)，冷凝式燃氣熱水器效率越高、容量越大，其節(jié)能效益就越顯著。

關(guān)鍵詞：冷凝式熱水器；換熱器；防腐；節(jié)能效益；效率；容量

    家用燃氣快速熱水器(下簡稱熱水器)是民用燃氣的主要消耗設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計我國熱水器年消耗天然氣約170×10⁸m^3[1](非天然氣按熱值折算為天然氣)。熱水器能效國家標準GB 20665—2006于2007年7月]日正式實施，將熱水器能效等級分為3級，其中1級熱效率不低于96%，2級熱效率不低于88%，3級熱效率不低于84%，不符合國家能效標準的熱水器禁止上市銷售。國家燃氣質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對家用燃氣快速熱水器產(chǎn)品的檢測結(jié)果表明熱水器的平均熱效率為86.7%^[2]，其中煙道式和強排式的平均效率均為85%左右。因此，若將熱水器效率提高至1級水平，其節(jié)能潛力是非常巨大的。要實現(xiàn)1級能效水平，大力發(fā)展冷凝式熱水器是一條可循之路。

    冷凝式換熱技術(shù)最早被西方國家應(yīng)用于鍋爐。Carlyle Ashley 1928年設(shè)計了一個被稱為“Weather-maker”的燃氣專利產(chǎn)品，這是第一個將煙氣中水蒸氣的冷凝用于采暖空調(diào)領(lǐng)域的高效率燃氣加熱爐。20世紀70年代早期的能源危機促進了高效率冷凝式鍋爐的發(fā)展。整體式冷凝式鍋爐的大規(guī)模研究始于1978年，冷凝式熱水器是在20世紀70年代末出現(xiàn)的新一代高效節(jié)能熱水器，其工作原理和冷凝式鍋爐相似。需要說明的是，歐洲國家的冷凝式熱水器，一般是指冷凝式兩用爐。荷蘭是最早研究這種熱水器的國家，1979年第一臺冷凝式熱水器樣機研制成功，1980年得到批準使用，到20世紀90年代初期，冷凝式壁掛爐鍋爐除了具有傳統(tǒng)鍋爐的共性之外，更是在制熱機理上進行了大革命與突破。其后英國、法國、德國、美國等國家也開始了相應(yīng)的研究。在上述歐美等國，由于政府鼓勵，冷凝式燃氣壁掛爐的需求量不斷增加^[3]。目前，國外這種熱水器產(chǎn)品已占熱水器總量的1O%～15%。歐洲的熱水器市場已經(jīng)相對成熟，對冷凝式產(chǎn)品已經(jīng)建立了相應(yīng)的標準，并采用標簽等級的制度，根據(jù)不同的能效范圍劃分不同產(chǎn)品等級，同時各個國家對可在市場上出售產(chǎn)品等級的要求也越來越高。

    國內(nèi)對冷凝式熱水器的研制開發(fā)相對較晚。在理論研究方面，同濟大學(xué)、北京建筑工程學(xué)院、重慶大學(xué)等都在熱工性能、防腐等方面做了相應(yīng)的工作^[4]。潘新新、魏敦崧等^[5]分析了電化學(xué)腐蝕的機理及冷凝水的pH值、溫度、溶解氧和溶解鹽等因素對冷凝式燃氣熱水器腐蝕的影響，提出了以天然氣為氣源，對材料進行化學(xué)鍍處理，采用分離倒置式換熱器可減少冷凝區(qū)域酸性腐蝕的方案。曹彥彬、艾效逸^[6]通過實驗，對塔板式換熱器和肋片板式換熱器在伴有水蒸氣凝結(jié)的煙氣中的受迫對流換熱過程進行了實驗研究，得出如下結(jié)論：有水蒸氣凝結(jié)時的對流換熱系數(shù)可數(shù)倍于無凝結(jié)時的換熱系數(shù)，塔板式換熱器的換熱系數(shù)大于肋片板式換熱器。艾效逸、王義等^[7]通過增設(shè)冷凝式換熱器的方式，對10L/min的冷凝式熱水器和冷凝式熱水爐進行了熱效率測試，結(jié)果表明：與相同條件下的非冷凝式產(chǎn)品相比，冷凝式熱水器的熱效率可增加9%～10%。此外，楊冬梅^[8]和呂照、王隨林等^[9]針對特定的樣機，對冷凝換熱器的防腐和冷凝式燃氣熱水爐的換熱進行了研究。譚順民、鄭利平等^[10]對經(jīng)改裝產(chǎn)率為1OL/min的冷凝式熱水器進行了實驗，結(jié)果表明：其熱效率可比普通熱水器凈增12%。

    直接接觸式換熱就是指將燃燒后的高溫?zé)煔庵苯优c水接觸進行換熱(圖1)。首先將進水通過噴嘴均勻分流，然后將分流后的水噴入由陶瓷或金屬片等裝填的填料塔內(nèi)，高溫?zé)煔庥上露贤ㄟ^填料層，從而使煙氣與水在填料層內(nèi)發(fā)生逆流接觸式換熱。由于填料層的作用，大大增加了煙氣與水的接觸面積，同時延長了煙氣與水在逆流換熱過程中的接觸時間，因此這種換熱方式在化工領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。當(dāng)將其用于熱水器時，需要解決幾個關(guān)鍵問題：首先是由于燃氣燃燒后會產(chǎn)生SO_x、NO_x等酸性氣體，當(dāng)這些氣體與水直接接觸時會溶于水，而熱水是要與人的皮膚直接接觸的，因此使用這種換熱方式的燃氣熱水器一般只能使用天然氣或者液化石油氣，且燃燒器必須經(jīng)過特殊的設(shè)計，同時配合復(fù)雜的水質(zhì)處理系統(tǒng)；另外，填料塔的換熱效率將對整個換熱器的效能起決定作用，而控制煙氣的離塔溫度直接影響填料塔的換熱效率，當(dāng)煙氣的離塔溫度超過煙氣的露點溫度時，換熱效率將急劇下降。

 

    間接式換熱采用間壁式換熱器進行換熱，高溫?zé)煔馔ㄟ^間壁式換熱器加熱(圖2)。目前國內(nèi)市場上的冷凝式熱水器大多采用這種形式。一般采用兩個換熱器，一個為顯熱換熱器，保持較高的煙氣溫度，煙氣不產(chǎn)生冷凝，僅吸收煙氣中的顯熱；另一個換熱器為潛熱換熱器，煙氣流過時，水蒸氣發(fā)生冷凝，同時釋放顯熱和潛熱。煙氣中的酸性氣體會溶于冷凝水從而生成腐蝕性液體。圖示結(jié)構(gòu)布置是諸多采用間壁式冷凝換熱形式中的一種，采用“倒燒”形式主要是便于冷凝水的排放以及有利于增大煙氣側(cè)換熱系數(shù)。

 

    冷凝式熱水器由于需要利用煙氣中的潛熱，因而必須降低排煙溫度，從而會產(chǎn)生冷凝水，并且煙氣中的酸性氣體會溶于冷凝水，從而形成酸性冷凝水。因此，采用間接換熱方式的冷凝式燃氣熱水器有兩個不同于普通熱水器的技術(shù)問題：一個是酸性冷凝水的產(chǎn)生和排放問題；另一個就是酸性冷凝水對換熱器表面的腐蝕問題。

    1) 當(dāng)煙氣溫度冷卻至露點溫度，煙氣中的水蒸氣便開始冷凝、析出。由于冷凝水呈酸性，因此對其排放前必須進行中和處理。設(shè)計安裝酸性冷凝水處理排放裝置需考慮如下原則：①便于用戶拆裝、清洗檢修；②可收集冷凝換熱時產(chǎn)生的全部冷凝水；③中和劑可保證有效地中和酸性冷凝水，最好能在熱水器壽命期限內(nèi)長期使用；④由于設(shè)置冷凝水排放管道，需保證當(dāng)煙氣出口阻塞時，煙氣不會從冷凝水管道逸出。

    2) 由于冷凝式熱水器的排煙溫度降低，煙氣中的CO₂、SO_x、NO_x等酸性氣體會溶于冷凝水從而產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)。為避免這些物質(zhì)對換熱器的腐蝕，一般采用兩種方法：①對常用換熱器進行表面處理，一般是浸涂耐高溫防腐涂層；②直接采用耐腐蝕的不銹鋼等材料作為換熱器。目前絕大部分都采用前者。

    采用直接接觸式換熱技術(shù)的冷凝式快速燃氣熱水器在國內(nèi)尚屬空白。日本和美國已利用此技術(shù)制造、生產(chǎn)了冷凝式熱水器(熱水爐)，均使用天然氣，煙氣與水直接接觸，可溶性氣體溶于大量的水，濃度非常低，完全在安全使用范圍內(nèi)，同時發(fā)揮了冷凝式燃氣熱水器高效率的特點。國內(nèi)學(xué)者武立云等^[11]對浸沒燃燒熱水器的開發(fā)研究也初步證實了其可行性。結(jié)論是：只要燃料中的S含量符合要求，煙氣與水直接接觸的浸沒燃燒熱水器的水質(zhì)和排放廢氣是符合國家和地方法規(guī)要求的。

    2005年起，國內(nèi)部分熱水器廠家開始生產(chǎn)銷售冷凝式熱水器，其中部分產(chǎn)品的熱工性能已達到或超過國外同類產(chǎn)品。現(xiàn)采用凈現(xiàn)值法對冷凝式熱水器的節(jié)能情況做一簡略分析。

    以市場上典型的1級冷凝式燃氣熱水器為例，熱水產(chǎn)率為12L/min，熱效率為98%，對比市場上同樣熱水產(chǎn)率的3級普通熱水器，消費者購買冷凝式熱水器多花費約1700元，此即初投資。按熱水器使用年限8a，運行時間1200h計，則每年共節(jié)省天然氣約55m³。由于各地民用管輸天然氣價格差別較大，取一些典型城市的氣價為代表，按照氣價不變與銀行存款年利率不變，計算出冷凝式熱水器在各地使用后的折算現(xiàn)值，若折算現(xiàn)值大于初投資，則說明節(jié)能效益顯著，消費者在經(jīng)濟上合算。

    某效率為98%的冷凝式燃氣熱水器節(jié)能分析見圖3。從圖3可以看出，此款冷凝式燃氣熱水器在不同的地區(qū)帶來的節(jié)能效益是不同的，只有當(dāng)天然氣價格高于4.3元/m³時，消費者從經(jīng)濟上才合算。

 

 

(本文作者：熊超 秦朝葵 戴萬能 陳志光 同濟大學(xué)機械學(xué)院)