冷凝式热水器的发展情况
   

             20世纪70年代早期的能源危机促进了高效率冷凝式锅炉的发展。整体式冷凝式锅炉的大规模研究始于1978年,冷凝式热水器是在20世纪70年代末出现的新一代高效节能热水器,其工作原理和冷凝式锅炉相似。需要说明的是,欧洲国家的冷凝式热水器,一般是指冷凝式两用炉。荷兰是最早研究这种热水器的国家,1979年第一台冷凝式热水器样机研制成功,1980年得到批准使用,到20世纪90年代初期,冷凝式壁挂炉锅炉除了具有传统锅炉的共性之外,更是在制热机理上进行了大革命与突破。其后英国、法国、德国、美国等国家也开始了相应的研究。在上述欧美等国,由于政府鼓励,冷凝式燃气壁挂炉的需求量不断增加[3]。目前,国外这种热水器产品已占热水器总量的10%~15%。欧洲的热水器市场已经相对成熟,对冷凝式产品已经建立了相应的标准,并采用标签等级的制度,根据不同的能效范围划分不同产品等级,同时各个国家对可在市场上出售产品等级的要求也越来越高。
    国内对冷凝式热水器的研制开发相对较晚。在理论研究方面,同济大学、北京建筑工程学院、重庆大学等都在热工性能、防腐等方面做了相应的工作[4]。潘新新、魏敦崧等[5]分析了电化学腐蚀的机理及冷凝水的pH值、温度、溶解氧和溶解盐等因素对冷凝式燃气热水器腐蚀的影响,提出了以天然气为气源,对材料进行化学镀处理,采用分离倒置式换热器可减少冷凝区域酸性腐蚀的方案。曹彦彬、艾效逸[6]通过实验,对塔板式换热器和肋片板式换热器在伴有水蒸气凝结的烟气中的受迫对流换热过程进行了实验研究,得出如下结论:有水蒸气凝结时的对流换热系数可数倍于无凝结时的换热系数,塔板式换热器的换热系数大于肋片板式换热器。艾效逸、王义等[7]通过增设冷凝式换热器的方式,对10 L/min的冷凝式热水器和冷凝式热水炉进行了热效率测试,结果表明:与相同条件下的非冷凝式产品相比,冷凝式热水器的热效率可增加9%~10%。此外,杨冬梅[8]和吕照、王随林等[9]针对特定的样机,对冷凝换热器的防腐和冷凝式燃气热水炉的换热进行了研究。谭顺民、郑利平等[10]对经改装产率为10 L/min的冷凝式热水器进行了实验,结果表明:其热效率可比普通热水器净增12%。
  
     冷凝式热水器的关键技术
    冷凝式热水器由于需要利用烟气中的潜热,因而必须降低排烟温度,从而会产生冷凝水,并且烟气中的酸性气体会溶于冷凝水,从而形成酸性冷凝水。因此,采用间接换热方式的冷凝式燃气热水器有两个不同于普通热水器的技术问题:一个是酸性冷凝水的产生和排放问题;另一个就是酸性冷凝水对换热器表面的腐蚀问题。
    1)当烟气温度冷却至露点温度,烟气中的水蒸气便开始冷凝、析出。由于冷凝水呈酸性,因此对其排放前必须进行中和处理。设计安装酸性冷凝水处理排放装置需考虑如下原则:①便于用户拆装、清洗检修;②可收集冷凝换热时产生的全部冷凝水;③中和剂可保证有效地中和酸性冷凝水,最好能在热水器寿命期限内长期使用;④由于设置冷凝水排放管道,需保证当烟气出口阻塞时,烟气不会从冷凝水管道逸出。
    2)由于冷凝式热水器的排烟温度降低,烟气中的CO2、SOx、NOx等酸性气体会溶于冷凝水从而产生腐蚀性物质。为避免这些物质对换热器的腐蚀,一般采用两种方法:①对常用换热器进行表面处理,一般是浸涂耐高温防腐涂层;②直接采用耐腐蚀的不锈钢等材料作为换热器。目前绝大部分都采用前者。
    采用直接接触式换热技术的冷凝式快速燃气热水器在国内尚属空白。日本和美国已利用此技术制造、生产了冷凝式热水器(热水炉),均使用天然气,烟气与水直接接触,可溶性气体溶于大量的水,浓度非常低,完全在安全使用范围内,同时发挥了冷凝式燃气热水器高效率的特点。国内学者武立云等[11]对浸没燃烧热水器的开发研究也初步证实了其可行性。结论是:只要燃料中的S含量符合要求,烟气与水直接接触的浸没燃烧热水器的水质和排放废气是符合国家和地方法规要求的。
   
     冷凝式热水器节能效益分析
         国内部分热水器厂家开始生产销售冷凝式热水器,其中部分产品的热工性能已达到或超过国外同类产品。现采用净现值法对冷凝式热水器的节能情况做一简略分析。
    以市场上典型的1级冷凝式燃气热水器为例,热水产率为12 L/min,热效率为98%,对比市场上同样热水产率的3级普通热水器,消费者购买冷凝式热水器多花费约1 700元,此即初投资。按热水器使用年限8 a,运行时间1 200 h计,则每年共节省天然气约55 m3。由于各地民用管输天然气价格差别较大,取一些典型城市的气价为代表,按照气价不变与银行存款年利率不变,计算出冷凝式热水器在各地使用后的折算现值,若折算现值大于初投资,则说明节能效益显著,消费者在经济上合算。
    某效率为98%的冷凝式燃气热水器节能分析见图3。从图3可以看出,此款冷凝式燃气热水器在不同的地区带来的节能效益是不同的,只有当天然气价格高于4.3元/m3时,消费者从经济上才合算。
             
    另外,以目前市场上效率最高的一款冷凝式热水器为例,其额定热水产率24 L/min,热效率为107%,年均节气量166 m3,以同样方法分析,它在天然气价格高于2.5元/m3以上的地区使用节能效益显著,其节能分析见图4。由此可知,冷凝式热水器热效率和热水产率越高,其节能效益就越显著,从经济上也适合更多地区的消费者购买。