摘要：冷凝式燃气热水器作为高效的燃气燃烧设备，具有较大的节能潜力，但由于目前国内天然气价格各地差异较大，其在不同地区使用后的经济效益差别也较大。为此，介绍了冷凝式热水器的国内外发展情况，阐述了目前冷凝式热水器所采用的换热器结构形式和原理，提出了防腐的技术对策，并结合目前国内较为典型的城市天然气价格及冷凝式热水器的销售价格，采用净现值法对其进行了节能效益分析，指出在目前民用天然气价格条件下，冷凝式热水器与常规热水器相比，前者节能效果显著，尤其在天然气价格较高地区，冷凝式燃气热水器效率越高、容量越大，其节能效益就越显著。

关键词：冷凝式热水器；换热器；防腐；节能效益；效率；容量

    家用燃气快速热水器(下简称热水器)是民用燃气的主要消耗设备。据统计我国热水器年消耗天然气约170×10⁸m^3[1](非天然气按热值折算为天然气)。热水器能效国家标准GB 20665—2006于2007年7月]日正式实施，将热水器能效等级分为3级，其中1级热效率不低于96%，2级热效率不低于88%，3级热效率不低于84%，不符合国家能效标准的热水器禁止上市销售。国家燃气质量监督检验中心对家用燃气快速热水器产品的检测结果表明热水器的平均热效率为86.7%^[2]，其中烟道式和强排式的平均效率均为85%左右。因此，若将热水器效率提高至1级水平，其节能潜力是非常巨大的。要实现1级能效水平，大力发展冷凝式热水器是一条可循之路。

    冷凝式换热技术最早被西方国家应用于锅炉。Carlyle Ashley 1928年设计了一个被称为“Weather-maker”的燃气专利产品，这是第一个将烟气中水蒸气的冷凝用于采暖空调领域的高效率燃气加热炉。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1O%～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10L/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1OL/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%。

    直接接触式换热就是指将燃烧后的高温烟气直接与水接触进行换热(图1)。首先将进水通过喷嘴均匀分流，然后将分流后的水喷入由陶瓷或金属片等装填的填料塔内，高温烟气由下而上通过填料层，从而使烟气与水在填料层内发生逆流接触式换热。由于填料层的作用，大大增加了烟气与水的接触面积，同时延长了烟气与水在逆流换热过程中的接触时间，因此这种换热方式在化工领域应用比较广泛。当将其用于热水器时，需要解决几个关键问题：首先是由于燃气燃烧后会产生SO_x、NO_x等酸性气体，当这些气体与水直接接触时会溶于水，而热水是要与人的皮肤直接接触的，因此使用这种换热方式的燃气热水器一般只能使用天然气或者液化石油气，且燃烧器必须经过特殊的设计，同时配合复杂的水质处理系统；另外，填料塔的换热效率将对整个换热器的效能起决定作用，而控制烟气的离塔温度直接影响填料塔的换热效率，当烟气的离塔温度超过烟气的露点温度时，换热效率将急剧下降。

 

    间接式换热采用间壁式换热器进行换热，高温烟气通过间壁式换热器加热(图2)。目前国内市场上的冷凝式热水器大多采用这种形式。一般采用两个换热器，一个为显热换热器，保持较高的烟气温度，烟气不产生冷凝，仅吸收烟气中的显热；另一个换热器为潜热换热器，烟气流过时，水蒸气发生冷凝，同时释放显热和潜热。烟气中的酸性气体会溶于冷凝水从而生成腐蚀性液体。图示结构布置是诸多采用间壁式冷凝换热形式中的一种，采用“倒烧”形式主要是便于冷凝水的排放以及有利于增大烟气侧换热系数。

 

    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、SO_x、NO_x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。

    2005年起，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12L/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1700元，此即初投资。按热水器使用年限8a，运行时间1200h计，则每年共节省天然气约55m³。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。

 

 

(本文作者：熊超 秦朝葵 戴万能 陈志光 同济大学机械学院)