高寒地区燃气热水器防冻研究

摘 要

摘要：分析了燃气热水器冻裂原因以及气候环境对燃气热水器工作的影响，指出了当前热水器防冻措施的不足之处，通过试验确定了防冻的主要影响因素，提出了防冻措施。关键词：防冻；燃气热
摘要：分析了燃气热水器冻裂原因以及气候环境对燃气热水器工作的影响，指出了当前热水器防冻措施的不足之处，通过试验确定了防冻的主要影响因素，提出了防冻措施。
关键词：防冻；燃气热水器；防倒风；电加热
Research on Frost Resistance of Gas Water Heater in Extremely Cold Area
YANG Yongtao，YI Hongbin
Abstract：The reasons for frost crack of gas water heater as well as the influence of climatic environment on operation of gas water heater are analyzed.The shortcomings of current frost resistance measures of gas water heater are pointed out.The main factors for influencing frost resistance are determined through experiments，and some frost resistance measures are put forward.
Key words：frost resistance；gas water heater；anti-downdraught；electric heating
1 寒冷地区燃气热水器冻裂损坏的现状
    燃气热水器水管被冻裂已是多年来困扰产品在北方市场扩大销售的问题。当寒潮到来时，全国每年约有2.5×104台热水器被冻裂。如果冻裂时家里没有人，不仅浪费大量的水，而且会泡坏地板，甚至殃及楼下的居民，给用户及厂家带来很大经济损失。
2 燃气热水器被冻裂的原因
    当安装燃气热水器水路时，一般都在其进水和出水端分别安装一个进水阀和出水阀，用户在使用过程中习惯性地只开关出水阀，而进水阀常开，这就使热水器在结束使用后水管中存在积水，而水结冰将水管胀裂。本文的试验方案都是基于进水阀打开、出水阀关闭这种用户最常见的习惯上进行的，造成燃气热水器降温有热对流和热传导两种方式。
    热水器一般安装在室内(户外机除外)，高寒地区的冬天，室内外温差大，有时温差可以达到50℃以上(室内约20℃，室外约-30℃)，即使室外无风，由于室内外空气的温度差，形成气压差，室外气压高于室内气压，使室外冷空气通过烟管向室内的热水器流动，产生热对流，致使热水器内部各零部件产生不同程度的降温。对流降温的产生，另一方面是热水器的烟管受寒冷气流冲击形成倒灌风。有些燃气热水器烟管出口安装在迎风一侧，更加剧其温度急降。当热水器水管中的水为充满状态并在0℃以下时，造成水管冻裂的可能性就大大增加。
    高寒地区的居民住宅门窗的封闭非常严密，但室内外仍有气流流动。笔者曾在大庆市沿湖城住宅小区的用户房间里进行了测试。该住宅小区在萨尔图区，“萨尔图”意即“大风的地方”，住户家里的墙一面是迎风，另一面是背风，均测得有气流向房间里流动。在某次测试中，在迎风面测得室外对室内的压力差为55～93Pa；背风面测得室外对室内的压力差为21～23Pa。这就意味着只要室外气温低于室内气温，室外冷空气都会通过热水器烟管流向热水器内部，造成热水器水管降温甚至冻裂。
    热传导的产生，一方面是热水器安装在室内没有供暖或供暖不足的位置，例如供暖不足或阴面的阳台，我们称为“冷阳台”，该处温度常低于0℃；另一方面，烟管一般为金属材料，可通过管壁从室内向室外传递热量。这两种情况都使热水器降温。
    燃气热水器冻裂部位绝大部分在左弯管和右弯管部位，其加工过程中由于拉伸变形造成弯曲处材料壁厚变薄，厚度往往还不到0.3mm，因而该处最脆弱，最易冻裂。
3 高寒地区燃气热水器防冻研究
3.1 当前热水器防冻措施及其不足
    当前热水器防冻措施除了将热水器安装在室内暖环境外，还有防倒风装置和电加热装置，对抗风防冻起到较好作用；有些仅有防倒风装置而没有电加热装置。而这两种措施还有很多不足之处。
    ① 防倒风装置很难做到在倒风时绝对密封，多少还有一些漏气；热水器很多装在厨房，厨房中的油烟经过一段时间后会在防倒风装置上积油渍，影响防倒风结构的复位，使防倒风片处于打开状态，使室外气流进入热水器内部。
    ② 电加热分布不均匀也会造成冻裂。电加热装置的加热管一般有1节长管(热功率约60～70W)和2～3节短管(热功率每节约10W)。长管装在水箱前面盘管上方，短管分别装在距出口端和进口端约30cm的位置上，感温探头装在最易降温的部位如左弯管处。通电后，当感温探头为4℃时启动加热，8℃时停止加热(各厂家启停温度略有不同)。加热管的这种布置往往受热不均，会造成加热管特别是长管所在位置温度过高(可达60℃以上)，而左、右弯管及水箱后面的盘管因离加热管较远未能受热，也可能会使其结冰。
3.2 试验方案
    为了研究在不同室外温度、热水器不同安装位置(冷阳台、厨房)、不同倒风速度、不同防倒风装置、电加热不同安装方式下热水器内部各关键点的温度变化，特做以下方案进行测试及分析。
3.2.1影响热水器温度变化的因素
   ① 防倒风装置
   本次试验采用市场上常见的3种防倒风装置，将其编号为防倒风1、防倒风2、防倒风3，无倒风装置编号为防倒风0，共4款。
    防倒风1：正向(烟气排放方向)阻力小，反向(倒风方向)漏风量较大。
    防倒风2：正向阻力小，反向漏风量较小。
    防倒风3：正向阻力较大，反向几乎不漏风。
    ② 电加热安装方式
    本试验采用两种电加热安装方式：安装方式1为目前热水器上常采用的方式，长加热管装在水箱前面盘管上方，两节短管分别装在距出口端和进口端约30cm的位置上；安装方式2在方式1基础上，在水箱的盘管后位置增加一节短加热管。
   ③ 热水器安装位置
   热水器安装位置基本有两种情况，有供暖和无供暖的地方，因此选择厨房和冷阳台，厨房的温度一般为13～20℃，冷阳台温度一般为-6～0℃。
   ④ 室外风速
   为了试验方便，采用调速风机，从室外向室内鼓风，风速为0、5、10m/s。
   ⑤ 烟管的材料
   为了获取烟管的热传导对热水器温度变化的影响程度，采用原烟管(金属管)和隔热管(硬纸筒)两种材料作比较。
3.2.2热水器温度测点布置
    图1为温度测点，此外，还有室外温度和热水器周围温度(厨房、冷阳台)，其中左弯水温、进水温、出水温采用在水管上钻孔将温度探头伸进管中测水温形式，其余各点则测水管外壁。

3.3 试验结果
    试验共进行了29组，由于篇幅所限，只选取其中有代表性的试验结果进行分析。
3.3.1无风、无电加热状态
    表1为无风、无电加热、冷阳台条件下测点温度。室外平均温度有所差异，造成试验结果略有不同，但差别不大。以表1中防倒风0和防倒风3两组试验作对比，当室外平均温度分别为-14.3℃和-15.7℃时，冷阳台的结束温度分别为-1.7℃和-2.1℃，而测得左弯管壁的温度分别为-0.2℃和-0.7℃，其余各相同测点温度相差也很小(在1℃以内)。防倒风1和防倒风2两组试验是在室外温度分别为-20.8℃和-23℃时进行的，其试验结束时相同测点的温度相差也很小(在1℃以内)。
    表2为无风、无电加热、厨房条件下测试点温度，与厨房温度关系密切，与防倒风装置关系不大。
    可见，影响热水器内部各点温度的因素主要是其周围环境温度，即冷阳台或厨房温度，防倒风装置的形式在无风条件下影响很小。因此热水器应安装在室内有供暖的地方。
表1 无风、无电加热、冷阳台条件下测点温度    ℃
试验项目
试验时间/h
测温时勿
左弯管壁
右弯管壁
盘管前
盘管后
左弯水温
进水温
出水温
泄压阀
冷阳台
室外平均
防倒风0
5
初始
4.4
4.3
4.1
3.7
3.8
3.3
2.3
2.0
2.0
-14.3
结束
-O.2
-O.3
-0.4
-0.7
-0.9
-1.5
-1.5
-1.7
-1.7
防倒风1
5
初始
4.2
3.9
3.8
3.5
3.3
2.8
1.0
0.8
0.3
-20.8
结束
-2.4
-2.7
-2.7
-3.O
-3.2
-1.9
-4.3
-4.6
-4.6
防倒风2
5
初始
3.6
4.2
4.0
3.8
3.8
2.8
1.7
1.4
-1.4
-23.0
结束
-2.4
-2.4
-2.5
-2.8
-3.0
-2.2
-4.1
-5.0
-5.0
防倒风3
5
初始
5.4
5.2
5.0
4.9
5.1
4.6
3.0
2.4
-0.1
-15.7
 
结束
-0.7
-0.8
-0.9
-1.0
-1.1
-1.2
-2.3
-2.6
-2.1
表2 无风、无电加热、厨房条件下测点温度    ℃
试验项目
试验时间/h
测温时刻
左弯管壁
右弯管壁
盘管前
盘管后
左弯水温
进水温
出水温
泄压阀
厨房
室外平均
防倒风0
11
初始
11.3
11.5
10.9
11.0
10.9
10.1
11.2
11.6
13.8
-19.6
结束
12.8
12.7
12.5
12.5
12.1
10.9
11.4
11.4
12.5
防倒风1
11
初始
12.3
12.3
12.3
12.1
12.1
12.3
12.5
12.4
11.4
-16.4
结束
14.0
14.0
13.9
13.8
13.8
13.1
13.1
13.2
12.0
防倒风2
11
初始
13.0
13.2
13.2
12.9
12.0
12.2
14.1
13.7
15.5
-17.8
结束
13.3
13.3
13.3
13.2
13.3
13.1
12.8
12.7
12.7
3.3.2有风、无电加热、厨房状态
    本试验在厨房、室外风速为10m/s条件下，各防倒风装置作用下进行比较，表3为有风、无电加热、厨房条件下测点温度。
由于各防倒风装置的反向漏风量不同，从表3可以看出，影响热水器内部降温的主要因素是防倒风装置反向的漏风量和热水器周围温度。漏风量越少，其抗冻能力越强，如采用防倒风3的装置，经过10h的吹风，热水器内各点的温度与厨房温度相差很微小；而防倒风1的装置，0.5h后热水器内就有低于0℃的点；防倒风0由于没有防倒风装置，更加快热水器内部的降温，5min后就有部分点出现结冰现象；温度最低的部位在盘管后位置，其次为右弯管壁。
表3 有风、无电加热、厨房条件下测点温度    ℃
试验项目
试验时间/h
测温时刻
左弯管壁
右弯管壁
盘管前
盘管后
左弯水温
进水温
出水温
泄压阀
厨房
室外平均
防倒风0
0.5
初始
10.4
10.8
10.7
10.7
10.2
9.5
10.7
11.3
10.0
-18.0
0.5h
-2.1
-2.8
-2.3
-8.2
-2.6
-1.8
-O.7
1.9
7.3
防倒风1
0.5
初始
8.3
7.4
7.4
6.6
8.2
8.4
8.9
8.7
11.5
-13.8
0.5h
-0.7
-0.3
0.2
-1.6
0.0
3.7
5.9
7.6
11.3
防倒风2
2.0
初始
9.8
10.3
9.2
8.3
9.0
9.2
8.6
9.6
12.7
-16.0
0.5h
2.0
3.O
2.9
1.7
3.3
7.5
8.2
9.5
13.0
1.0h
0.6
1.5
1.2
0.1
1.6
4.6
6.8
8.6
13.0
1.5h
-0.5
0.5
0.2
-0.9
0.9
3.1
5.8
7.7
11.6
2.0h
-0.7
0.3
-0.1
-1.1
0.7
2.4
5.5
7.6
11.6
防倒风3
10.0
初始
10.1
10.2
9.7
9.4
9.9
8.7
8.7
9.9
11.5
-16.4
0.5h
10.5
10.6
10.4
10.O
10.5
8.8
9.4
10.5
11.7
1.0h
11.O
11.1
11.0
10.8
11.0
9.8
10.3
11.2
11.7
1.5h
11.4
11.5
11.4
11.1
12.5
10.5
10.8
11.5
11.6
2.0h
11,8
11.8
11.8
11.5
12.8
11.3
11.2
11.8
11.7
10.0h
13.1
13.1
13.1
12.8
13.O
13.4
13.3
13.4
13.6
3.3.3电加热、冷阳台状态
本试验在冷阳台、不装防倒风、室外进风为5m/s条件下，比较电加热管安装方式1和安装方式2的试验结果，以分析电加热管安装位置均匀性对防冻的作用，表4为电加热、冷阳台条件下测点温度。试验的冷阳台是与厨房连通的，当厨房门打开时，冷阳台的初始温度会短暂升高(例如表4中第2组试验的冷阳台初始温度为11.0℃)，但试验开始后会关闭厨房门，使试验条件一致。
安装方式1的试验结束时，由于加热分配不均，长加热管位置(盘管前)的温度较高(40℃以上)，而右弯管壁和盘管后的温度分别为-2.0℃和-7.4℃，这表明加热管的加热范围不宽，电加热管安装位置均匀性差也有可能造成热水器部分未受加热的水管发生冻裂现象。安装方式2经2 h试验后，盘管后和右弯管壁温度高于0℃，其余各测试点也均高于0℃，使热水器水管免受冻裂。如果将长加热管分成多节，分别安装到前、后盘管和左、右弯管壁，不用增加电加热管的热功率，就能更好地起到防冻效果。
表4 电加热、冷阳台条件下测点温度    ℃
试验项目
试验时间/h
测温时刻
左弯管壁
右弯管壁
盘管前
盘管后
左弯水温
进水温
出水温
泄压阀
冷阳台
室外
电加热管安装力式1
2
初始
5.5
4.8
9.4
5.4
1.1
14.2
3.3
3.2
0.0
-13.7
1h
3.3
-1.8
42.O
-6.8
3.8
8.9
6.1
1.9
-1.8
-17.4
2h
2.6
-2.0
41.4
-7.4
1.6
8.O
4.8
0.7
-2.6
-18.0
电加热管安装方式2
2
初始
8.9
9.1
9.4
9.3
9.7
9.3
2.5
8.0
11.0
-9.5
1h
6.8
6.6
46.7
5.6
5.1
23.0
2.0
0.3
-1.3
-13.9
2h
6.6
5.7
46.0
5.7
4.4
22.4
2.O
0.1
-1.6
-14.1
3.3.4金属烟管与隔热烟管的传热比较
    本试验在冷阳台、无风状态、装防倒风3的组合形式下进行，对比两种材质烟管的传热效果，表5为金属烟管与隔热烟管条件下测点温度。试验表明，两种组合方式经1.5h试验，相同时间内各相同测点温度相差很小，室外温度通过烟管传热作用对热水器内部影响不明显，而与冷阳台温度关系比较密切，在其周围温度影响下，热水器内部各点不断降温。
4 防冻办法
    ① 燃气热水器应安装在室内(户外机除外)，且装在室内温度高于10℃以上的地方。
    ② 热水器不工作时，若室外温度低于0℃，要关闭进水阀，卸下泄压阀进行排水，当水管中排空水后，装上泄压阀，此法可彻底保证热水器免受冻裂。
    ③ 热水器安装时烟管伸出方向应避开常年较大自然风的来向，尽量安装在风的背向。
    ④ 防倒风装置要求在10m/s风速的条件下，反向的漏风量接近0，正向阻力不应影响热水器的正常使用，并能满足燃气热水器国家标准的相关要求；防倒风装置要定时取出检查，清理其上污物，防止防倒风片不复位。
表5 金属烟管与隔热烟管条件下测点温度    ℃
试验项目
试验时间/h
测温时刻
左弯管壁
右弯管壁
盘管前
盘管后
出水温
进水温
左弯水温
冷阳台
室外
金属烟管
1.5
初始
4.2
3.9
3.8
3.5
1.0
2.8
3.3
-2.8
-18.5
0.5h
2.3
2.1
2.0
1.7
-1.2
0.5
1.3
-3.5
-19.9
1.0h
1.0
0.8
0.7
0.6
-2.0
-0.9
0.1
-3.7
-20.0
1.5 h
-0.1
-0.3
-0.4
-0.7
-2.7
-1.8
-1.0
-4.2
-19.8
硬纸筒烟管
1.5
初始
4.4
4.2
3.9
3.9
-0.2
3.6
2.0
-3.5
-15.0
0.5h
2.5
3.3
2.1
2.0
-1.2
1.7
0.5
-3.6
-14.0
1.0h
1.0
0.9
0.6
0.5
-2.6
0.3
-0.8
-3.7
-14.2
1.5h
-0.2
-0.3
-0.5
-O.7
-3.1
-0.8
-1.5
-3.8
-14.3
    ⑤ 电加热管的设计及安装必须增加盘管后水管的加热措施，条件允许时，还可增加左右弯管的加热措施；可以将长加热管平均分解成两节或多节，分别安装在盘管前、后以及左、右弯管壁位置；有水气联动阀的热水器，其水阀部位也应防冻加热，因为含水量越多的部位越易结冰胀裂。
    ⑥ 泄压阀在目前的热水器使用中不能自动泄压排水，只能拧松放水，因而用户会感到麻烦而干脆不放水，造成水管冻裂。如果保留泄压阀，则应在其附近安装排水开关，以便于用户操作。
    ⑦ 平衡式热水器的进空气管与室外常通，易造成室外冷风入侵热水器内部使热水器水管冻裂。因此应参照户外热水器的防冻措施。
    ⑧ 热水器水管最易冻裂的部位在弯曲变形最大的管路上，由于弯曲处在加工时被拉伸变薄，该处最脆弱，最易胀裂，燃气热水器99%以上的冻裂部位都在左、右弯管处，应改进加工工艺，保证该处的厚度与其他部位一致。
    ⑨ 如果无法改变用户在使用过程中习惯性只开关出水阀，而进水阀常开的情况，防冻措施除了防倒风和电加热之外，还可以采用电控装置，通过控制使热水器在停止使用后自动排空其中积水；采用热敏材料制作的低温自动排水阀，当热水器内温度接近0℃时向外自动排去冷水，补充热水，使水管升温。
    ⑩ 在黄河以北销售热水器时要推荐使用强排热水器并强制性安装电加热管，禁用烟道式热水器(因无法给电加热管供电)。在长江流域，冬天没有供暖的区域，热水器中有用市电的要加装电加热及防倒风装置，没有用市电的可采用防倒风装置加低温自动排水阀防冻方式。
5 结语
    寒冷地区的燃气热水器因冷冻而损坏是一个老大难问题，-15℃以下是热水器冻裂率较高的温度。我国冬天较长时间处在-15℃以下的高寒地区有黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、新疆、西藏等地，燃气热水器的防冻问题就显得特别重要。另外在我国的中部和中南部，冬天很多地方没有供暖，造成热水器周围温度很低，一旦出现温度急剧下降，如2008年初南方的雨雪冰冻，热水器冻坏的情况大大增加，因此这些区域也应采取相关的防冻措施。
 
(本文作者：杨涌涛 易洪斌 中山华帝燃具股份有限公司 广东中山 528415)