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170×108m3。热水器能效国家标准GB20665—2006于2007年7月1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%,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。CarlyleAshley1928年设计了一个被称为“Weathermaker”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。技术人员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。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。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%。
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。
通过对某效率为98%的冷凝式燃气热水器节能分析得出结论,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24L/min,热效率为107%,年均节气量166m3,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。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。