冷凝式燃?xì)鉄崴骷夹g(shù)與經(jīng)濟(jì)分析

摘 要

摘要：論述了冷凝式燃?xì)鉄崴鞯睦碚摕嵝?，?guó)內(nèi)外冷凝式燃?xì)鉄崴鞯陌l(fā)展概況，冷凝式燃?xì)鉄崴鞯?種換熱方式的結(jié)構(gòu)原理，酸性冷凝水的產(chǎn)生和排放，換熱器表面的防腐措施，冷凝式燃
摘要：論述了冷凝式燃?xì)鉄崴鞯睦碚摕嵝?，?guó)內(nèi)外冷凝式燃?xì)鉄崴鞯陌l(fā)展概況，冷凝式燃?xì)鉄崴鞯?種換熱方式的結(jié)構(gòu)原理，酸性冷凝水的產(chǎn)生和排放，換熱器表面的防腐措施，冷凝式燃?xì)鉄崴鞯慕?jīng)濟(jì)性。與普通燃?xì)鉄崴飨啾?，冷凝式燃?xì)鉄崴鲗?duì)于消費(fèi)者價(jià)格偏高。
關(guān)鍵詞：冷凝式燃?xì)鉄崴?；換熱器；熱效率；間接換熱；直接換熱；經(jīng)濟(jì)性
Techno-economic Analysis of Condensing Gas Water Heater
XIONG Chao，QIN Chao-kui，CHEN Zhi-guang，ZHAN You-chao
Abstract：The theoretical thermal efficiency of condensing gas water heater，the general development situation of condensing gas water heater at home and abroad，the structural principle of three heat exchange modes，the production and discharge of acid condensate，anti-corrosion measures on surface of heat exchanger and the economic efficiency of condensing gas water heater are discussed. The condensing gas water heater is more expensive than conventional gas water heater for consumers.
Key words：condensing gas water heater；heat exchanger；thermal efficiency：indirect heat exchange；direct heat exchange；economic efficiency
1 概述
    2004年11月，中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)家發(fā)改委)發(fā)布的《節(jié)能中長(zhǎng)期規(guī)劃》的目標(biāo)之一是：到2010年主要耗能設(shè)備能效指標(biāo)達(dá)到或接近國(guó)際領(lǐng)先水平，其中家用燃?xì)饪焖贌崴?以下簡(jiǎn)稱(chēng)熱水器)的熱效率達(dá)到90%～95%。2007年8月30日，國(guó)家發(fā)改委研究制定的《天然氣利用政策》正式頒布，明確將城市燃?xì)饬袨閮?yōu)先類(lèi)。而城鎮(zhèn)(尤其是大中城市)居民炊事、生活熱水等用氣在城市燃?xì)庵惺冀K占據(jù)著重要的位置，天然氣事業(yè)的發(fā)展必將帶動(dòng)熱水器的大發(fā)展。
    基于行業(yè)和市場(chǎng)發(fā)展的需要，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 20665—2006《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級(jí)》于2007年7月1日正式實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)將能效等級(jí)分為3級(jí)，其中1級(jí)熱效率值不低于96%，2級(jí)熱效率值不低于88%，3級(jí)熱效率值不低于84%，不符合國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)的熱水器禁止上市銷(xiāo)售。據(jù)有關(guān)資料[1]，我國(guó)熱水器年消耗天然氣(非天然氣按熱值折算為天然氣)約170×108m3/a。根據(jù)國(guó)家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)家用燃?xì)饪焖贌崴鳟a(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，熱水器的平均熱效率為86.7%。目前我國(guó)市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的熱水器主要有煙道式、強(qiáng)排式和強(qiáng)制給排氣式3種。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，煙道式和強(qiáng)排式的平均效率都在85%左右[2]。因此，若將熱水器熱效率提高至1級(jí)水平，其節(jié)能潛力非常巨大。而要實(shí)現(xiàn)1級(jí)能效水平，大力發(fā)展冷凝式熱水器是一條可循之路。
    本文介紹間壁式冷凝式熱水器和其他結(jié)構(gòu)型式的冷凝式熱水器，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。
2 熱水器的理論熱效率分析
    普通型熱水器受換熱器結(jié)構(gòu)的限制，排煙溫度較高(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定排煙溫度不低于110℃)，遠(yuǎn)高于煙氣中水蒸氣的露點(diǎn)，氣化潛熱無(wú)法利用。而冷凝式熱水器通過(guò)改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)、增加換熱器數(shù)量或者改變換熱方式等措施使排煙溫度降低，不僅能夠充分吸收煙氣的顯熱，還能利用煙氣中部分水蒸氣的氣化潛熱。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 6932—2001《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌芬?guī)定，快速熱水器的熱效率以燃?xì)獾蜔嶂禐榛鶞?zhǔn)計(jì)算，具體如下：
 
式中η1——燃?xì)鉄崴餍?/span>
    qm——出熱水量，kg/min
    c——水的比熱容，MJ/(kg·K)
    tw,2——熱水出水溫度，℃
    tw,1——熱水進(jìn)水溫度，℃
qV——實(shí)測(cè)燃?xì)饬髁浚琺3/min
    Ql——實(shí)測(cè)燃?xì)獾蜔嶂?，MJ/m3
    tg——試驗(yàn)時(shí)流量計(jì)內(nèi)的燃?xì)鉁囟龋?/span>
    pa——試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力(絕對(duì)壓力)，kPa
    pg——試驗(yàn)時(shí)熱水器前的燃?xì)鈮毫?，kPa
    ps——溫度為tg時(shí)飽和水蒸氣壓力(絕對(duì)壓力)，kPa
令：
 
對(duì)普通型和冷凝式熱水器，在同樣的試驗(yàn)條件下，式(1)可簡(jiǎn)化為：
 
冷凝式熱水器的Qval有較大程度的提高，其幅度取決于燃?xì)獾母摺⒌蜔嶂抵?。極限情況下，煙氣中的水蒸氣可全部冷凝下來(lái)，煙氣溫度降至原始溫度，且燃燒為完全燃燒，則Qval=qVQh，Qh為實(shí)測(cè)燃?xì)飧邿嶂?，單位為MJ/m3?；厥杖繗饣瘽摕岬臒崴鞯淖罡邿嵝蕿椋?/span>
 
式中ηcon——冷凝式燃?xì)鉄崴骼碚摕嵝?/span>
    即理論上冷凝式熱水器的熱效率上限為高低熱值之比。對(duì)上海天然氣，可超過(guò)110%，考慮實(shí)際工況及設(shè)備經(jīng)濟(jì)性，使用時(shí)熱效率會(huì)低于此值。
3 冷凝式熱水器的發(fā)展情況
    冷凝式熱水器是在20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的新一代高效節(jié)能熱水器。需要說(shuō)明的是，歐洲國(guó)家的冷凝式熱水器，一般是指既提供衛(wèi)生熱水又供暖的冷凝式燃?xì)獗趻鞝t。荷蘭是最早研究這種熱水器的國(guó)家，1979年第一臺(tái)冷凝式熱水器樣機(jī)研制成功，1980年得到批準(zhǔn)使用。其后英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家也開(kāi)始了相應(yīng)的研究。目前，國(guó)外冷凝式燃?xì)鉄崴鳟a(chǎn)品已占熱水器總量的10%～15%。歐洲的熱水器市場(chǎng)已經(jīng)相對(duì)成熟，對(duì)冷凝式產(chǎn)品已經(jīng)建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并采用標(biāo)簽等級(jí)的制度，根據(jù)不同的能效范圍而劃分不同產(chǎn)品等級(jí)，各個(gè)國(guó)家對(duì)可在市場(chǎng)上出售的產(chǎn)品等級(jí)的要求也越來(lái)越高。日本企業(yè)多年來(lái)一直致力于冷凝式熱水器研制，2002年已有69種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成功。日本政府也出臺(tái)相應(yīng)的推廣政策，希望到2010年實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的熱水器全部是冷凝式熱水器。其中日本前田鐵工所生產(chǎn)的CONDEC品牌的MCH-C系列的冷凝式燃?xì)鉄崴?，采用直接接觸式換熱技術(shù)，基于低熱值的最高熱效率已達(dá)108%。
    中國(guó)在冷凝式熱水器研制開(kāi)發(fā)方面相對(duì)較晚。在理論研究方面，同濟(jì)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。潘新新等[3]分析了電化學(xué)腐蝕的機(jī)理及冷凝水的pH值、溫度、溶解氧和溶解鹽等因素對(duì)冷凝式燃?xì)鉄崴鞲g的影響，提出了以天然氣作為氣源、對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)鍍處理、采用分離倒置式換熱器的方案，可減少冷凝區(qū)域酸性腐蝕。艾效逸等[4]通過(guò)增設(shè)冷凝式換熱器的方式，對(duì)10L/min的冷凝式熱水器和冷凝式熱水爐進(jìn)行了熱效率測(cè)試，結(jié)果表明：與相同條件下的非冷凝式產(chǎn)品相比，熱效率可增加9～10個(gè)百分點(diǎn)。此外，楊冬梅[5]和呂照[6]針對(duì)特定的樣機(jī)，對(duì)冷凝式換熱器的防腐和冷凝式燃?xì)鉄崴疇t的換熱進(jìn)行了研究。譚順民等[7]對(duì)改裝的產(chǎn)率為10L/min的冷凝式熱水器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：其熱效率可比普通熱水器凈增12%。另外，還對(duì)影響節(jié)能效果的因素進(jìn)行了分析。
    在產(chǎn)品市場(chǎng)上，廣東萬(wàn)和、萬(wàn)家樂(lè)等公司相繼于2005年8月在市場(chǎng)上推出冷凝式燃?xì)鉄崴鳟a(chǎn)品，其中一款冷凝式熱水器的熱效率可達(dá)107%。
4 冷凝式熱水器換熱方式分析
4.1 間接換熱
    這種換熱方式采用間壁式換熱器進(jìn)行換熱，高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)間壁式換熱器加熱水。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的冷凝式熱水器大多采用這種形式。其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。
 

    一般采用兩個(gè)換熱器，一個(gè)為顯熱換熱器，保持較高的煙氣溫度，煙氣不產(chǎn)生冷凝水，僅釋放煙氣的顯熱。另一個(gè)換熱器為潛熱換熱器，煙氣流過(guò)時(shí)，水蒸氣發(fā)生冷凝，同時(shí)釋放顯熱和潛熱。煙氣中的酸性氣體會(huì)溶于冷凝水從而生成腐蝕性液體。圖1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”(即燃燒器頭部向下，燃燒室在上側(cè)，換熱器在下側(cè))形式主要是便于冷凝水的排放，利于增大煙氣側(cè)換熱系數(shù)[8]。
4.2 質(zhì)量熱交換方式[9]
    質(zhì)量熱交換方式的結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖2。
 

    這種冷凝式熱水器可以最大限度地吸收煙氣中的剩余熱量。它通過(guò)水的循環(huán)吸收煙氣中的熱量加熱燃燒用的空氣。熱水器采用強(qiáng)制鼓風(fēng)式燃燒器，熱水器兩側(cè)分別設(shè)有質(zhì)量熱交換式噴淋洗滌器，在鼓風(fēng)機(jī)和燃燒器之間組成了左側(cè)的第一洗滌器，燃燒所需的空氣被噴淋的循環(huán)水加濕與加熱后進(jìn)入燃燒器。循環(huán)水又經(jīng)循環(huán)水泵送至右側(cè)的第二洗滌器噴頭，再經(jīng)噴淋，使仍留在煙氣中的水蒸氣冷凝下來(lái)。這種裝置提高了煙氣的露點(diǎn)，即使進(jìn)水溫度較高(70℃)，也可以獲得局部冷凝。
4.3 直接接觸式換熱
    直接接觸式換熱是指將燃燒后的高溫?zé)煔庵苯优c水接觸進(jìn)行換熱。其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖3。
 

    首先將進(jìn)水通過(guò)噴頭均勻分流，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^(guò)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，延長(zhǎng)了煙氣與水在逆流換熱過(guò)程中的接觸時(shí)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(shí)，需要解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。①由于燃?xì)馊紵髸?huì)產(chǎn)生S0x、NOx等酸性氣體，當(dāng)這些氣體與水直接接觸時(shí)會(huì)溶于水，而熱水是要與人的皮膚直接接觸的，因此，使用這種方式的燃?xì)鉄崴饕话阒荒苁褂锰烊粴饣蛘咭夯蜌猓胰紵鞅仨毥?jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì).配備復(fù)雜的水質(zhì)處理系統(tǒng)。②填料塔的換熱效率將對(duì)整個(gè)換熱器的能效起決定性作用，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(guò)煙氣的露點(diǎn)時(shí)，換熱效率將急劇下降[10]。
5 冷凝式熱水器的關(guān)鍵技術(shù)
    冷凝式熱水器需要利用煙氣中的潛熱，必須降低排煙溫度，必然會(huì)產(chǎn)生冷凝水，并且煙氣中的酸性氣體會(huì)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?xì)鉄崴饔袃蓚€(gè)不同于普通熱水器的問(wèn)題。一個(gè)是酸性冷凝水的產(chǎn)生和排放問(wèn)題，另一個(gè)就是酸性冷凝水對(duì)換熱器表面的腐蝕問(wèn)題。
5.1 酸性冷凝水的產(chǎn)生和排放
    當(dāng)煙氣冷卻至露點(diǎn)，煙氣中的水蒸氣便開(kāi)始冷凝、析出。煙氣露點(diǎn)主要取決于煙氣中水蒸氣的分壓力，水蒸氣的分壓力升高，露點(diǎn)升高，反之亦然。當(dāng)煙氣溫度低于露點(diǎn)時(shí)，水蒸氣便開(kāi)始局部冷凝，由于水蒸氣的冷凝，水蒸氣分壓減小，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)也降低，直到其降為與煙氣溫度相同，此時(shí)達(dá)到一個(gè)新的飽和水蒸氣平衡狀態(tài)，冷凝停止。因此，當(dāng)煙溫低于露點(diǎn)時(shí)，只是一部分水蒸氣冷凝。此外，煙氣露點(diǎn)還與燃?xì)獾慕M成以及燃燒的過(guò)剩空氣系數(shù)等有關(guān)[9]。一般煙氣的露點(diǎn)與燃?xì)獾暮瑲淞空嚓P(guān)，與過(guò)?？諝庀禂?shù)反相關(guān)。由于冷凝水呈酸性，因此對(duì)其排放前必須進(jìn)行中和處理。設(shè)計(jì)安裝酸性冷凝水處理排放裝置需考慮如下原則：便于用戶拆裝、清洗、檢修等；可收集冷凝換熱時(shí)產(chǎn)生的全部冷凝水；中和劑可保證有效地中和酸性冷凝水(目前國(guó)內(nèi)廠家多選用碳酸鈣)；由于設(shè)置冷凝水排放管道，需保證當(dāng)煙氣出口阻塞時(shí)，煙氣不會(huì)從冷凝水管道逸出。
5.2 換熱器表面的防腐
    由于冷凝式熱水器的排煙溫度降低，煙氣中的CO2、SOx、NOx等酸性氣體會(huì)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(duì)換熱器的腐蝕，一般采用兩種方法：①對(duì)常用換熱器進(jìn)行表面處理，一般是浸涂耐高溫防腐涂層，常用的有Ni—P鍍層及耐高溫耐腐蝕環(huán)氧樹(shù)脂涂層。前者的熱阻較低，費(fèi)用高，后者相反，兩者的共同點(diǎn)是可靠性都很好，但加工難度都較大。②直接采用耐腐蝕材料作為換熱器材料，通常采用耐酸不銹鋼和耐酸復(fù)合金屬，前者工藝難度較低，后者工藝難度較高，兩者的共同點(diǎn)是熱阻都較低，加工成本都較高。，由于受不銹鋼等耐腐蝕性材料加工性能的影響，用這些材料制造換熱器時(shí)一般是加工成光管換熱器，因此就帶來(lái)了在獲得同樣換熱效果的條件下，金屬耗量和成本的增加。由于企業(yè)本身在銅、鋁等換熱器加工使用方面較有經(jīng)驗(yàn)，且防腐蝕材料研究和應(yīng)用日益深入，因此，目前絕大部分冷凝式換熱器都采用第一種方法[11]。
5.3 直接接觸式換熱技術(shù)和研發(fā)情況
    采用直接接觸式換熱技術(shù)的冷凝式快速燃?xì)鉄崴?，?guó)內(nèi)尚屬空白。日本和美國(guó)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)。這種熱水器發(fā)揮了冷凝式燃?xì)鉄崴鞲咝实奶攸c(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者武立云等[12]在浸沒(méi)燃燒熱水器開(kāi)發(fā)方面的研究也初步證實(shí)了其可行性，研究的結(jié)論是：只要燃料中的硫含量符合要求，煙氣與水直接接觸的浸沒(méi)燃燒熱水器的水質(zhì)和排放廢氣就能夠符合國(guó)家和地方法規(guī)的要求。
6 冷凝式熱水器經(jīng)濟(jì)性分析
    從2005年起，國(guó)內(nèi)部分熱水器廠家開(kāi)始小批量生產(chǎn)冷凝式熱水器投放市場(chǎng)，其中部分產(chǎn)品從熱功率、熱效率、煙氣排放、冷凝水處理等方面來(lái)看，都已經(jīng)達(dá)到或者超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。任何一種產(chǎn)品要真正被消費(fèi)者接受，除了優(yōu)良的性能以外，還必須在經(jīng)濟(jì)性上為消費(fèi)者所接受。本文采用凈現(xiàn)值法對(duì)冷凝式熱水器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。以市場(chǎng)上典型的能效等級(jí)為1級(jí)(熱效率≥96%)的某種冷凝式燃?xì)鉄崴鳛槔?，其熱水產(chǎn)率為12L/min，熱效率為98%，售價(jià)為3500元/臺(tái)。作為對(duì)比，市場(chǎng)上同樣熱水產(chǎn)率的能效等級(jí)為3級(jí)(熱效率≥84%)的某種普通熱水器售價(jià)為1300元/臺(tái)。消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)1臺(tái)冷凝式熱水器多花2200元，看作初投資額為2200元。按熱水器使用年限為8年，平均每年使用時(shí)間為150h，共運(yùn)行時(shí)間為1200h計(jì)[11]，則每年共節(jié)省天然氣量為42.5m3/a。目前上海市天然氣價(jià)格為2.5元/m3，按氣價(jià)每年以10%幅度上漲，銀行存款年利率為3.87%計(jì)，在冷凝式熱水器使用年限內(nèi)節(jié)省的燃?xì)赓M(fèi)用的折算現(xiàn)值為1114元，則節(jié)省的燃?xì)赓M(fèi)用的折算現(xiàn)值與初投資額之差所得的凈現(xiàn)值為-1086元。也就是對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，節(jié)省的燃?xì)赓M(fèi)并不能抵消冷凝式燃?xì)鉄崴髋c普通燃?xì)鉄崴髦g的差價(jià)。另外，以目前市場(chǎng)上效率最高的一款冷凝式熱水器為例，其額定熱水產(chǎn)率為24L/min，熱效率為107%，售價(jià)為5500元/臺(tái)左右，以同樣方法分析，節(jié)省的燃?xì)赓M(fèi)用的折算現(xiàn)值與初投資額之差所得的凈現(xiàn)值為-371元。必須指出，從天然氣在上海的價(jià)格變化歷史來(lái)看，本文取10%的上漲率是偏大的，其將導(dǎo)致節(jié)省的燃?xì)赓M(fèi)用折算現(xiàn)值偏大，即使如此，最后節(jié)省的燃?xì)赓M(fèi)用折算現(xiàn)值與初投資額之差所得凈現(xiàn)值仍然為負(fù)。因此，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的冷凝式燃?xì)鉄崴鲀r(jià)格對(duì)于消費(fèi)者而言偏高。
7 結(jié)語(yǔ)
    在人們生活水平不斷提高的大背景下，將來(lái)我國(guó)會(huì)有越來(lái)越多的家庭使用燃?xì)鉄崴?，而冷凝式熱水器由于其固有的?yōu)點(diǎn)，必將是燃?xì)鉄崴鞯闹攸c(diǎn)發(fā)展方向。
必須指出：冷凝式熱水器的成本下降與市場(chǎng)的廣泛接受，互為因果。政策的有效扶持與引導(dǎo)，對(duì)冷凝式燃?xì)鉄崴鞯钠占巴茝V，起著至關(guān)重要的作用。
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(本文作者：熊超 秦朝葵 陳志光 詹友超 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上海 201804)