張國義,劉宸碩

（后勤工程學(xué)院，重慶 401311）

0 引言

燃氣熱水器是城市居民普遍使用的一種對冷水進行加熱利用的現(xiàn)代化家用設(shè)備，在我國經(jīng)歷了二十余年的發(fā)展，得到了城鎮(zhèn)居民廣泛應(yīng)用并深受使用者喜愛。近年來隨著西氣東輸工程的發(fā)展以及城鎮(zhèn)管道燃氣設(shè)施的普及和完善，燃氣熱水器的市場占有份額也一直處于穩(wěn)步增長的趨勢，市場潛力不容小覷。由于燃氣熱水器在熱水閥開啟后至水溫達到恒定狀態(tài)的過程中會不可避免地流失大量水，造成水資源的浪費，隨著使用人群的日益增加，帶來的浪費也與日俱增[1]。相關(guān)研究表明，全國的燃氣熱水器用戶每年因此浪費的自來水高達數(shù)百萬噸，因此有必要對燃氣熱水器的節(jié)水設(shè)計進行深入研究并改善其節(jié)水性能。節(jié)水型燃氣熱水器的研發(fā)近年來已得到重視，但仍缺少足夠合理的設(shè)計方案，目前開發(fā)的熱水器熱力循環(huán)泵雖然可以達到節(jié)水目的，但存在造價高、能耗大等缺點，沒有得到普及應(yīng)用。因此家用燃氣熱氣器在節(jié)水設(shè)計方面還有很大的改進空間。本文提供了一個新穎獨創(chuàng)的設(shè)計思路，彌補傳統(tǒng)節(jié)水設(shè)計的不足，順應(yīng)了燃氣熱水器節(jié)能減排的發(fā)展趨勢，在燃氣熱水器節(jié)水創(chuàng)新領(lǐng)域具有一定的研究與參考價值。

1 燃氣熱水器工作基本原理及分析

1.1 工作原理

燃氣熱水器在長期的發(fā)展過程中，其型號和性能也在發(fā)生著變化，目前市場上的主流產(chǎn)品中性能較好的主要是強排式燃氣熱水器和冷凝式燃氣熱水器。這兩種燃氣熱水器內(nèi)部的工作原理是基本相同的[2-4]。

現(xiàn)在以某一品牌的熱水器在淋浴時的工作過程為例說明其工作原理。

如圖1所示，當(dāng)打開淋浴閥時，水從冷水進口進入熱水器，流經(jīng)水氣聯(lián)動裝置。在流動水的壓力差作用下，水氣聯(lián)動閥門啟動，燃氣電磁閥打開，燃氣進入，與此同時脈沖點火器啟動點火。進入正常工作狀態(tài)后，燃氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱Q熱器進行加熱，冷水流經(jīng)換熱器水溫逐漸升高至預(yù)設(shè)溫度，并由淋浴噴頭或熱水龍頭排出供人們使用。

1.2 過程分析

上述所示即為普通燃氣熱水器的基本工作原理，結(jié)合實際使用經(jīng)驗可知：自開啟淋浴閥至水溫達到預(yù)設(shè)溫度需要3～12S，由于不同品牌的燃氣熱水器點火效率差異，此時間甚至?xí)L。在熱水器點火成功到進入正常工作狀態(tài)的一段時間內(nèi)，其加熱效率并沒有達到額定值，加上管道內(nèi)部本身余留水，所以存在一部分水未經(jīng)過充分加熱就被排出。以自來水管DN20為例，通過試驗測得水龍頭正常開啟狀態(tài)下的水流量并進行記錄，其結(jié)果如表1所示。

水管中水流量與時間的試驗數(shù)據(jù) 表1

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，水龍頭的平均水流量為125ml/s，如果熱水器出熱水需要12S，則每次使用時浪費的水量為1.5L。

2 節(jié)水設(shè)計后燃氣熱水器工作原理

2.1 節(jié)水設(shè)計的工作原理

節(jié)水設(shè)計在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個溫控裝置和換熱水箱，通過裝置內(nèi)的電磁閥對水流線路進行合理的控制，使冷水達到預(yù)設(shè)溫度才會排出供人們使用，并對管道余留水實現(xiàn)回收，從而避免了浪費[5-6]。具體原理如圖2所示。

當(dāng)淋浴閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，閥1、2、3、4均處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)打開淋浴閥時，電磁繼電器通電（此處為低電壓≤12V），溫控裝置啟動，閥1打開，冷水進入，水氣聯(lián)動裝置啟動，熱水器正常點火工作。當(dāng)水流經(jīng)溫控裝置時，閥1是打開狀態(tài)，閥2、3、4是關(guān)閉狀態(tài)，因此，未到額定溫度的水通過閥1進入換熱水箱。此時，燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖矊Q熱水箱進行加熱；當(dāng)水溫到額定溫度時，閥 1關(guān)閉，同時閥 2、3、4打開(閥 2為雙向控制，當(dāng)打開閥門后，與其相連的另一端會閉合)，經(jīng)過換熱器的水直接通過閥2進入淋浴管道排出熱水。由于閥3、4處于打開狀態(tài)，換熱水箱與噴頭形成連通器（換熱水箱與熱水器的排水管道是兩條獨立的管道），從而將水箱里的水排出供人使用；當(dāng)淋浴完畢，關(guān)閉淋浴閥，溫控裝置停止工作，閥1、2、3、4均關(guān)閉，此時換熱水箱變?yōu)槊荛]空間，其內(nèi)部的水蒸汽和空氣冷卻后，內(nèi)壓變小，通過單向進氣閥門可使管道里的部分水壓入水箱，進一步減少了水資源的浪費。

2.2 節(jié)水工作分析與說明

由于換熱水箱的容積固定，在實際使用過程中可能出現(xiàn)水箱容量滿后水的溫度仍未到達預(yù)設(shè)溫度的情況，此時水將通過噴頭排出，故燃氣熱水器的加熱效率和換熱水箱容積決定了節(jié)水性能。

當(dāng)熱水器使用完畢出現(xiàn)換熱水箱仍存有較多的水，為避免下次換熱水箱的容積不足而造成浪費，可通過手動閥將水排出并作其他用途。

3 溫控裝置設(shè)計

溫控裝置在上述節(jié)水改進的設(shè)計中起著關(guān)鍵作用，它是整個工作系統(tǒng)運行的中樞。溫控裝置的主要組成部分為電磁閥和溫度傳感器，通過合理的電路將其進行組合，達到控制內(nèi)部水流線路的目的。

溫控裝置的內(nèi)部組成如圖3所示，在不同管道上安裝不同類型的電磁閥，并用電路將其連接起來。入口處用一段三通管連接，在三通管的上面一端安裝溫度傳感器。溫度傳感器本質(zhì)上為熱敏電阻，隨著溫度的升高熱敏電阻的阻值會降低，相應(yīng)電路的電流也發(fā)生變化，通過對電流的控制進而實現(xiàn)對整個電路的控制。電路的具體組成如圖4所示。

根據(jù)設(shè)計方案的工作原理可知，閥2、3、4總處于相同狀態(tài)（關(guān)閉或打開），閥1總處于相反的工作狀態(tài)中，因此將這兩組閥的線路分別用一個獨立的電路來控制。所以，當(dāng)打開淋浴閥時，電路接通，閥1也通電打開；當(dāng)熱水溫度升高到額定值時，熱敏電阻阻值降低，通過電磁繼電器中線圈的電流加大，使其磁性增強并將桿吸下，此時閥1斷電關(guān)閉，同時閥2、3、4打開；當(dāng)關(guān)閉淋浴閥時，整個溫控裝置發(fā)生斷電，所有的閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，停止供水。

4 換熱水箱設(shè)計

4.1 換熱水箱的容積

通過實驗得出單位時間內(nèi)淋浴噴頭的平均水流量為125ml/s，從打開熱水器到有熱水持續(xù)流出平均需要12s的時間，此時的出水量為V=12s×125m l/s=1.5L?？紤]到管道內(nèi)本身滯留水對節(jié)水性能的影響及加熱效率的差異，可將換熱水箱的容積定為3L。

4.2 換熱水箱的材料

燃氣熱水器在點火成功后會對換熱水箱進行持續(xù)加熱，所以當(dāng)水箱里的水在使用中排出時，為避免干燒造成損壞，換熱水箱應(yīng)使用抗干燒的材料[7]。

4.3 換熱水箱的形狀與位置

考慮到換熱水箱在使用時存在干燒的問題，可將換熱水箱的排水管道底部設(shè)計為弧形，在排水過程結(jié)束后，仍會有一定高度的水滯留在水箱底部，進一步減少干燒的損害；水箱下底面高度要適當(dāng)高于淋浴噴頭的高度，保證水箱與噴頭形成連通器將水排出；水箱形體采用“板式”，一方面有利于整個熱水器的外觀簡約，另一方面也可以使流入水箱內(nèi)部的水更容易受熱。

5 結(jié) 語

綜上所述，脈沖點火器的點火效率、換熱器的換熱效率以及整體管道系統(tǒng)的設(shè)計都是影響燃氣熱水器節(jié)能性能的重要因素。節(jié)水設(shè)計的本質(zhì)是對流經(jīng)換熱器但未達到預(yù)設(shè)溫度的水進行再加熱并排出供人使用的過程。其設(shè)計思路是通過增加換熱水箱并改造溫控裝置來改變水流路徑，提高水的利用率。本設(shè)計保留了燃氣熱水器既有的工作系統(tǒng)，并在其基礎(chǔ)上進行補充與完善，在提高燃氣熱水器整體工作效率方面，有待進一步的深入研究。

[1]趙志偉.燃氣熱水器-省水省電有妙招.現(xiàn)代家電[J].國家新聞出版廣電總局,2011(26).

[2]劉樹法,鮑俊花.燃氣熱水器的結(jié)構(gòu)及安全使用方法[J].家電檢修技術(shù),2001(10).

[3]楊韜.燃氣熱水器的分類研究[J].山東機械,2004(6).

[4]譚順民,鄭利平,羅賢成.冷凝式燃氣熱水器的節(jié)能分析[J].煤氣與熱力,2003(5).

[5]蔡增基,龍?zhí)煊?流體力學(xué)泵與風(fēng)機[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[6]向東.燃氣熱水器節(jié)水節(jié)能環(huán)保改造[J].煤炭技術(shù),2011(10).

[7]趙代英,吳穹.家用燃氣熱水器的風(fēng)險評價研究[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2004(5).