燃气热水器的节水设计与研究

张国义,刘宸硕

（后勤工程学院，重庆 401311）

0 引言

燃气热水器是城市居民普遍使用的一种对冷水进行加热利用的现代化家用设备，在我国经历了二十余年的发展，得到了城镇居民广泛应用并深受使用者喜爱。近年来随着西气东输工程的发展以及城镇管道燃气设施的普及和完善，燃气热水器的市场占有份额也一直处于稳步增长的趋势，市场潜力不容小觑。由于燃气热水器在热水阀开启后至水温达到恒定状态的过程中会不可避免地流失大量水，造成水资源的浪费，随着使用人群的日益增加，带来的浪费也与日俱增[1]。相关研究表明，全国的燃气热水器用户每年因此浪费的自来水高达数百万吨，因此有必要对燃气热水器的节水设计进行深入研究并改善其节水性能。节水型燃气热水器的研发近年来已得到重视，但仍缺少足够合理的设计方案，目前开发的热水器热力循环泵虽然可以达到节水目的，但存在造价高、能耗大等缺点，没有得到普及应用。因此家用燃气热气器在节水设计方面还有很大的改进空间。本文提供了一个新颖独创的设计思路，弥补传统节水设计的不足，顺应了燃气热水器节能减排的发展趋势，在燃气热水器节水创新领域具有一定的研究与参考价值。

1 燃气热水器工作基本原理及分析

1.1 工作原理

燃气热水器在长期的发展过程中，其型号和性能也在发生着变化，目前市场上的主流产品中性能较好的主要是强排式燃气热水器和冷凝式燃气热水器。这两种燃气热水器内部的工作原理是基本相同的[2-4]。

现在以某一品牌的热水器在淋浴时的工作过程为例说明其工作原理。

如图1所示，当打开淋浴阀时，水从冷水进口进入热水器，流经水气联动装置。在流动水的压力差作用下，水气联动阀门启动，燃气电磁阀打开，燃气进入，与此同时脉冲点火器启动点火。进入正常工作状态后，燃气燃烧产生的高温烟气对换热器进行加热，冷水流经换热器水温逐渐升高至预设温度，并由淋浴喷头或热水龙头排出供人们使用。

1.2 过程分析

上述所示即为普通燃气热水器的基本工作原理，结合实际使用经验可知：自开启淋浴阀至水温达到预设温度需要3～12S，由于不同品牌的燃气热水器点火效率差异，此时间甚至会更长。在热水器点火成功到进入正常工作状态的一段时间内，其加热效率并没有达到额定值，加上管道内部本身余留水，所以存在一部分水未经过充分加热就被排出。以自来水管DN20为例，通过试验测得水龙头正常开启状态下的水流量并进行记录，其结果如表1所示。

水管中水流量与时间的试验数据 表1

根据表1中数据可知，水龙头的平均水流量为125ml/s，如果热水器出热水需要12S，则每次使用时浪费的水量为1.5L。

2 节水设计后燃气热水器工作原理

2.1 节水设计的工作原理

节水设计在原有系统的基础上增加一个温控装置和换热水箱，通过装置内的电磁阀对水流线路进行合理的控制，使冷水达到预设温度才会排出供人们使用，并对管道余留水实现回收，从而避免了浪费[5-6]。具体原理如图2所示。

当淋浴阀处于关闭状态时，阀1、2、3、4均处于关闭状态。当打开淋浴阀时，电磁继电器通电（此处为低电压≤12V），温控装置启动，阀1打开，冷水进入，水气联动装置启动，热水器正常点火工作。当水流经温控装置时，阀1是打开状态，阀2、3、4是关闭状态，因此，未到额定温度的水通过阀1进入换热水箱。此时，燃烧器产生的高温烟气也对换热水箱进行加热；当水温到额定温度时，阀 1关闭，同时阀 2、3、4打开(阀 2为双向控制，当打开阀门后，与其相连的另一端会闭合)，经过换热器的水直接通过阀2进入淋浴管道排出热水。由于阀3、4处于打开状态，换热水箱与喷头形成连通器（换热水箱与热水器的排水管道是两条独立的管道），从而将水箱里的水排出供人使用；当淋浴完毕，关闭淋浴阀，温控装置停止工作，阀1、2、3、4均关闭，此时换热水箱变为密闭空间，其内部的水蒸汽和空气冷却后，内压变小，通过单向进气阀门可使管道里的部分水压入水箱，进一步减少了水资源的浪费。

2.2 节水工作分析与说明

由于换热水箱的容积固定，在实际使用过程中可能出现水箱容量满后水的温度仍未到达预设温度的情况，此时水将通过喷头排出，故燃气热水器的加热效率和换热水箱容积决定了节水性能。

当热水器使用完毕出现换热水箱仍存有较多的水，为避免下次换热水箱的容积不足而造成浪费，可通过手动阀将水排出并作其他用途。

3 温控装置设计

温控装置在上述节水改进的设计中起着关键作用，它是整个工作系统运行的中枢。温控装置的主要组成部分为电磁阀和温度传感器，通过合理的电路将其进行组合，达到控制内部水流线路的目的。

温控装置的内部组成如图3所示，在不同管道上安装不同类型的电磁阀，并用电路将其连接起来。入口处用一段三通管连接，在三通管的上面一端安装温度传感器。温度传感器本质上为热敏电阻，随着温度的升高热敏电阻的阻值会降低，相应电路的电流也发生变化，通过对电流的控制进而实现对整个电路的控制。电路的具体组成如图4所示。

根据设计方案的工作原理可知，阀2、3、4总处于相同状态（关闭或打开），阀1总处于相反的工作状态中，因此将这两组阀的线路分别用一个独立的电路来控制。所以，当打开淋浴阀时，电路接通，阀1也通电打开；当热水温度升高到额定值时，热敏电阻阻值降低，通过电磁继电器中线圈的电流加大，使其磁性增强并将杆吸下，此时阀1断电关闭，同时阀2、3、4打开；当关闭淋浴阀时，整个温控装置发生断电，所有的阀都处于关闭状态，停止供水。

4 换热水箱设计

4.1 换热水箱的容积

通过实验得出单位时间内淋浴喷头的平均水流量为125ml/s，从打开热水器到有热水持续流出平均需要12s的时间，此时的出水量为V=12s×125m l/s=1.5L。考虑到管道内本身滞留水对节水性能的影响及加热效率的差异，可将换热水箱的容积定为3L。

4.2 换热水箱的材料

燃气热水器在点火成功后会对换热水箱进行持续加热，所以当水箱里的水在使用中排出时，为避免干烧造成损坏，换热水箱应使用抗干烧的材料[7]。

4.3 换热水箱的形状与位置

考虑到换热水箱在使用时存在干烧的问题，可将换热水箱的排水管道底部设计为弧形，在排水过程结束后，仍会有一定高度的水滞留在水箱底部，进一步减少干烧的损害；水箱下底面高度要适当高于淋浴喷头的高度，保证水箱与喷头形成连通器将水排出；水箱形体采用“板式”，一方面有利于整个热水器的外观简约，另一方面也可以使流入水箱内部的水更容易受热。

5 结 语

综上所述，脉冲点火器的点火效率、换热器的换热效率以及整体管道系统的设计都是影响燃气热水器节能性能的重要因素。节水设计的本质是对流经换热器但未达到预设温度的水进行再加热并排出供人使用的过程。其设计思路是通过增加换热水箱并改造温控装置来改变水流路径，提高水的利用率。本设计保留了燃气热水器既有的工作系统，并在其基础上进行补充与完善，在提高燃气热水器整体工作效率方面，有待进一步的深入研究。

[1]赵志伟.燃气热水器-省水省电有妙招.现代家电[J].国家新闻出版广电总局,2011(26).

[2]刘树法,鲍俊花.燃气热水器的结构及安全使用方法[J].家电检修技术,2001(10).

[3]杨韬.燃气热水器的分类研究[J].山东机械,2004(6).

[4]谭顺民,郑利平,罗贤成.冷凝式燃气热水器的节能分析[J].煤气与热力,2003(5).

[5]蔡增基,龙天渝.流体力学泵与风机[M].北京：中国建筑工业出版社,2009.

[6]向东.燃气热水器节水节能环保改造[J].煤炭技术,2011(10).

[7]赵代英,吴穹.家用燃气热水器的风险评价研究[J].沈阳航空工业学院学报,2004(5).