家用燃气热水器出水管路热损失研究

宁波方太厨具有限公司 孙 娟 夏瑞丽 谢朝东

用户家用燃气热水器管路末端水温过低的呼声，严重影响了用户的体验效果。为了解决这一问题，本文提出了一种简单易操作的针对于家用燃气热水器水管的热损失进行研究的测试结构及测试方法，以获得家用燃气热水器出水管在不同安装环境下散热损失的实测数据，进而根据该数据设置并改善该热水器相关性能，进一步增加用户使用过程的科学性指导意义，并提升用户使用舒适性。

1 测试环境及实验设备搭建

经过文献收集及查找，发现对管路散热影响较大的因素包括管道及管道外保温结构的外表面温度、环境温度、风向风速、表面热发射率及保温结构的外形尺寸。结合用户使用环境、家用燃气热水器安装条件分析后得出影响用户家用燃气热水器管路末端出水温度偏低的原因主要包括用户管路敷设的周边环境温度、风向风速、管路和保温棉材料以及用户进水压力。本研究重点关注产品为室内型燃气热水器，故忽略风向风速的影响，并考虑到家装建材市场上主流的管路及保温材料占比较大，故对特定的一种管路及保温材料进行测试及分析。主要从用户出水管路周边环境温度、用户管路敷设条件以及用户进水压力三个方面进行分析，并搭建了实验设备。

以这三种不同装修环境的管路为测试对象，将其置于不同环境温度下，观察并记录这三种管路在不同进水流量下的散热情况。

2 数据处理及分析

2.1 测量方法

在恒温恒湿房中正确安装热水器，接通2 kPa天然气与水管。在待测管路进水口与出水口处安装有水银温度计的三通，并将热水器的出水口与待测管路三通连接。严格注意保证管路的密封性、无漏水现象，。

测量并获得待测管路长度L及直径D；设置房间内温度与湿度，等待环境参数达到所需测试环境要求；

开启热水器，调整水流量至所需流量V水，预热10 min，即可开始正式的测试。在t1时刻读取待测管路进水温度 T1，在 t1+t(其中t=3.14159(D/2)2L1000/V水60)时刻读取待测管路出水温度T2，需重复采集5次数据并记录。

2.2 实测数据处理方法

测试结束后对得到的实测数据进行如下处理：

待测管路的总散热损失计算公式为：

待测管路的单位面积计算公式为：

待测管路的单位长度计算公式为：

式中：Q总——测试管路的总散热损失，MJ；

c——水的比热容，c=4.19×10－3MJ/(kg·℃)；

T2——水管的出水温度，℃；

T1——水管的进水温度，℃；

L——测试的水管长度，m；

D——测试的水管直径，m；

Q面——测试管路的单位面积热损失，MJ/m2；

Q长——测试管路的单位面积热损失，MJ/m。

2.3 实测数据结果分析

2.3.1 不同水流量及环境的影响分析

三种不同装修条件下的管路在不同的水流量(2.5 L/min、4 L/min、6 L/min)及不同的环境温度下(5 ℃、25 ℃、35 ℃)的单位长度散热损失、单位面积散热损失及热流密度曲线分别见图1～3。

图1 单位长度散热损失

图2 单位面积散热损失

图3 热流密度

对图1、图2和图3中三种不同装修条件下的管路参数结果分析后得出以下结论：

(1)管路敷设环境：单位长度热损失方面，裸管＞保温棉管＞水泥管；单位面积热损失方面，裸管＞保温棉管＞水泥管；热流密度方面，裸管＞保温棉管＞水泥管；

(2)环境温度：单位长度、面积热损失、热流量随着环境温度的降低而升高；

(3)水流量：单位长度、面积热损失、热流量随着水流量的降低而升高。

2.3.2 实测结果应用

根据以上三种管路在不同的水流量(2.5 L/min、4 L/min、6 L/min)及不同的环境温度下（5 ℃、25 ℃、35 ℃）测试所得的单位长度热量损失，反向给出用户的热水器出水温度、安装管路长度及条件、管路出水端水温三种数据的建议值，具体推算公式如下：

式中：L0——建议安装的管路长度，m；

T热——用户热水器设置的出水温度，℃；

T出——用户出水端需求的出水温度，℃；

D——测试的水管直径，m；

Q长——测试管路的单位面积热损失，MJ/m。

图4、图5和图6给出了不同装修条件下，设置不同的热水器出水温度，获得固定出水温度的管路搭接长度的数据曲线。

图4 设置温度40 ℃，出水温度35 ℃

图5 设置温度50 ℃，出水温度35 ℃

图6 设置温度40 ℃，出水温度38 ℃

根据计算所得的单位长度热损失，可预估在不同管路的敷设环境、不同环境温度及所用不同水流量的状态下，用户出水端得到的适宜的出水温度的建议搭接管路长度；反之，也可根据用户装修管路长度，倒推得到用户应设置的热水器出水温度；并根据用户装修环境给出合理的改进意见，增加用户出水管路的保温效果，减少管路热损失，提高用户使用舒适性。

2.3.3 用户出水端出热水等待时间

此项测试用来模拟用户初启热水器，管路出水端出热水等待时间随不同进水流量变化的规律曲线。具体测试方法为：提前设置好水流量，接通待测管路，启动热水器并同时在管路出水端记录不同时间下管路的出水温度，测试曲线见图7。

图7 管路出水端出热水等待时间随不同进水流量变化的规律曲线

由图 11可以看出，随着用户水流量的提升，用户出水端温度提升的速率会随之提升，用户出水端温度的稳定时间也就相应变快。

3 结语

通过以上实验验证及数据分析，不难得出家用燃气热水器用户出水管路的装修条件、管路的外部温度环境以及用户生活用水的水流量是影响用户热水器出水端使用舒适性的主要影响因素。为满足用户的舒适性要求，可以给家用燃气热水器生产厂商提出以下三点合理性建议：

(1)以测试数据为理论依据，设置水压加压装置，为水压不足或水速偏低的地区用户，增加加压泵减少水的散热损失；

(2)以测试结果为依据，在说明书中为用户提供可参考性的适宜的水温出口位置、热水器设置温度；

(3)根据管路长度给出用户建议性的出热水等待时间。