高寒地區(qū)燃氣熱水器防凍研究

摘 要

摘要：分析了燃氣熱水器凍裂原因以及氣候環(huán)境對燃氣熱水器工作的影響，指出了當前熱水器防凍措施的不足之處，通過試驗確定了防凍的主要影響因素，提出了防凍措施。關鍵詞：防凍；燃氣熱
摘要：分析了燃氣熱水器凍裂原因以及氣候環(huán)境對燃氣熱水器工作的影響，指出了當前熱水器防凍措施的不足之處，通過試驗確定了防凍的主要影響因素，提出了防凍措施。
關鍵詞：防凍；燃氣熱水器；防倒風；電加熱
Research on Frost Resistance of Gas Water Heater in Extremely Cold Area
YANG Yongtao，YI Hongbin
Abstract：The reasons for frost crack of gas water heater as well as the influence of climatic environment on operation of gas water heater are analyzed.The shortcomings of current frost resistance measures of gas water heater are pointed out.The main factors for influencing frost resistance are determined through experiments，and some frost resistance measures are put forward.
Key words：frost resistance；gas water heater；anti-downdraught；electric heating
1 寒冷地區(qū)燃氣熱水器凍裂損壞的現(xiàn)狀
    燃氣熱水器水管被凍裂已是多年來困擾產(chǎn)品在北方市場擴大銷售的問題。當寒潮到來時，全國每年約有2.5×104臺熱水器被凍裂。如果凍裂時家里沒有人，不僅浪費大量的水，而且會泡壞地板，甚至殃及樓下的居民，給用戶及廠家?guī)砗艽蠼?jīng)濟損失。
2 燃氣熱水器被凍裂的原因
    當安裝燃氣熱水器水路時，一般都在其進水和出水端分別安裝一個進水閥和出水閥，用戶在使用過程中習慣性地只開關出水閥，而進水閥常開，這就使熱水器在結(jié)束使用后水管中存在積水，而水結(jié)冰將水管脹裂。本文的試驗方案都是基于進水閥打開、出水閥關閉這種用戶最常見的習慣上進行的，造成燃氣熱水器降溫有熱對流和熱傳導兩種方式。
    熱水器一般安裝在室內(nèi)(戶外機除外)，高寒地區(qū)的冬天，室內(nèi)外溫差大，有時溫差可以達到50℃以上(室內(nèi)約20℃，室外約-30℃)，即使室外無風，由于室內(nèi)外空氣的溫度差，形成氣壓差，室外氣壓高于室內(nèi)氣壓，使室外冷空氣通過煙管向室內(nèi)的熱水器流動，產(chǎn)生熱對流，致使熱水器內(nèi)部各零部件產(chǎn)生不同程度的降溫。對流降溫的產(chǎn)生，另一方面是熱水器的煙管受寒冷氣流沖擊形成倒灌風。有些燃氣熱水器煙管出口安裝在迎風一側(cè)，更加劇其溫度急降。當熱水器水管中的水為充滿狀態(tài)并在0℃以下時，造成水管凍裂的可能性就大大增加。
    高寒地區(qū)的居民住宅門窗的封閉非常嚴密，但室內(nèi)外仍有氣流流動。筆者曾在大慶市沿湖城住宅小區(qū)的用戶房間里進行了測試。該住宅小區(qū)在薩爾圖區(qū)，“薩爾圖”意即“大風的地方”，住戶家里的墻一面是迎風，另一面是背風，均測得有氣流向房間里流動。在某次測試中，在迎風面測得室外對室內(nèi)的壓力差為55～93Pa；背風面測得室外對室內(nèi)的壓力差為21～23Pa。這就意味著只要室外氣溫低于室內(nèi)氣溫，室外冷空氣都會通過熱水器煙管流向熱水器內(nèi)部，造成熱水器水管降溫甚至凍裂。
    熱傳導的產(chǎn)生，一方面是熱水器安裝在室內(nèi)沒有供暖或供暖不足的位置，例如供暖不足或陰面的陽臺，我們稱為“冷陽臺”，該處溫度常低于0℃；另一方面，煙管一般為金屬材料，可通過管壁從室內(nèi)向室外傳遞熱量。這兩種情況都使熱水器降溫。
    燃氣熱水器凍裂部位絕大部分在左彎管和右彎管部位，其加工過程中由于拉伸變形造成彎曲處材料壁厚變薄，厚度往往還不到0.3mm，因而該處最脆弱，最易凍裂。
3 高寒地區(qū)燃氣熱水器防凍研究
3.1 當前熱水器防凍措施及其不足
    當前熱水器防凍措施除了將熱水器安裝在室內(nèi)暖環(huán)境外，還有防倒風裝置和電加熱裝置，對抗風防凍起到較好作用；有些僅有防倒風裝置而沒有電加熱裝置。而這兩種措施還有很多不足之處。
    ① 防倒風裝置很難做到在倒風時絕對密封，多少還有一些漏氣；熱水器很多裝在廚房，廚房中的油煙經(jīng)過一段時間后會在防倒風裝置上積油漬，影響防倒風結(jié)構(gòu)的復位，使防倒風片處于打開狀態(tài)，使室外氣流進入熱水器內(nèi)部。
    ② 電加熱分布不均勻也會造成凍裂。電加熱裝置的加熱管一般有1節(jié)長管(熱功率約60～70W)和2～3節(jié)短管(熱功率每節(jié)約10W)。長管裝在水箱前面盤管上方，短管分別裝在距出口端和進口端約30cm的位置上，感溫探頭裝在最易降溫的部位如左彎管處。通電后，當感溫探頭為4℃時啟動加熱，8℃時停止加熱(各廠家啟停溫度略有不同)。加熱管的這種布置往往受熱不均，會造成加熱管特別是長管所在位置溫度過高(可達60℃以上)，而左、右彎管及水箱后面的盤管因離加熱管較遠未能受熱，也可能會使其結(jié)冰。
3.2 試驗方案
    為了研究在不同室外溫度、熱水器不同安裝位置(冷陽臺、廚房)、不同倒風速度、不同防倒風裝置、電加熱不同安裝方式下熱水器內(nèi)部各關鍵點的溫度變化，特做以下方案進行測試及分析。
3.2.1影響熱水器溫度變化的因素
   ① 防倒風裝置
   本次試驗采用市場上常見的3種防倒風裝置，將其編號為防倒風1、防倒風2、防倒風3，無倒風裝置編號為防倒風0，共4款。
    防倒風1：正向(煙氣排放方向)阻力小，反向(倒風方向)漏風量較大。
    防倒風2：正向阻力小，反向漏風量較小。
    防倒風3：正向阻力較大，反向幾乎不漏風。
    ② 電加熱安裝方式
    本試驗采用兩種電加熱安裝方式：安裝方式1為目前熱水器上常采用的方式，長加熱管裝在水箱前面盤管上方，兩節(jié)短管分別裝在距出口端和進口端約30cm的位置上；安裝方式2在方式1基礎上，在水箱的盤管后位置增加一節(jié)短加熱管。
   ③ 熱水器安裝位置
   熱水器安裝位置基本有兩種情況，有供暖和無供暖的地方，因此選擇廚房和冷陽臺，廚房的溫度一般為13～20℃，冷陽臺溫度一般為-6～0℃。
   ④ 室外風速
   為了試驗方便，采用調(diào)速風機，從室外向室內(nèi)鼓風，風速為0、5、10m/s。
   ⑤ 煙管的材料
   為了獲取煙管的熱傳導對熱水器溫度變化的影響程度，采用原煙管(金屬管)和隔熱管(硬紙筒)兩種材料作比較。
3.2.2熱水器溫度測點布置
    圖1為溫度測點，此外，還有室外溫度和熱水器周圍溫度(廚房、冷陽臺)，其中左彎水溫、進水溫、出水溫采用在水管上鉆孔將溫度探頭伸進管中測水溫形式，其余各點則測水管外壁。

3.3 試驗結(jié)果
    試驗共進行了29組，由于篇幅所限，只選取其中有代表性的試驗結(jié)果進行分析。
3.3.1無風、無電加熱狀態(tài)
    表1為無風、無電加熱、冷陽臺條件下測點溫度。室外平均溫度有所差異，造成試驗結(jié)果略有不同，但差別不大。以表1中防倒風0和防倒風3兩組試驗作對比，當室外平均溫度分別為-14.3℃和-15.7℃時，冷陽臺的結(jié)束溫度分別為-1.7℃和-2.1℃，而測得左彎管壁的溫度分別為-0.2℃和-0.7℃，其余各相同測點溫度相差也很小(在1℃以內(nèi))。防倒風1和防倒風2兩組試驗是在室外溫度分別為-20.8℃和-23℃時進行的，其試驗結(jié)束時相同測點的溫度相差也很小(在1℃以內(nèi))。
    表2為無風、無電加熱、廚房條件下測試點溫度，與廚房溫度關系密切，與防倒風裝置關系不大。
    可見，影響熱水器內(nèi)部各點溫度的因素主要是其周圍環(huán)境溫度，即冷陽臺或廚房溫度，防倒風裝置的形式在無風條件下影響很小。因此熱水器應安裝在室內(nèi)有供暖的地方。
表1 無風、無電加熱、冷陽臺條件下測點溫度    ℃
試驗項目
試驗時間/h
測溫時勿
左彎管壁
右彎管壁
盤管前
盤管后
左彎水溫
進水溫
出水溫
泄壓閥
冷陽臺
室外平均
防倒風0
5
初始
4.4
4.3
4.1
3.7
3.8
3.3
2.3
2.0
2.0
-14.3
結(jié)束
-O.2
-O.3
-0.4
-0.7
-0.9
-1.5
-1.5
-1.7
-1.7
防倒風1
5
初始
4.2
3.9
3.8
3.5
3.3
2.8
1.0
0.8
0.3
-20.8
結(jié)束
-2.4
-2.7
-2.7
-3.O
-3.2
-1.9
-4.3
-4.6
-4.6
防倒風2
5
初始
3.6
4.2
4.0
3.8
3.8
2.8
1.7
1.4
-1.4
-23.0
結(jié)束
-2.4
-2.4
-2.5
-2.8
-3.0
-2.2
-4.1
-5.0
-5.0
防倒風3
5
初始
5.4
5.2
5.0
4.9
5.1
4.6
3.0
2.4
-0.1
-15.7
 
結(jié)束
-0.7
-0.8
-0.9
-1.0
-1.1
-1.2
-2.3
-2.6
-2.1
表2 無風、無電加熱、廚房條件下測點溫度    ℃
試驗項目
試驗時間/h
測溫時刻
左彎管壁
右彎管壁
盤管前
盤管后
左彎水溫
進水溫
出水溫
泄壓閥
廚房
室外平均
防倒風0
11
初始
11.3
11.5
10.9
11.0
10.9
10.1
11.2
11.6
13.8
-19.6
結(jié)束
12.8
12.7
12.5
12.5
12.1
10.9
11.4
11.4
12.5
防倒風1
11
初始
12.3
12.3
12.3
12.1
12.1
12.3
12.5
12.4
11.4
-16.4
結(jié)束
14.0
14.0
13.9
13.8
13.8
13.1
13.1
13.2
12.0
防倒風2
11
初始
13.0
13.2
13.2
12.9
12.0
12.2
14.1
13.7
15.5
-17.8
結(jié)束
13.3
13.3
13.3
13.2
13.3
13.1
12.8
12.7
12.7
3.3.2有風、無電加熱、廚房狀態(tài)
    本試驗在廚房、室外風速為10m/s條件下，各防倒風裝置作用下進行比較，表3為有風、無電加熱、廚房條件下測點溫度。
由于各防倒風裝置的反向漏風量不同，從表3可以看出，影響熱水器內(nèi)部降溫的主要因素是防倒風裝置反向的漏風量和熱水器周圍溫度。漏風量越少，其抗凍能力越強，如采用防倒風3的裝置，經(jīng)過10h的吹風，熱水器內(nèi)各點的溫度與廚房溫度相差很微小；而防倒風1的裝置，0.5h后熱水器內(nèi)就有低于0℃的點；防倒風0由于沒有防倒風裝置，更加快熱水器內(nèi)部的降溫，5min后就有部分點出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象；溫度最低的部位在盤管后位置，其次為右彎管壁。
表3 有風、無電加熱、廚房條件下測點溫度    ℃
試驗項目
試驗時間/h
測溫時刻
左彎管壁
右彎管壁
盤管前
盤管后
左彎水溫
進水溫
出水溫
泄壓閥
廚房
室外平均
防倒風0
0.5
初始
10.4
10.8
10.7
10.7
10.2
9.5
10.7
11.3
10.0
-18.0
0.5h
-2.1
-2.8
-2.3
-8.2
-2.6
-1.8
-O.7
1.9
7.3
防倒風1
0.5
初始
8.3
7.4
7.4
6.6
8.2
8.4
8.9
8.7
11.5
-13.8
0.5h
-0.7
-0.3
0.2
-1.6
0.0
3.7
5.9
7.6
11.3
防倒風2
2.0
初始
9.8
10.3
9.2
8.3
9.0
9.2
8.6
9.6
12.7
-16.0
0.5h
2.0
3.O
2.9
1.7
3.3
7.5
8.2
9.5
13.0
1.0h
0.6
1.5
1.2
0.1
1.6
4.6
6.8
8.6
13.0
1.5h
-0.5
0.5
0.2
-0.9
0.9
3.1
5.8
7.7
11.6
2.0h
-0.7
0.3
-0.1
-1.1
0.7
2.4
5.5
7.6
11.6
防倒風3
10.0
初始
10.1
10.2
9.7
9.4
9.9
8.7
8.7
9.9
11.5
-16.4
0.5h
10.5
10.6
10.4
10.O
10.5
8.8
9.4
10.5
11.7
1.0h
11.O
11.1
11.0
10.8
11.0
9.8
10.3
11.2
11.7
1.5h
11.4
11.5
11.4
11.1
12.5
10.5
10.8
11.5
11.6
2.0h
11,8
11.8
11.8
11.5
12.8
11.3
11.2
11.8
11.7
10.0h
13.1
13.1
13.1
12.8
13.O
13.4
13.3
13.4
13.6
3.3.3電加熱、冷陽臺狀態(tài)
本試驗在冷陽臺、不裝防倒風、室外進風為5m/s條件下，比較電加熱管安裝方式1和安裝方式2的試驗結(jié)果，以分析電加熱管安裝位置均勻性對防凍的作用，表4為電加熱、冷陽臺條件下測點溫度。試驗的冷陽臺是與廚房連通的，當廚房門打開時，冷陽臺的初始溫度會短暫升高(例如表4中第2組試驗的冷陽臺初始溫度為11.0℃)，但試驗開始后會關閉廚房門，使試驗條件一致。
安裝方式1的試驗結(jié)束時，由于加熱分配不均，長加熱管位置(盤管前)的溫度較高(40℃以上)，而右彎管壁和盤管后的溫度分別為-2.0℃和-7.4℃，這表明加熱管的加熱范圍不寬，電加熱管安裝位置均勻性差也有可能造成熱水器部分未受加熱的水管發(fā)生凍裂現(xiàn)象。安裝方式2經(jīng)2 h試驗后，盤管后和右彎管壁溫度高于0℃，其余各測試點也均高于0℃，使熱水器水管免受凍裂。如果將長加熱管分成多節(jié)，分別安裝到前、后盤管和左、右彎管壁，不用增加電加熱管的熱功率，就能更好地起到防凍效果。
表4 電加熱、冷陽臺條件下測點溫度    ℃
試驗項目
試驗時間/h
測溫時刻
左彎管壁
右彎管壁
盤管前
盤管后
左彎水溫
進水溫
出水溫
泄壓閥
冷陽臺
室外
電加熱管安裝力式1
2
初始
5.5
4.8
9.4
5.4
1.1
14.2
3.3
3.2
0.0
-13.7
1h
3.3
-1.8
42.O
-6.8
3.8
8.9
6.1
1.9
-1.8
-17.4
2h
2.6
-2.0
41.4
-7.4
1.6
8.O
4.8
0.7
-2.6
-18.0
電加熱管安裝方式2
2
初始
8.9
9.1
9.4
9.3
9.7
9.3
2.5
8.0
11.0
-9.5
1h
6.8
6.6
46.7
5.6
5.1
23.0
2.0
0.3
-1.3
-13.9
2h
6.6
5.7
46.0
5.7
4.4
22.4
2.O
0.1
-1.6
-14.1
3.3.4金屬煙管與隔熱煙管的傳熱比較
    本試驗在冷陽臺、無風狀態(tài)、裝防倒風3的組合形式下進行，對比兩種材質(zhì)煙管的傳熱效果，表5為金屬煙管與隔熱煙管條件下測點溫度。試驗表明，兩種組合方式經(jīng)1.5h試驗，相同時間內(nèi)各相同測點溫度相差很小，室外溫度通過煙管傳熱作用對熱水器內(nèi)部影響不明顯，而與冷陽臺溫度關系比較密切，在其周圍溫度影響下，熱水器內(nèi)部各點不斷降溫。
4 防凍辦法
    ① 燃氣熱水器應安裝在室內(nèi)(戶外機除外)，且裝在室內(nèi)溫度高于10℃以上的地方。
    ② 熱水器不工作時，若室外溫度低于0℃，要關閉進水閥，卸下泄壓閥進行排水，當水管中排空水后，裝上泄壓閥，此法可徹底保證熱水器免受凍裂。
    ③ 熱水器安裝時煙管伸出方向應避開常年較大自然風的來向，盡量安裝在風的背向。
    ④ 防倒風裝置要求在10m/s風速的條件下，反向的漏風量接近0，正向阻力不應影響熱水器的正常使用，并能滿足燃氣熱水器國家標準的相關要求；防倒風裝置要定時取出檢查，清理其上污物，防止防倒風片不復位。
表5 金屬煙管與隔熱煙管條件下測點溫度    ℃
試驗項目
試驗時間/h
測溫時刻
左彎管壁
右彎管壁
盤管前
盤管后
出水溫
進水溫
左彎水溫
冷陽臺
室外
金屬煙管
1.5
初始
4.2
3.9
3.8
3.5
1.0
2.8
3.3
-2.8
-18.5
0.5h
2.3
2.1
2.0
1.7
-1.2
0.5
1.3
-3.5
-19.9
1.0h
1.0
0.8
0.7
0.6
-2.0
-0.9
0.1
-3.7
-20.0
1.5 h
-0.1
-0.3
-0.4
-0.7
-2.7
-1.8
-1.0
-4.2
-19.8
硬紙筒煙管
1.5
初始
4.4
4.2
3.9
3.9
-0.2
3.6
2.0
-3.5
-15.0
0.5h
2.5
3.3
2.1
2.0
-1.2
1.7
0.5
-3.6
-14.0
1.0h
1.0
0.9
0.6
0.5
-2.6
0.3
-0.8
-3.7
-14.2
1.5h
-0.2
-0.3
-0.5
-O.7
-3.1
-0.8
-1.5
-3.8
-14.3
    ⑤ 電加熱管的設計及安裝必須增加盤管后水管的加熱措施，條件允許時，還可增加左右彎管的加熱措施；可以將長加熱管平均分解成兩節(jié)或多節(jié)，分別安裝在盤管前、后以及左、右彎管壁位置；有水氣聯(lián)動閥的熱水器，其水閥部位也應防凍加熱，因為含水量越多的部位越易結(jié)冰脹裂。
    ⑥ 泄壓閥在目前的熱水器使用中不能自動泄壓排水，只能擰松放水，因而用戶會感到麻煩而干脆不放水，造成水管凍裂。如果保留泄壓閥，則應在其附近安裝排水開關，以便于用戶操作。
    ⑦ 平衡式熱水器的進空氣管與室外常通，易造成室外冷風入侵熱水器內(nèi)部使熱水器水管凍裂。因此應參照戶外熱水器的防凍措施。
    ⑧ 熱水器水管最易凍裂的部位在彎曲變形最大的管路上，由于彎曲處在加工時被拉伸變薄，該處最脆弱，最易脹裂，燃氣熱水器99%以上的凍裂部位都在左、右彎管處，應改進加工工藝，保證該處的厚度與其他部位一致。
    ⑨ 如果無法改變用戶在使用過程中習慣性只開關出水閥，而進水閥常開的情況，防凍措施除了防倒風和電加熱之外，還可以采用電控裝置，通過控制使熱水器在停止使用后自動排空其中積水；采用熱敏材料制作的低溫自動排水閥，當熱水器內(nèi)溫度接近0℃時向外自動排去冷水，補充熱水，使水管升溫。
    ⑩ 在黃河以北銷售熱水器時要推薦使用強排熱水器并強制性安裝電加熱管，禁用煙道式熱水器(因無法給電加熱管供電)。在長江流域，冬天沒有供暖的區(qū)域，熱水器中有用市電的要加裝電加熱及防倒風裝置，沒有用市電的可采用防倒風裝置加低溫自動排水閥防凍方式。
5 結(jié)語
    寒冷地區(qū)的燃氣熱水器因冷凍而損壞是一個老大難問題，-15℃以下是熱水器凍裂率較高的溫度。我國冬天較長時間處在-15℃以下的高寒地區(qū)有黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、新疆、西藏等地，燃氣熱水器的防凍問題就顯得特別重要。另外在我國的中部和中南部，冬天很多地方?jīng)]有供暖，造成熱水器周圍溫度很低，一旦出現(xiàn)溫度急劇下降，如2008年初南方的雨雪冰凍，熱水器凍壞的情況大大增加，因此這些區(qū)域也應采取相關的防凍措施。
 
(本文作者：楊涌濤 易洪斌 中山華帝燃具股份有限公司 廣東中山 528415)