家用燃氣熱水器出水管路熱損失研究

寧波方太廚具有限公司 孫 娟 夏瑞麗 謝朝東

用戶家用燃氣熱水器管路末端水溫過低的呼聲，嚴重影響了用戶的體驗效果。為了解決這一問題，本文提出了一種簡單易操作的針對于家用燃氣熱水器水管的熱損失進行研究的測試結構及測試方法，以獲得家用燃氣熱水器出水管在不同安裝環(huán)境下散熱損失的實測數(shù)據(jù)，進而根據(jù)該數(shù)據(jù)設置并改善該熱水器相關性能，進一步增加用戶使用過程的科學性指導意義，并提升用戶使用舒適性。

1 測試環(huán)境及實驗設備搭建

經(jīng)過文獻收集及查找，發(fā)現(xiàn)對管路散熱影響較大的因素包括管道及管道外保溫結構的外表面溫度、環(huán)境溫度、風向風速、表面熱發(fā)射率及保溫結構的外形尺寸。結合用戶使用環(huán)境、家用燃氣熱水器安裝條件分析后得出影響用戶家用燃氣熱水器管路末端出水溫度偏低的原因主要包括用戶管路敷設的周邊環(huán)境溫度、風向風速、管路和保溫棉材料以及用戶進水壓力。本研究重點關注產(chǎn)品為室內(nèi)型燃氣熱水器，故忽略風向風速的影響，并考慮到家裝建材市場上主流的管路及保溫材料占比較大，故對特定的一種管路及保溫材料進行測試及分析。主要從用戶出水管路周邊環(huán)境溫度、用戶管路敷設條件以及用戶進水壓力三個方面進行分析，并搭建了實驗設備。

以這三種不同裝修環(huán)境的管路為測試對象，將其置于不同環(huán)境溫度下，觀察并記錄這三種管路在不同進水流量下的散熱情況。

2 數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 測量方法

在恒溫恒濕房中正確安裝熱水器，接通2 kPa天然氣與水管。在待測管路進水口與出水口處安裝有水銀溫度計的三通，并將熱水器的出水口與待測管路三通連接。嚴格注意保證管路的密封性、無漏水現(xiàn)象，。

測量并獲得待測管路長度L及直徑D；設置房間內(nèi)溫度與濕度，等待環(huán)境參數(shù)達到所需測試環(huán)境要求；

開啟熱水器，調整水流量至所需流量V水，預熱10 min，即可開始正式的測試。在t1時刻讀取待測管路進水溫度 T1，在 t1+t(其中t=3.14159(D/2)2L1000/V水60)時刻讀取待測管路出水溫度T2，需重復采集5次數(shù)據(jù)并記錄。

2.2 實測數(shù)據(jù)處理方法

測試結束后對得到的實測數(shù)據(jù)進行如下處理：

待測管路的總散熱損失計算公式為：

待測管路的單位面積計算公式為：

待測管路的單位長度計算公式為：

式中：Q總——測試管路的總散熱損失，MJ；

c——水的比熱容，c=4.19×10－3MJ/(kg·℃)；

T2——水管的出水溫度，℃；

T1——水管的進水溫度，℃；

L——測試的水管長度，m；

D——測試的水管直徑，m；

Q面——測試管路的單位面積熱損失，MJ/m2；

Q長——測試管路的單位面積熱損失，MJ/m。

2.3 實測數(shù)據(jù)結果分析

2.3.1 不同水流量及環(huán)境的影響分析

三種不同裝修條件下的管路在不同的水流量(2.5 L/min、4 L/min、6 L/min)及不同的環(huán)境溫度下(5 ℃、25 ℃、35 ℃)的單位長度散熱損失、單位面積散熱損失及熱流密度曲線分別見圖1～3。

圖1 單位長度散熱損失

圖2 單位面積散熱損失

圖3 熱流密度

對圖1、圖2和圖3中三種不同裝修條件下的管路參數(shù)結果分析后得出以下結論：

(1)管路敷設環(huán)境：單位長度熱損失方面，裸管＞保溫棉管＞水泥管；單位面積熱損失方面，裸管＞保溫棉管＞水泥管；熱流密度方面，裸管＞保溫棉管＞水泥管；

(2)環(huán)境溫度：單位長度、面積熱損失、熱流量隨著環(huán)境溫度的降低而升高；

(3)水流量：單位長度、面積熱損失、熱流量隨著水流量的降低而升高。

2.3.2 實測結果應用

根據(jù)以上三種管路在不同的水流量(2.5 L/min、4 L/min、6 L/min)及不同的環(huán)境溫度下（5 ℃、25 ℃、35 ℃）測試所得的單位長度熱量損失，反向給出用戶的熱水器出水溫度、安裝管路長度及條件、管路出水端水溫三種數(shù)據(jù)的建議值，具體推算公式如下：

式中：L0——建議安裝的管路長度，m；

T熱——用戶熱水器設置的出水溫度，℃；

T出——用戶出水端需求的出水溫度，℃；

D——測試的水管直徑，m；

Q長——測試管路的單位面積熱損失，MJ/m。

圖4、圖5和圖6給出了不同裝修條件下，設置不同的熱水器出水溫度，獲得固定出水溫度的管路搭接長度的數(shù)據(jù)曲線。

圖4 設置溫度40 ℃，出水溫度35 ℃

圖5 設置溫度50 ℃，出水溫度35 ℃

圖6 設置溫度40 ℃，出水溫度38 ℃

根據(jù)計算所得的單位長度熱損失，可預估在不同管路的敷設環(huán)境、不同環(huán)境溫度及所用不同水流量的狀態(tài)下，用戶出水端得到的適宜的出水溫度的建議搭接管路長度；反之，也可根據(jù)用戶裝修管路長度，倒推得到用戶應設置的熱水器出水溫度；并根據(jù)用戶裝修環(huán)境給出合理的改進意見，增加用戶出水管路的保溫效果，減少管路熱損失，提高用戶使用舒適性。

2.3.3 用戶出水端出熱水等待時間

此項測試用來模擬用戶初啟熱水器，管路出水端出熱水等待時間隨不同進水流量變化的規(guī)律曲線。具體測試方法為：提前設置好水流量，接通待測管路，啟動熱水器并同時在管路出水端記錄不同時間下管路的出水溫度，測試曲線見圖7。

圖7 管路出水端出熱水等待時間隨不同進水流量變化的規(guī)律曲線

由圖 11可以看出，隨著用戶水流量的提升，用戶出水端溫度提升的速率會隨之提升，用戶出水端溫度的穩(wěn)定時間也就相應變快。

3 結語

通過以上實驗驗證及數(shù)據(jù)分析，不難得出家用燃氣熱水器用戶出水管路的裝修條件、管路的外部溫度環(huán)境以及用戶生活用水的水流量是影響用戶熱水器出水端使用舒適性的主要影響因素。為滿足用戶的舒適性要求，可以給家用燃氣熱水器生產(chǎn)廠商提出以下三點合理性建議：

(1)以測試數(shù)據(jù)為理論依據(jù)，設置水壓加壓裝置，為水壓不足或水速偏低的地區(qū)用戶，增加加壓泵減少水的散熱損失；

(2)以測試結果為依據(jù)，在說明書中為用戶提供可參考性的適宜的水溫出口位置、熱水器設置溫度；

(3)根據(jù)管路長度給出用戶建議性的出熱水等待時間。