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高效率家用瓦斯熱水器設計開發現況

2006/11/05 經濟部能源局 點閱人次: 1438

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■撰文:羅文斌、吳國光 ■圖片提供:工研院能環所

熱水器為家庭必備之燃燒器具,據統計,2004年全台的熱水器產量達48.5萬台,產值達14.2億元,每年累積的燃料使用量相當可觀,加上京都議定書已於2005年2月16日正式生效,各國對工業燃燒之CO2的排放量多所管制,同時對於民生用燃燒器具之CO2排放量也逐漸加以重視,例如日本已制訂相關規範,將瓦斯爐及熱水器的熱效率逐年提升,以達到CO2減量的目的。

國內外瓦斯熱水器規範

根據CNS13603的規定,家用燃氣熱水器的熱效率(Thermal Efficiency)需達到70%以上,排氣溫度必須低於260℃,意味著即使目前使用的家用燃氣熱水器已達國家標準,但仍有相當比例能量隨著煙氣排放而無法有效利用。此外中國對於家用燃氣熱水器的熱效率規範比我國嚴格,依據GB6932-2001之規定,熱水器之熱效率要達到80%以上,遠比我國所規定之70%要高上許多。日本對於家用燃氣熱水器的熱效率規定和我國相同,但日本綜合資源能源調查會於2002年做出建議,日本的家用燃氣熱水器的熱效率標準須於2006年大於83.5%,比現今標準大幅提升,亦顯示其相當重視能源的使用。

瓦斯熱水器的作用原理主要是應用燃燒後所產生的高溫氣體,經由熱交換器來進行熱交換,以達到加熱冷水的目的。熱交換器的熱傳性能主導熱水器熱效率性能表現。現今市面上的產品,其廢氣排放溫度普遍接近200℃,顯示還有許多熱量被排放至外界未被利用,故其效率還有相當的改善空間。

國內外瓦斯熱水器性能簡介

國內熱水器的設計都僅採用一次熱交換器,效率最多只能夠達到75~80%,主要原因在於排放出去的廢氣溫度不能夠低於露點溫度(Dew Point Temperature)。當廢氣溫度低於露點溫度時,所需面對的問題就是燃燒廢氣的凝結水生成,當凝結水停留在熱交換器上,會造成熱交換器的效率降低,若任其滴落於燃燒器上,則會使燃燒狀態不穩定形成不完全燃燒,存在使用上的危險。因此凝結水的收集排放也成了熱交換器成敗的關鍵技術。

從國外資料中顯示,日本已成功開發出高效率熱水器,其設計原理是將燃燒廢氣利用C型管道導入位於一次熱交換器正上方的二次熱交換器進行廢熱回收,並讓凝結水直接滴落在收集皿上將其導出,效率可提升到90%以上,但此設計使整個系統的壓降大幅增加,必須提高風扇的功率而增加電力消耗。

實驗方法

工研院能環所產業節能技術組研究團隊先建立了一套熱水器熱效率以及壓降模擬估算模式,利用此估算模式設計二次熱交換器。分析高溫廢氣通過二次熱交換器之狀況,將原先廢氣溫度由200℃降至60℃以下,以達廢熱回收之目的;熱交換器的熱傳性能分析是採用熱損失法,透過程式的估算分析出適當的熱交換器幾何尺寸,並求出煙氣及水的出口溫度及計算出熱效率。

該設計最主要特色是在不改變原有流場特性下,直接安裝於原有熱水器上,以提高熱水器之熱效率,利用重力並配合破壞水的表面粗糙度之原理,讓水氣在剛形成凝結水時,受重力的影響而朝向預設集水水道集中排放。同時隨機選用市售強制進氣、自然進氣與強制排氣不同款式之熱水器,針對各款式熱水器設計出專屬二次熱交換器並進行改裝,並將此改良後之熱水器送至具有國家實驗室認證(CNLA認可編號:1009)之財團法人台灣燃氣器具研發中心(簡稱燃氣中心),進行熱水器最大消耗量之熱效率與煙氣排放測試,測試依據為CNS13603及CNS13605所規定之量測方法。

其中改良後市售A牌強制進氣熱水器(ITRI-ERL-D100-2)與市售B牌自然進氣熱水器(ITRI-ERL-D100-3),送往燃氣中心測試結果如表1及表2所列,市售C牌強制排熱水器(ITRI-ERL-D100-5)則由工研院之實驗室自行驗證,測試結果如表3所列。該資料也與性能分析模擬程式熱效率數據分析比較(見表4),誤差值均在3%以內。

結論

該研究證實運用工程方法來先行估算所設計之熱交換器性能表現,誤差均在3%之內,其精確性可獲得肯定,可協助設計者在短時間內得到結果,而其二次熱交換器的特殊處理,即可有效解決凝結水排放的問題;並可應用於強制進氣型、自然進氣與強制排氣型熱水器,在不需變更燃燒器及風扇設計的條件下,將廢熱回收利用,使熱效率大幅向上提升。在目前能源價格高漲的趨勢下,不僅節省了能源的浪費,延續能源的使用壽命與減少CO2的生成,並省下消費者的能源費用開支;若能成功推廣該設計,可在消費者與業者之間創造雙贏的局面。(作者為工研院能環所產業節能技術組研究員與副研究員)


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