一、引言
    隨著社會經濟建設的發展、人民生活水平的提高和農村城鎮化進程的加快，人們生活中對熱水用量的需求越來越多。生活用熱水消耗的能源在普通居民的能耗中的占比越來越大，燃氣熱水器的節能問題日益受到人們的重視，怎樣提高燃氣熱水器熱效率成為當前燃氣熱水器行業的一個重要課題。

二、機械式強排燃氣熱水器結構特點介紹
    機械式強排燃氣熱水器屬于強排式燃氣熱水器的一種，其主要特點就是風機位于機器的上端，采用抽風的形式獲取參與燃燒的氧氣。空燃比控制方式多為機械式，也有電子式的。本文主要介紹機械式控制的機型，其燃氣氣路系統由如下幾部分組成：氣閥體（含氣閥芯）、分配器（含噴嘴）、燃燒器。燃氣流量的大小是通過氣閥芯來調節，風機風速多為單一轉速，兩者無法實現聯動。即不論機器是在全負荷狀態下還是在半負荷狀態下，風速都是一樣的，為燃燒所提供的空氣都是一樣多。這樣在半負荷狀態下就會有太多的過剩空氣，多余的過剩空氣會帶走太多的熱量，因而半負荷的熱效率不會太高。

三、影響熱效率的關鍵因素
    影響燃氣熱水器熱效率的因素有很多，核心因素就是熱交換器本身的熱交換能力，其他比如過剩空氣的匹配，減少熱量損失等等，這些因素之間相互關聯，互相制約。同時對燃燒性能有較大影響。
1. 首先來看核心因素：
    燃氣熱水器熱交換器換熱由兩部分組成，一部分為煙氣流經肋片管的對流換熱（約占總換熱量的80%），另一部分為燃燒室高溫煙氣向燃燒室壁面的輻射換熱（約占總換熱量的20%）。
    1.1下面我們來探討第一部分：煙氣流經肋片管的對流換熱。
    高溫煙氣流經肋片管時，肋片如果不加擾流沖花或者沖花位置不當，就會造成高溫煙氣直接被風機抽走，只有直管下半部因阻擋到高溫煙氣的而產生強烈的對流換熱，而直管的上半部分因為接觸不到高溫煙氣，從而進行對流換熱的效果不好，這樣煙氣流經肋片管的對流換熱就會大打折扣，從而熱效率較低。
    根據此種情況，更換另外一種肋片，此肋片增加了擾流沖花，改變高溫煙氣走向，使其能繞到直管的上半部分，從而增加了直管上半部分的對流換熱，提高換熱效率。具體試驗數據見表一：
    由以上數據可以看出，肋片增加擾流沖花對熱效率的提升起了相當大的作用。圖2方案中的數據可以看出，過剩空氣系數α=2.17有點偏高，且煙氣中CO含量不高，這說明熱效率還有提升的可能，可以將集煙罩的風口再縮小一點，將過剩空氣系數α降到2.0左右，如果煙氣不超標，效率還將有所提升。
    另外肋片管換熱另一個關鍵的因素是肋片與直管的緊密結合程度。
    通常這類機型所用的熱交換器都是浸鉛工藝做出的，大致的工藝過程是直管套在肋片上后，先漲管，讓直管與肋片接觸更緊密，再通過浸鉛工藝，讓鉛錫料填滿直管與肋片間的細微間隙。如果這個工藝過程做的不好，也會導致熱效率的降低。判斷制造工藝是否良好可以將做好的熱交換器剖開，用放大鏡去觀察間隙是否填滿。
    1.2關于另一部分：燃燒室高溫煙氣向燃燒室壁面的輻射換熱
    這個換熱主要是在水箱壁與盤繞在壁面的水管之間完成，這個熱效率的提高主要是靠加工工藝來保證，要保證壁面的平整度，保證盤管在制作和運輸過程中不產生變形，合理利用工裝將水管與壁面的縫隙用鉛錫料均勻的填滿。這些細節之處都是保證熱效率的關鍵所在。
    2. 其次來看第二因素：燃燒空氣的匹配
    提高熱效率還有一個方法就是降低過剩空氣，一般燃氣熱水器的過剩空氣系數α取在1.4-2.0之間，但對于這種機械控制的上抽機型來說，過剩空氣系數α取在2.0左右比較安全，也就是干煙氣中氧的含量在10.5左右。
    為某種機型的集煙罩與其風口的示意圖，測試時發現這個機型熱效率偏低，只有85%左右。
    以上數據可以看出，圖3方案中效率太低，排煙溫度過高。
    方案中，在圖3方案上增加了分配板。上抽型燃氣熱水器因為結構的原因，高溫煙氣在流經換熱片時分配不均勻，大部分集中到風口的位置，導致此處煙溫過高，氧氣太少，熱量流失較快，影響換熱熱效率，而煙罩兩側的位置煙氣較少，氧含量大，煙溫低，也不利于換熱。此分配板最主要的作用是改變了高溫煙氣的流向，將高速集中沖向風口的高溫煙氣阻擋，讓煙氣流向風口兩側，讓高溫煙氣流經換熱片時分配均勻，提高熱效率。同時減少了過剩空氣，也有利于熱效率提高。
    方案中，在圖4方案的基礎上，再次減少風口面積。此改進只是單純的減少過剩空氣，使得過剩空氣系數α降到了1.68 。這樣改進會提高熱效率。但因為過剩空氣太少，已經影響到了燃燒器的燃燒工況，導致煙氣中的CO值偏高。
    綜上所述，以上改進方案雖然讓熱水器各項指標都符合了標準的的要求，但顯然并不是最佳的整改方案，他的缺點在于雖然提高了熱效率，但過剩空氣太少，不能保證良好的燃燒狀況，當燃氣熱值或者氣壓等因素改變時，極有可能會導致煙氣中CO超標。其實此款機型之所以熱效率這么低，主要原因還是換熱器中肋片的形狀有關。它的肋片沒有任何擾流的沖花（見圖6），改進的重點應該是在肋片上增加擾流沖花來提高熱效率。如做成圖7所示的形狀，在直管間中上方增加三角形的壓型，干擾一下煙氣的走向，熱效率應該會有較大提升。
3、半負荷的熱效率：
    機械式燃氣熱水器由于風機大多單一轉速，在負荷變小時，風機風速并沒有隨之改變，匹配的風量過剩，一般熱效率都較低。如果采用雙速電機，在熱水器負荷降至半負荷時，切換到低風速供風，匹配的合適的話，半負荷熱效率甚至會高過全負荷效率。這里需注意一點，就是設計時要將半符合的狀態設置在全段的狀態下，如果設置到了單段的狀態，風速就不能是低速了。因為單段燃燒時，前壓會變大，相對于單排燃燒器來說，燃氣量加大，火焰特別高，原因是二次空氣不足了，此時應該用高風速來降低火焰高度，這樣熱效率反而更低了。
4、天然氣機型與液化氣機型熱效率的區別
    1.表三數據中的天然氣機型和液化氣機型用的是相同的硬件結構，區別僅僅是噴嘴的規格不同。從低熱值計算的熱負荷來看，液化氣比天然氣負荷高，應該O2會更低些，CO會更高些。但是從表三中O2、CO等燃燒指標來看，似乎兩者區別不大。為什么會有這樣的現象呢，這是因為標準中計算的熱負荷是按照低熱值來計算的，如果按照高熱值來計算，兩者的熱負荷是一樣的，參見表三數據。實際上兩者的熱量輸入是一樣的，所以煙氣的指標也就表現的相差不大。
    2.為什么同樣的條件下，液化氣會比天然氣的效率低？
    從表三數據也可以看出，相同的條件下，液化氣機型的效率要比天然氣的低2-3個百分點。而實際上熱效率應該是一樣的，之所以有差別是因為熱效率的計算公式是按低熱值計算的。如果按照高熱值計算，兩者是一樣的。因為同樣的總熱量下，天然氣的低熱量少，液化氣的低熱量多，而在熱效率的計算公式中，低熱量是在分母的位置，所以看起來似乎是液化氣機型的熱效率更低。
    所以，如果是用同一種結構來做天然氣機型和液化氣機型，天然氣機型二級能效的熱效率至少要做到91%-92%，才能保證液化氣的熱效率能符合二級能效的標準。

四、結束語
    綜上所述，我們不難看出，熱交換器的換熱能力是影響燃氣熱水器熱效率的關鍵因素，而肋片的形狀又與熱交換器的換熱能力息息相關，把這一部分做好，再合理的調配過剩空氣，整個燃氣熱水器就將獲得比較理想的熱效率。