燃气快速热水器能效测试分析及节能潜力的研究
2011-12-19 16:55:05 来源：燃气具资讯网 浏览：次
内容提要：燃气快速热水器是家用燃气具类产品中普及率最高、耗能量最大的产品，也是将来强制性能效标准推行的重点产品。了解目前市场上各类产品的热效率水平，分析各类产品的节能途径，为将来制订能效标准提供科学依据，并帮助热水器生产企业重视并提高产品的节能指标。
本文通过对目前国内市场上各类快速型燃气热水器的热效率的测试结果进行统计和测试研究，提出目前产品在热效率方面存在的问题，并提出在节能方向的发展方向。
我国目前能源大量依赖进口，液化石油气价格随着国际原油价格不断攀升，去年冬季京津地区也出现了天然气紧缺的局面。国家花了很大努力寻求石油和天然气资源，难以满足日益增长的需求，开源节流并举是当前我国的基本能源政策。家用电器类产品已率先开展节能措施，空调冰箱能效标准2005年3月1日正式实施，国家将陆续出台一系列强制性能效标准，促进各类产品提高能效利用率。
燃气快速热水器是家用燃气具类产品中普及率最高、耗能量最大的产品，也是将来强制性能效标准推行的重点产品。了解目前市场上各类产品的热效率水平，分析各类产品的节能途径，为将来制订能效标准提供科学依据，并帮助热水器生产企业重视并提高产品的节能指标。另外现行燃气快速热水器国家标准GB6932中，热效率属于推荐性项目，相关的测试条件和方法对热效率测试的准确性有一定的影响，在本次研究中提出了改进意见。
2 对热效率测试结果的统计分析
按照GB6932-2001《家用燃气快速热水器》标准的热效率测试方法，用以往的测试结果进行统计分析，所有统计结果的平均热效率达到86．7％，但影响热效率的因素很多，需要分类进行统计分析。
2．1 按照排气方式统计结果
目前我国市场上比较常见的热水器主要有烟道式、强排式和强制给排气式3种，从统计数据可以看出，烟道式和强排式的平均热效率都在85％左右，水平有待提高，特别是相当一部分强制给排气式是在原烟道式产品上加装风机，降低了容积热强度，烟气的过剩空气系数较高，产品的结构也有待改进；强制给排气式平均热效率达到88．8％，明显高于其它型式的产品，产品设计结构比较合理，多数带有采暖、恒温和稳压等功能，而且由于带有同轴式给排气管，起到空气预热的作用，热效率较高。
表1
| 烟道式 | 强排式 | 强制给排气式 |
| 85．18% | 84．87% | 88．79% |
人工气和液化石油气所统计的热效率在85％左右；天然气统计的平均热效率为88．2％，在三种气源中最高。天然气由于性能和燃烧比较稳定，产品设计易于实现提高热效率，另外采暖类等高档产品比较集中在天然气市场也是主要原因。
表2
| 人工气 | 液化石油气 | 天然气 |
| 84．87% | 85．07% | 88．23% |
产品功能与价格相关，燃气稳压与热效率没有直接关系，但一般带稳压装置的产品档次较高，热交换使用量能够保证足够的换热面积，因此平均热效率明显高于不带稳压器的产品。带自动恒温功能的产品具有同样的上述规律，另外在低负荷下运行时的节能效果更加明显。
表3
| 无自动恒温 | 有自动恒温 | 无燃气稳压 | 有燃气稳压 |
| 86．31% | 87．34% | 85．24% | 88．28% |
热水产率与热效率的关系十分明显，这与市场价格因素密切相关，热水产率越低，单位价格(元／升)越低，使用材料(热交换器等)和产品的功能越少。但总体消耗燃气量也相应减少，小产率的产品适用于华南地区，节能的潜力较大。
表4
| 7升以下 | 8至10升 | 10至12升 | 12升以上 |
| 82．37% | 85．30% | 87．23% | 89．05% |
排烟温度和过剩空气系数是对热效率影响最大的两个指标，控制其范围也是提高热效率的主要手段。
2．5．1 排烟温度
排烟温度对热效率的影响非常明显，如何有效控制排烟温度是企业提高产品节能水平的关键因素。GB6932-2001标准中规定了排烟温度的范围为110℃～260℃，企业通过有效控制排烟温度可以大幅度提高热效率。
表5 所有类型热水器按排烟温度热效率统计值
| 120℃ | 120℃～150℃ | 150℃～180℃ | 180℃以上 |
| 89．76% | 88．97% | 86．62% | 84．34% |
表6 不同排气方式热水器平均排烟温度值
| 烟道式 | 强排式 | 强制给排气式 |
| 200℃ | 180℃ | 139℃ |
目前强排和烟道式产品绝大多数为国产产品，平均排烟温度在180℃以上，而强制给排气式中的主要产品采暖/热水两用型主要来自欧洲和韩国，平均排烟温度为139℃，国内排烟温度的控制水平与国外有很大差距。
2．5．2过剩空气系数
控制并降低过剩空气系数，可以减少烟气中的过剩空气量，减少烟气的排放量，同时可以降低排烟热损失，提高热效率。但不同排烟方式的热水器取烟气的方式不同，过剩空气系数的可比性不强，因此进行了分类统计。
表7 不同排气方式热水器平均过剩空气系数值
| 烟道式 | 强排式 | 强制给排气JLG |
| 1．67 | 1．97 | 2．04 |
表8 强制结排气式采暖／热水两用型热效率与过剩空气系数的统计结果
| 热效率 | 90．43% | 90．68% | 89．78% | 87．80% |
| 过剩空气系数 | 1．5以下 | 1．5～1．8 | 1．8～2．1 | 2．1以上 |
表9 烟道式热效率与过剩空气系数的统计结果
| 热效率 | 90．34% | 90．68% | 89．78% | 87．80% |
| 过剩空气系数 | 1．5以下 | 1．5～1．8 | 1．8～2．1 | 2．1以上 |
表10 强排式热效率与过剩空气系数的统计结果
| 热效率/FONT> | 84．43% | 84．01% | 85．70% | 84．23% |
| 过剩空气系数 | 1．5以下 | 1．5～1．8 | 1．8～2．1 | 2．1以上 |
从统计结果看，我国市场上的产品热效率总体水平不高，生产企业应在产品设计过程中重视热效率水平，并吸收欧洲和韩国等产品在热效率提高方面的经验，促进燃气热水器节能水平，另外在市场竞争比较激烈的情况下，单纯靠价格竞争、降低材料成本不可能长期生存下去，必须靠技术进步提高产品的竞争能力。
3 典型样机的研究测试
3．1 测试样机的确定(见表11)
表11
| 序号 | 型号 | 热水额定热负荷(kW) | 热水自动恒温功能 | 风机位置 | 供电电压 | 产热水能力(kg/min) | 燃气稳压装置 | 给排气方式 | 备注 |
| 1 | JSQ21(天然气12T) | 20．3 | 比例调节(40%～100%) | 风机在热交换器后，转速可随流量自动调节 | 市电-220V | 10 | 有 | 强制排气式～JSQB | 日本设计风格的国产机型，高档产品 |
| 2 | JSQ22(天然气12T) | 20 | 比例加分段调节(40%～100%) | 风机在热交换器后，转速可随流量自动调节 | 市电-220V | 11 | 有 | 强制排气式～JSQB | 日本设计风格的国产机型，高档产品 |
| 3 | JSQ16(天然气12T) | 16 | 比例加分段调节(40%～100%) | 风机在热交换器后，转速不能随流量自动调节 | 市电-220V | 8 | 无 | 强制排气式～JSQB | 国内设计风格中、低档产品 |
| 4 | JSD20(液化气石油20) | 20 | 无(冬夏型手动 17%～100% ) | 干电池-3V | 10 | 无 | 自然排气式(烟道式)～JSQB | 国内设计风格中、低档产品 | |
| 5 | JSD14(人工煤气6R) | 14 | 无(冬夏型手动 0%～100% ) | 干电池-3V | 7 | 无 | 自然排气式(烟道式)～JSQB | 国内设计风格中、低档产品 | |
| 6 | JLG31(天然气12T) | 30．5 另：供暖额定热负荷30．5kW | 比例调节(40%～100%) | 风机在热交换器后，转速不能随流量自动调节 | 市电-220V 供暖系统结构形式：密闭式-B | 16．1 供暖热输出28．03kW | 有 | 强制排气式采暖热水两用JLGA | 韩国产品，中档两用 |
| 7 | JLG19(天然气12T) | 18．1 另：供暖额定热负荷18．1kW | 无 | 风机在热交换器后，转速不能随流量自动调节 | 市电-220V 市电-220V 供暖系统结构形式：开放式-K | 8．7 供暖热输出15．1kW | 有 | 强制排气式采暖热水两用JLGA | 欧洲产品，高档两用 |
| 其中JLG31(天然气12T)：采暖热水分为两路水系统，采暖水系统经过燃烧室与烟气换热，再与板式热交换器在燃烧室外部与热水系统经过二次换热供应生活热水， | |||||||||
| JLG19(天然气12T)：采暖热水分为两路水系统，采暖水系统在小型储罐中与燃烧室内立管式热交换器换热，热水经过储罐的内盘管与采暖水换热供应生活热水。 | |||||||||
3．2 热效率测试值的比较(见表12)
表12
| 热负荷 | 全负荷热效率(%) | 过剩空气系数 | 排烟温度(℃) | CO(%) |
| JSQA | 82．8 | 2．15 | 199 | 0．012 |
| JSQB | 84．0 | 2．41 | 186 | 0．011 |
| JSQC | 85．3 | 2．26 | 161 | 0．009 |
| JLGA | 89．9 | 1．62 | 177 | 0．017 |
| JLGB | 91 | 1．46 | 125 | 0．020 |
| JSDA | 84．8 | 1．32 | 227 | 0．009 |
| JSDB | 80．7 | 2．06 | 222 | 0．006 |
表13 各样机在不同热负荷下的热效率
| 热负荷 | 20% | 40% | 60% | 80% | 100% | 120% |
| JSQA | 74．6 | 77．4 | 80．4 | 82．0 | 82．8 | 84．8 |
| JSQB | 85．9 | 83．3 | 83．9 | 84．1 | 84．0 | |
| JSQC | 35．7 | 74．9 | 79．5 | 82．6 | 85．3 | 86．2 |
| JLGA | 69．1 | 81．7 | 85．7 | 87．8 | 89．9 | 90．9 |
| JLGB | 38．4 | 89 | 91 | 85．4 | ||
| JSDA | 79．4 | 80．7 | 82．8 | 83．9 | 84．8 | 85．5 |
| JSDB | 72．1TD> | 73．9 | 77．0 | 79．3 | 80．7 | 81．5 |
图1 强排式JSQ型热效率随热负荷变化曲线
3．3同热负荷下热效率结果
各样品分别在20％、40％、60％、80％、100％、120％等不同的热负荷下，测定热效率值。热水器的热负荷变化范围是用户根据季节及习惯的变化采用手动或自动调节的，不考虑气源压力波动变化，一般情况下热负荷调节范围为40％—100％额定热负荷，带冬夏功能(手动控制关闭部分燃烧器)的热负荷调节范围为20％—100％额定热负荷。本试验的调节范围为20％—120％，另外增加了一台样机，属于普通强排式，编号为JSQD。
从以上数据和图表可以看出，由于排气方式的不同，热负荷对热效率的影响有很大差别，带有辅助排烟(JSQ和JLG型)装置的热水器排烟装置的适应范围与热负荷的变化范围能否适应是节能的关键所在。需要分类进行说明。
图2 强制给排式JLG型热效率陆热负荷变化曲线
图3 烟道式JSD型热效率随热负荷变化曲线
3．3．1 强制排气式JSQ型
JSQA和JSQB产品最大特点是具有排烟风机转速随热负荷自动调节功能和自动恒温功能，过剩空气系数在20％热负荷下能够控制在8．75以下，减少了大量过剩空气带走的排烟热损失，热效率差最大为12．3％；烟气一氧化碳含量基本能够符合标准的要求，在整个热负荷变化区域内燃烧是稳定运行的。其中JSQB产品还具有分段调节功能，热效率和一氧化碳更加稳定。
JSQC和JSQD产品由于没有排烟风机转速随热负荷自动调节功能，过剩空气系数在20％热负荷下分别达到30和11．7，大量过剩空气降低了热效率，分别为35．7％和66．8％，与额定负荷下差值为59％和21％；烟气一氧化碳含量超过标准的要求。
排烟风机转速随热负荷自动调节功能对于强排式热水器保持热效率稳定非常重要，在用户可调节的热负荷范围内(JSQA、JSQB、JSQC为40％-100％，JSQD为30％-100％)，现有产品达到80％的热效率是比较困难的。
3．3．2 强制给排气式JLG型
这类产品在额定状况下的热效率明显高于其它产品，燃烧室的密闭式结构有利于控制过剩空气量，同轴式给排气管可以起到空气预热的作用，另外产品的设计注重节能的要求。JLCA(欧洲)明显比JLGB(韩国)产品的性能稳定，韩国产品在70％负荷以下不能正常工作。20％热负荷下欧洲产品的性能没有日本产品好。欧洲产品的设计注重采暖功能，使用范围应为40％—100％，在此范围内热效率能够达到80％以上，值得注意的是欧洲产品没有风机转速随热负荷自动调节功能，也能够实现热效率稳定。
3．3．3 烟道式JSD型
烟道式热水器在20％—120％热负荷范围内热效率变化比较平稳，由于国内特别是南方地区普遍流行冬夏型热水器，热水器的热负荷范围更大，最大达到17％—100％。这两种产品热效率水平不高，排烟温度接近200℃，热效率还有提高的潜力，另外热交换器使用的材料量偏低，传热面积应进一步提高。烟道式产品的数量占有市场大多数份额，节能效果对总量影响很大。
对比JSQ、JLG、JSD三类产品，热负荷对于热效率的影响很大，国内生产的产品包括外资企业在风机转速、排烟温度、过剩空气等方面控制上都有待提高，对节能的重视程度也需要加强。能效标准除了要重视热效率指标的提高外，还应该在各种使用条件下都能够满足要求，例如可规定在50％-100％的热负荷调节范围内符合热效率的规定值，这样才能真正实现节能的目的。
4 测试条件和方法对热效率的影响
各样品分别在进水温度为8℃、20℃和30℃条件下测定热效率值。由于现行国家标准热效率的测试方法中没有规定冷水温度的波动范围，测试的目的是考察冷水温度对热效率的影响。
冷水温度对于热效率的影响平均达到2．7个百分点，比例为3．2％，各类产品的影响规律基本相同，目前热水器的热效率范围在80％-92％，并进行分级评定，2．7个百分点的测试误差会影响结果的判定。如果以20℃为基准，按差值法计算平均5℃的冷水偏差带来的热效率偏差会达到0．5个百分点。因此应在能效标准中增加对实验室冷水温度的要求，如规定冷水温度应在20±5℃，可以避免测试方法造成的结果误判。
另外实验室的环境温度和相对湿度对热效率的测试结果有一定的影响，但由于测试数据较少，还难以掌握规律。在能效标准中应规定实验室湿度的范围，可以参考具它标准的要求。另外现行标准中的实验室温度范围20±15℃的太宽，可能会造成对检测数据的影响，可考虑为20±5℃。
5 国家能效标准的初步建议方案
以上研究成果为国家能效标准的制订提供了部分参考，在2005年6月3日召开的国家能效标准第二次研讨会上，初步制订了以下建议方案；
(1)合格评定值为84％(强制性规定)；
(2)二级节能评价值为88％(节能认证评价)；
(3)一级节能评价值为98％(节能认证评价)；
以上要求为100％额定热负荷下的测定值；在50％额定热负荷下实侧热效率降低不得超过4个百分点。
(4)热效率测试条件规定：室温20±5℃，冷水温度20±3℃，温升40±1℃。
图5 进水温度与热效率关系曲线
1 GB 6932—2001《家用燃气快速热水器》国家标准
2 《燃气测试技术手册》金志刚 主编
(本文作者：刘 彤 何贵龙 国家燃气用具质量监督检验中心 300384；时淑玉 福州市煤气规划设计院 350014 )
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