温度对燃气热水器热效率测试与计算的影响

Influence of Temperature on Test and Calculation of Thermal Efficiency of Gas Water Heater

ZHANG Jian，QIE Xiao-min

Abstract：The influence of the ambient temperature in laboratory and the gas temperature on the thermal efficiency of gas water heater is analyzed through the theoretical calculation of thermal efficiency. The influence of the variation of cold water inlet temperature on the thermal efficiency of gas water heater is analyzed by the experimental test. It is concluded that the optimal temperature conditions for the test and calculation of the thermal efficiency of gas water heater are that the ambient temperature in laboratory，the gas temperature and the cold water inlet temperature are all equal.

Key words：gas water heater；thermal efficiency；thermal balance；ambient temperature；gas temperature；cold water temperature

1 概述   

中国是一个城市燃气应用水平相对落后的国家，无论是用气规模还是热效率，与世界先进国家都有很大的差距。其中，作为主要的民用燃气设备之一的家用燃气热水器，其热效率与世界先进国家相差10%～15%。随着能源紧张形势越来越严重，我国非常重视节能工作。对于家用燃气热水器提出的节能目标是到2010年热效率达到90%～95%。另一方面，在继空调、冰箱、洗衣机等之后，燃气热水器行业也对能效作出了更高的要求，燃气热水器能效标准GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖炉能效限定值及能效等级》已于2007年7月1日开始强制实施，该标准将燃气热水器的等级分为三级^[1]，具体见表1。

表1 家用燃气快速热水器的能效等级

与国家标准GB 6932—2001《家用燃气快速热水器》相比^[2]，国家标准GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖炉能效限定值及能效等级》对于燃气快速热水器的热效率最低要求从80%提高了4个百分点，即热效率最低要求值为84%。市场上热效率低于84%的燃气热水器将不允许销售，84%的热效率已成为燃气热水器的上市门槛。而不同的温度参数对于热效率的测试与计算会产生一定的影响，导致影响正确判定燃气热水器的能效限定值和能效等级。因此，研究不同的温度对于热效率测试与计算的影响有着重要的意义。

2 温度对热效率测试与计算的影响

2.1 GB 6932—2001对测试熟效率时的温度要求

GB 6932—2001《家用燃气快速热水器》对于热效率测试时的温度的要求如下：

① 试验室环境温度：(20±15)℃，在每次试验过程中室温波动范围应小于5℃。

② 燃气温度：未作明确要求。

③ 进水口冷水温度：未作明确要求。

④ 温升：燃气阀开至最大位置，调节出水温度比进水温度高(40±1)℃，当不能调节至此温度时，在热水温度可调范围内，调至最接近的温度。

2.2 GB 20665—2006对测试热效率时的温度要求

GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖炉能效限定值及能效等级》对于热效率测试时的温度要求如下：

① 试验室环境温度：(20±5)℃，在每次试验过程中室温波动范围应小于5℃。

② 燃气温度：未作明确要求。

③ 进水口冷水温度：(20±2)℃。

④ 温升：热水在额定热负荷时温升为(40±1)℃，额定热负荷的50%及以下热负荷时温升为(30±1)℃。

2.3 燃气热水器的热平衡与理论热效率

① 燃气热水器的热平衡^[3]

燃气热水器的热平衡关系应满足输入总热量与输出总热量相等。输入总热量是指燃气燃烧时空气带入的物理热和燃气带入的物理热以及燃气的化学热；输出总热量是指烟气带走的总热量、燃气热水器外壳散热量、燃气的化学未完全燃烧所带走的热量以及被加热水所获得的有效热量，其中烟气带走的总热量包括CO₂带走的热量、N₂带走的热量、H₂O带走的热量以及O₂带走的热量。关系见式(1)：

式中Q_a一一空气带入的物理热

Q_g一一燃气带入的物理热

Q_l——燃气的低热值

——CO₂带走的热量

——N₂带走的热量

——H₂O带走的热量

——0₂带走的热量

Q_c一一燃气热水器外壳散热量

Q_d一一燃气化学未完全燃烧所带走的热量

Q_w一一被加热水获得的有效热量

② 燃气热水器的理论热效率

燃气热水器的理论热效率定义为通过燃气热水器被加热水所获得的有效热量与燃气带入的化学热量之比，即：

在理论热效率计算时，假设燃气热水器的绝热性较好，通过燃气热水器外壳散热损失较小，在计算时可忽略不计，即燃气热水器外壳散热量Q_c=0；由于燃烧产生的一氧化碳的体积分数为10^-6级，在计算时燃气的化学未完全燃烧所带走的热量也可以忽略不计，即Q_d=0。则式(2)可简化为：

2.4 环境温度和燃气温度对理论热效率的影响

① 试验室环境温度的影响

由以上两个国家标准中对于热效率测试时试验室环境温度的要求可知，测试时应将试验室环境温度控制在20℃左右，对于夏天和冬天由于室外温度相对于20℃偏差较大，如果要达到20℃的试验室环境温度，那么必须建立环境恒温试验室。大多数燃气热水器生产厂家和燃气设备检测中心目前还未建立环境恒温试验室或正在建立环境恒温试验室，当试验室环境温度远偏离20℃时势必对热效率的测试造成一定的影响。下面通过式(3)进行模拟计算，分析试验环境温度变化对热效率的影响。假设运行一台以天然气为气源的燃气热水器，燃气温度为20℃，排烟温度为170℃，烟气中氧的体积分数为11%，取试验室环境温度分别为5、10、15、20、25、30℃，通过式(3)计算燃气热水器的理论热效率，具体数据见表2。

表2 试验室环境温度变化对热效率测试与计算的影响

从表2可知，随着环境温度的上升，空气带入的物理热会有所增加。由式(3)可知，空气带入物理热的增加促使输入总热量增加，从而会使热效率有所上升，即环境温度的上升会使热效率上升，而环境温度的下降会使热效率有所下降。

② 燃气温度的影响

虽然以上两个国家标准中对于热效率测试时的燃气温度没有明确要求，但是燃气温度的变化也会对热效率的测试与计算产生一定的影响。假设运行一台以天然气为气源的燃气热水器，试验室环境温度为20℃，排烟温度为170℃，烟气中氧的体积分数为11%，取燃气温度分别为5、10、15、20、25、30℃，通过式(3)计算燃气热水器的理论热效率，具体数据见表3。

表3 燃气温度对热效率测试与计算的影响

从表3可知，随着燃气温度的上升会使燃气带入的物理热增加。由式(3)可知，燃气带入的物理热会使输入总热量增加，从而会使热效率有所上升，即燃气温度的上升会使热效率上升，而燃气温度下降会使热效率有所下降。试验室环境温度的改变对于热效率的影响稍大于燃气温度的改变对于热效率的影响。

2.5 冷水温度对热效率测试与计算的影响

虽然国家标准GB 6932—2001《家用燃气快速热水器》中并未对进水口冷水温度作出明确的要求，但是进水口冷水温度的变化会对热效率的测试与计算产生相对较大的影响。假设运行一台以天然气为气源的燃气热水器，试验室环境温度为22℃，燃气温度为20℃，试验室大气压力为101.75kPa，进水口冷水温度分别为10、20、30℃，进行热效率的测试与计算，具体实验数据见表4。

表4 进水口冷水温度的变化对热效率测试与计算的影响

随着进水口冷水温度的上升，由于要达到40℃的温升要求，冷水温度越低，要达到的出水口热水温度相对较低，则排烟温度较低，排烟温度的降低有利于热效率的提高；反之，冷水温度越高，出水口热水温度越高，导致排烟温度升高，热效率下降。

国家标准GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖炉能效限定值及能效等级》对于进水口冷水温度则作出了明确的要求。由于冬天和夏天的冷水温度与标准要求相差甚大，因此，各燃气具制造厂家和燃气具检测中心必须建立大型恒温水箱，以便达到试验所要求的冷水温度。

2.6 热效率测试与计算的最佳温度状态

从以上两个国家标准对于测试热效率时不同温度参数的要求可知，两个国家标准中对于试验室环境温度都作出了明确的规定，而且国家标准GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖炉能效限定值及能效等级》中的要求更高、更为严密。另一方面，国家标准GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖炉能效限定值及能效等级》中对于进水口冷水温度也给出了明确的规定。但两个标准中并未对燃气温度作出明确的要求。笔者建议也应对其作出明确的规定，可参照试验室环境温度的要求而定，即燃气温度的要求为(20±5)℃。此外对于国家标准中不同温度参数的要求，当试验室环境温度、燃气温度以及进水口冷水温度三者相等时的试验状态是测试与计算热效率的最佳温度状态，这是因为该情况下测试得到的热效率比较直观，减少了试验环境等因素波动对热效率测试的影响，使热效率测试值更具可比性。

3 结论

① 当试验室环境温度、燃气温度上升时会造成热效率的上升，反之会使热效率下降。试验室环境温度的变化对热效率的影响稍大于燃气温度变化对热效率的影响。

② 当进水口冷水温度较低时，燃烧时排烟温度会相对较低，从而使热效率上升，反之会导致热效率下降。

③ 为了满足国家标准GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖炉能效限定值及能效等级》中热效率测试时对试验室环境温度和进水口冷水温度的要求，各燃气具制造厂家和燃气具检测中心必须建立恒温试验室和大型恒温水箱。

④ 国家标准GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖炉能效限定值及能效等级》中也应对燃气温度作出明确规定，笔者建议可参照试验室环境温度的要求，将燃气温度要求为(20±5)℃。

⑤ 对于国家标准中不同温度参数的要求，当试验室环境温度、燃气温度以及进水口冷水温度三者相等时的试验状态是测试热效率的最佳温度状态。

参考文献：

[1] GB 20665—2006，家用燃气快速热水器和燃气采暖炉能效限定值及能效等级[S].

[2] GB 6932—2001，家用燃气快速热水器[S].

[3] 同济大学，重庆建筑大学，哈尔滨建筑大学，等.燃气燃烧与应用(第3版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.