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溫度對燃氣熱水器熱效率測試與計算的影響
 
1 概述   
中國是一個城市燃氣應用水平相對落后的國家,無論是用氣規模還是熱效率,與世界先進國家都有很大的差距。其中,作為主要的民用燃氣設備之一的家用燃氣熱水器,其熱效率與世界先進國家相差10%~15%。隨著能源緊張形勢越來越嚴重,我國非常重視節能工作。對于家用燃氣熱水器提出的節能目標是到2010年熱效率達到90%~95%。另一方面,在繼空調、冰箱、洗衣機等之后,燃氣熱水器行業也對能效作出了更高的要求,燃氣熱水器能效標準GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖爐能效限定值及能效等級》已于2007年7月1日開始強制實施,該標準將燃氣熱水器的等級分為三級[1],具體見表1。
表1 家用燃氣快速熱水器的能效等級
項目
能效等級
1
2
3
最低熱效率/%
額定熱負荷時
96
88
84
≤50%額定熱負荷時
94
84
與國家標準GB 6932—2001《家用燃氣快速熱水器》相比[2],國家標準GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖爐能效限定值及能效等級》對于燃氣快速熱水器的熱效率最低要求從80%提高了4個百分點,即熱效率最低要求值為84%。市場上熱效率低于84%的燃氣熱水器將不允許銷售,84%的熱效率已成為燃氣熱水器的上市門檻。而不同的溫度參數對于熱效率的測試與計算會產生一定的影響,導致影響正確判定燃氣熱水器的能效限定值和能效等級。因此,研究不同的溫度對于熱效率測試與計算的影響有著重要的意義。
2 溫度對熱效率測試與計算的影響
2.1 GB 6932—2001對測試熟效率時的溫度要求
GB 6932—2001《家用燃氣快速熱水器》對于熱效率測試時的溫度的要求如下:
① 試驗室環境溫度:(20±15)℃,在每次試驗過程中室溫波動范圍應小于5℃。
② 燃氣溫度:未作明確要求。
③ 進水口冷水溫度:未作明確要求。
④ 溫升:燃氣閥開至最大位置,調節出水溫度比進水溫度高(40±1)℃,當不能調節至此溫度時,在熱水溫度可調范圍內,調至最接近的溫度。
2.2 GB 20665—2006對測試熱效率時的溫度要求
GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖爐能效限定值及能效等級》對于熱效率測試時的溫度要求如下:
① 試驗室環境溫度:(20±5)℃,在每次試驗過程中室溫波動范圍應小于5℃。
② 燃氣溫度:未作明確要求。
③ 進水口冷水溫度:(20±2)℃。
④ 溫升:熱水在額定熱負荷時溫升為(40±1)℃,額定熱負荷的50%及以下熱負荷時溫升為(30±1)℃。
2.3 燃氣熱水器的熱平衡與理論熱效率
① 燃氣熱水器的熱平衡[3]
燃氣熱水器的熱平衡關系應滿足輸入總熱量與輸出總熱量相等。輸入總熱量是指燃氣燃燒時空氣帶入的物理熱和燃氣帶入的物理熱以及燃氣的化學熱;輸出總熱量是指煙氣帶走的總熱量、燃氣熱水器外殼散熱量、燃氣的化學未完全燃燒所帶走的熱量以及被加熱水所獲得的有效熱量,其中煙氣帶走的總熱量包括CO2帶走的熱量、N2帶走的熱量、H2O帶走的熱量以及O2帶走的熱量。關系見式(1):
 
式中Qa一一空氣帶入的物理熱
Qg一一燃氣帶入的物理熱
Ql——燃氣的低熱值
——CO2帶走的熱量
——N2帶走的熱量
——H2O帶走的熱量
——02帶走的熱量
Qc一一燃氣熱水器外殼散熱量
Qd一一燃氣化學未完全燃燒所帶走的熱量
Qw一一被加熱水獲得的有效熱量
② 燃氣熱水器的理論熱效率
燃氣熱水器的理論熱效率定義為通過燃氣熱水器被加熱水所獲得的有效熱量與燃氣帶入的化學熱量之比,即:
 
在理論熱效率計算時,假設燃氣熱水器的絕熱性較好,通過燃氣熱水器外殼散熱損失較小,在計算時可忽略不計,即燃氣熱水器外殼散熱量Qc=0;由于燃燒產生的一氧化碳的體積分數為10-6級,在計算時燃氣的化學未完全燃燒所帶走的熱量也可以忽略不計,即Qd=0。則式(2)可簡化為:
 
2.4 環境溫度和燃氣溫度對理論熱效率的影響
① 試驗室環境溫度的影響
由以上兩個國家標準中對于熱效率測試時試驗室環境溫度的要求可知,測試時應將試驗室環境溫度控制在20℃左右,對于夏天和冬天由于室外溫度相對于20℃偏差較大,如果要達到20℃的試驗室環境溫度,那么必須建立環境恒溫試驗室。大多數燃氣熱水器生產廠家和燃氣設備檢測中心目前還未建立環境恒溫試驗室或正在建立環境恒溫試驗室,當試驗室環境溫度遠偏離20℃時勢必對熱效率的測試造成一定的影響。下面通過式(3)進行模擬計算,分析試驗環境溫度變化對熱效率的影響。假設運行一臺以天然氣為氣源的燃氣熱水器,燃氣溫度為20℃,排煙溫度為170℃,煙氣中氧的體積分數為11%,取試驗室環境溫度分別為5、10、15、20、25、30℃,通過式(3)計算燃氣熱水器的理論熱效率,具體數據見表2。
表2 試驗室環境溫度變化對熱效率測試與計算的影響
試驗室環境溫度/℃
空氣帶入的物理熱/(kJ·m-3)
熱效率/%
5
41.20
88.40
10
83.23
88.73
15
124.85
89.06
20
166.47
89.38
25
208.12
89.71
30
249.74
90.04
從表2可知,隨著環境溫度的上升,空氣帶入的物理熱會有所增加。由式(3)可知,空氣帶入物理熱的增加促使輸入總熱量增加,從而會使熱效率有所上升,即環境溫度的上升會使熱效率上升,而環境溫度的下降會使熱效率有所下降。
② 燃氣溫度的影響
雖然以上兩個國家標準中對于熱效率測試時的燃氣溫度沒有明確要求,但是燃氣溫度的變化也會對熱效率的測試與計算產生一定的影響。假設運行一臺以天然氣為氣源的燃氣熱水器,試驗室環境溫度為20℃,排煙溫度為170℃,煙氣中氧的體積分數為11%,取燃氣溫度分別為5、10、15、20、25、30℃,通過式(3)計算燃氣熱水器的理論熱效率,具體數據見表3。
表3 燃氣溫度對熱效率測試與計算的影響
燃氣溫度/℃
燃氣帶入的物理熱/(kJ·m-3)
熱效率/%
5
28.14
88.71
10
56.31
88.94
15
84.45
89.11
20
112.62
89.38
25
140.76
89.61
30
168.94
89.83
從表3可知,隨著燃氣溫度的上升會使燃氣帶入的物理熱增加。由式(3)可知,燃氣帶入的物理熱會使輸入總熱量增加,從而會使熱效率有所上升,即燃氣溫度的上升會使熱效率上升,而燃氣溫度下降會使熱效率有所下降。試驗室環境溫度的改變對于熱效率的影響稍大于燃氣溫度的改變對于熱效率的影響。
2.5 冷水溫度對熱效率測試與計算的影響
雖然國家標準GB 6932—2001《家用燃氣快速熱水器》中并未對進水口冷水溫度作出明確的要求,但是進水口冷水溫度的變化會對熱效率的測試與計算產生相對較大的影響。假設運行一臺以天然氣為氣源的燃氣熱水器,試驗室環境溫度為22℃,燃氣溫度為20℃,試驗室大氣壓力為101.75kPa,進水口冷水溫度分別為10、20、30℃,進行熱效率的測試與計算,具體實驗數據見表4。
表4 進水口冷水溫度的變化對熱效率測試與計算的影響
進水口冷水溫度/℃
排煙溫度/℃
熱效率/%
10
160
89.42
20
171
88.65
30
185
87.63
隨著進水口冷水溫度的上升,由于要達到40℃的溫升要求,冷水溫度越低,要達到的出水口熱水溫度相對較低,則排煙溫度較低,排煙溫度的降低有利于熱效率的提高;反之,冷水溫度越高,出水口熱水溫度越高,導致排煙溫度升高,熱效率下降。
國家標準GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖爐能效限定值及能效等級》對于進水口冷水溫度則作出了明確的要求。由于冬天和夏天的冷水溫度與標準要求相差甚大,因此,各燃氣具制造廠家和燃氣具檢測中心必須建立大型恒溫水箱,以便達到試驗所要求的冷水溫度。
2.6 熱效率測試與計算的最佳溫度狀態
從以上兩個國家標準對于測試熱效率時不同溫度參數的要求可知,兩個國家標準中對于試驗室環境溫度都作出了明確的規定,而且國家標準GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖爐能效限定值及能效等級》中的要求更高、更為嚴密。另一方面,國家標準GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖爐能效限定值及能效等級》中對于進水口冷水溫度也給出了明確的規定。但兩個標準中并未對燃氣溫度作出明確的要求。筆者建議也應對其作出明確的規定,可參照試驗室環境溫度的要求而定,即燃氣溫度的要求為(20±5)℃。此外對于國家標準中不同溫度參數的要求,當試驗室環境溫度、燃氣溫度以及進水口冷水溫度三者相等時的試驗狀態是測試與計算熱效率的最佳溫度狀態,這是因為該情況下測試得到的熱效率比較直觀,減少了試驗環境等因素波動對熱效率測試的影響,使熱效率測試值更具可比性。
3 結論
① 當試驗室環境溫度、燃氣溫度上升時會造成熱效率的上升,反之會使熱效率下降。試驗室環境溫度的變化對熱效率的影響稍大于燃氣溫度變化對熱效率的影響。
② 當進水口冷水溫度較低時,燃燒時排煙溫度會相對較低,從而使熱效率上升,反之會導致熱效率下降。
③ 為了滿足國家標準GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖爐能效限定值及能效等級》中熱效率測試時對試驗室環境溫度和進水口冷水溫度的要求,各燃氣具制造廠家和燃氣具檢測中心必須建立恒溫試驗室和大型恒溫水箱。
④ 國家標準GB 20665—2006《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖爐能效限定值及能效等級》中也應對燃氣溫度作出明確規定,筆者建議可參照試驗室環境溫度的要求,將燃氣溫度要求為(20±5)℃。
⑤ 對于國家標準中不同溫度參數的要求,當試驗室環境溫度、燃氣溫度以及進水口冷水溫度三者相等時的試驗狀態是測試熱效率的最佳溫度狀態。
發布時間:2011/4/22 閱讀:2509次 來源:
 

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