上海市燃气设备计量检测中心有限公司 上海市 201112
摘要：环境因素会燃气热水器热效率造成影响，因此对影响燃气热水器热效率的环境因素进行研究，确定其对于热效率影响度具有重要意义，基于此本文通过正交实验对环境因素对燃气热水器热效率的影响度进行了分析。
关键词：环境因素；燃气热水器热效率；影响度
引言
随着燃气的普遍应用，燃气热水器在人们生活中应用越来越广泛，燃气热水器具有即烧即热的特点，而且对环境影响小，因此具有良好的发展前景，因此加强燃气热水器的研究非常重要。在燃气热水器研发过程中，对热水器进行热效率的测试时，常常会出现测量结果波动较大的问题。当前，经常出现在测试过程中，燃气热水器的热效率能够满足GB 6932-2015 及GB 20665-2015 要求，但是在热水器量产之后，对其热效率进行测试，发现其和设计值有较大的偏差，难以达到设计值的要求，这对于燃气热水器的正常生产造成了比较大的影响，制约了燃气热水器的发展。为了提高燃气热水器热效率测试的准确性，需要加强对影响其测试结果的因素进行研究，并采取针对性的措施来对其进行改进，提高燃气热水器热效率测试的准确性，从而为燃气热水器的发展奠定比较好的基础。基于此本文对影响燃气热水器热效率的测量结果的环境因素进行了分析。
1 燃气热水器的热效率计算
在GB 6932-2015对于燃气热水器的热效率测试进行了明确的规定，包括测试方法以及计算方法等，在标准中燃气热水器热效率的计算公式如下：
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式中：
ηt—热效率；
M—出热水质量，kg；
C—水的比热容，MJ/（kg•K），取值为 4.19 MJ/（kg•K）
tW2—出水端温度，℃；
tW1—进水端温度，℃；
W—实测燃气消耗量，m3 ；
Q—实测燃气低热值，MJ/N m3；
tg—燃气温度，℃；
Pa—大气压力，kPa；
Pg—燃气压力，kPa；
S —温度为 tg 时饱和水蒸汽压力，kPa
通过对上述燃气热水器的热效率计算公式能够得知，影响燃气热效率的因素是上式中的变量，这些变量可以分为两类，即固有因子和环境因子。在上述变量中，水的比热容、出热水的质量以及燃气压力等因素为固有因子，这些因素并不受外界环境的影响，而是系统本身的结构和性能决定的，这些变量不会因为环境的改变而发生变化；而对于进水端温度、实测燃气低热值、燃气温度和大气压力等都属于环境因子，在外界环境出现变化时，这些因子也会随之发生波动。而出水端温度则属于跟随变量，热负荷会对其造成影响。在GB 6932-2015中对于燃气热水器测量时的试验条件有明确的规定，具体的要求如下：进水温度20±2℃；大气压力值86~106kPa；室温20±5℃；对于燃气温度以及燃气低热值等没有进行明确的规定。
2 实验设计
为了探究环境因素对燃气热水器热效率的影响度，采用正交试验的方式来对其进行探究。
2.1 实验参数选择
在不同的环境条件下对燃气热水器的热效率进行测量，结果具有较大的差异性，为了得到更加准确的热效率结果，需要影响热水器热效率各影响因子进行研究，探究各因子对热效率值大小的影响。基于此本文设计了一个正交试验，对各环境因子对于热效率测量的影响进行了研究，并对各因子的影响进行了综合的评估。本文的研究目的是对不同环境因子在燃气热水器热效率测试过程中的影响度大小，因此认为是在同一燃气热水器测量不准确度 A、B 类的影响标准下进行试验。
首先，先确定实验所使用的燃气热水器，基于本文的研究目的，综合各种因素最终选择了一台热负荷 30 kW 的液化气机型燃气热水器，该型号的热水器设计热效率值为90%，实测热负荷数值为29.5 kW，设计热效率值为 90 %。在上面的讨论中，已经知道影响燃气热水器热效率的环境因子主要有进水端温度、实测燃气低热值、燃气温度和大气压力，即tW1、Q、tg、Pa，因此正交试验选择这四个参数来进行，选择其常规的数值取值范围开展正交试验。表1中所示的为正交实验因素水平：
表1 正交实验影响因素水平表
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2.2 实验设计与结果
正交实验能够实现多因素、多水平的研究，这是其与其它实验设计方法的主要区别，通过应用正交实验，可以快速有效地分析出多因素、多水平对于实验结果的影响。在确定正交实验的影响因素参数以后，将上述参数进行搭配，实现四因素四水平的定向搭配，并保证其没有交互效应，然后应用L16（45）正交表来开展实验，通过实验对不同环境因子条件对于燃气热水器热效率测量准确度的影响进行分析，通过实验得到以下结果：
表2正交试验设计与结果
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2.3 正交试验结果分析
在进行最优解的确定或者是结果影响度的评价等研究过程中，可以应用很多种的方法，为了使结果更加直观，并简化分析过程，本文的研究过程中采用了正交实验极差法，通过应用这一研究方法，简单、直观的对正交实验结果进行分析，并且使分析过程易于理解。表3中所示的就是应用极差分析法分析的结果：
表3 各水平下热效率极差分析
在上表中，yi代表的是A在i下的结果之和（i 为 1，2，3，4）；γ 为均值，yi =γi/4。通过对上述结果进行分析可以发现，在这四个环境因子中，对于燃气热水器热效率的影响大小关系是 A>B>D>C，从中还可以确定最佳的试验条件，即A3B3C2D1。实验结果还表明，在这四个环境因子中，燃气温度tg对于热效率测试结果的影响最大，而且影响程度远远大于其它三个环境因子。
2.4 各环境因子的影响度分析
通过正交实验，确定了四个主要的环境因子对于热效率的影响，并确定了最佳的试验条件，试验结果显示在当燃气温度tg在24~26 ℃时，是最佳的实验条件。基于实验结果，对出现这种结果的原因进行了分析，认为燃气的密度受到其温度的影响，在不同温度下其密度有一定的差别，进而使热负荷出现偏差。此外，由于饱和水分分压力的值也受到燃气温度的影响，而且在同组分的情况下其和燃气温度成正比，因此在实验过程中，当燃气温度的测试条件有较大偏差时，饱和水分分压力也会出现一定的偏差，进而会影响到燃气热水器的热效率。
对于进水端温度、实测燃气低热值、大气压力这三个环境因子，由于当前的燃气热水器热效率测试中采用恒温算法，在进水温度稳定之后其对于热效率的影响是比较小的，而大气压力的极差值为0.76 %，对于热效率的影响还是比较大的，因此在进行热效率测试时，需要对这一参数进行监控，从而减少误差。
结论
通过进行正交实验发现，在燃气温度 tg 为24~26 ℃，大气压在 100.5 kPa，燃气热值在 95~96 MJ/Nm3，进水温度在 19~20 ℃条件下，能够较为准确的测定出燃气热水器的燃气热效率值。在影响热效率值的因素中，燃气温度 tg 的对于结果的影响是最大的，因此在测试时需要对这一因素进行有效地控制。
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