2024年5月6日发(作者：雀嘉珍)
机
第49卷第12期
电工程技术
Vol.49No.12
MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGTECHNOLOGY
DOI:10.3969/.1009-9492.2020.12.045
范威,黄茂林,韩晓箴，等.燃气热水器性能随海拔变化的理论计算及实验验证［J］.机电工程技术，2020，49（12）：145-147.
燃气热水器性能随海拔变化的理论计算及实验验证
范威
1
，黄茂林
1
，韩晓箴
2
，薛承志
1
，李光华
1
528311；2.云南省燃气计量检测所，昆明650216）（1.广东美的厨卫电器制造有限公司，广东佛山
摘要：
通过海拔、空气组分、温湿度等因素的影响，推导出燃气热水器的热负荷自然衰减比率、整机风压值变化和烟气中氧含量值3个重要性能的
理论计算公式。在佛山和昆明进行了实地测试，将理论值与测量结果进行比较，3个参数的误差分别低至0.1％、1Pa和0.34％。实践证明该理论计
算公式模拟燃气热水器不同地区的性能可行，进而指导燃气热水器在设计过程中的不断改进。
关键词：
燃气热水器；海拔；热负荷；风压
中图分类号：
TU996.3
文献标志码：A文章编号：1009－9492(2020)12－0145－03
TheoreticalCalculationandExperimentalVerificationofGasWaterHeater
PerformancewithAltitude
（ongMideaKitchen&BathApplianceManufacturingCo.,Ltd.,Foshan,Guangdong528311,China;
Abstract:
Basedontheinfluenceofaltitude,aircomposition,temperatureandhumidity,thetheoreticalcalculationformulasofnaturalattenuationratioofheat
FanWei
1
，HuangMaolin
1
，HanXiaozhen
2
，XueChengzhi
1
，LiGuanghua
1
GasMeasurementandTestingInstitute,Kunming650216,China）
load,variationofairprestswerecarriedoutinFoshanandKunming,andthe
orsofthethreeparameterswereaslowas0.1%,1Paand0.34%.Itisprovedthatthe
heaterinthedesignprocess.
theoreticalcalculationformulaisfeasibletosimulatetheperformanceofgaswaterheaterindifferentareas,andguidethecontinuousimprovementofgaswater
Keywords:
gaswaterheater;altitude;heatload;fanpressure
0引言
随着我国经济建设的不断发展和西气东输工程的日臻完
善，燃气入户已经成为目前新居建设的标准配置，燃气热水
器已逐渐超过了电热水器，成为家庭沐浴和采暖的首选设
备。我国幅员辽阔，地理环境复杂，从东部沿海到青藏高原，
海拔不断地升高。大气压力随着海拔的增加而逐渐降低，空
气密度也随之降低。燃气热水器是一种依靠空气燃烧为理论
基础的家用电器，海拔的变化对其能性能有着很大的影响。
因此，研究海拔对燃气热水器性能的影响是很重要的。
国内大部分的燃气热水器生产厂商都集中在东部沿海的
低海拔地区，对于高海拔地区，由于环境、人口和基础设施
普及率等因素，一直都不是燃气热水器销售和使用的重要地
区。不同海拔对燃气热水器性能变化的影响一直也没有深
入地进行研究分析。一些从业者仅对燃气热水气的热负荷
等进行一些单一性能分析
[1-3]
。但其简化理论没有考虑实际
环境因素的影响，也没有深入的理论计算推导和详细的实
测验证。
本文将通过海拔、空气组分、温湿度等因素的影响，推
导出燃气热水器的热负荷自然衰减比率、整机风压值变化和
烟气中氧含量值3个重要性能的理论计算公式。并在海拔为
15m的广东省佛山市和海拔1891m的云南省昆明市进行实测
验证，对比理论与实测的误差，验证其正确性和可行性。
收稿日期：2020－10－21
1性能变化的理论推导
1.1热负荷自然衰减理论计算
图1所示为燃气热水器的整机结构图，其结构是不会随
着环境因素而变化的。
图1燃气热水器的整机结构图
燃气热水器的器具前压2000Pa为规定值和相对值，因
此在不同海拔环境下燃气比例阀受压相同，分气杆的喷嘴前
压
ΔP
相同且为相对压。
根据
ΔP
计算公式可得：
·145·
2020年12月机电工程技术第49卷第12期
22
ΔP=
1
ρ
r0
v
r0
=
1
ρ
rh
v
rh
（1）
22
ρ
rh
分别为0和h海拔下的燃气密
式中：
ΔP
为喷嘴前压；
ρ
r0
、
v
rh
分别为0和h海拔下的燃气喷嘴出口速度。
度；
v
r0
、
火等问题；当烟气中氧含量值减少，燃烧会向着黄焰方向趋
近，造成燃烧振动、噪声和CO超标等问题。因此，能够计算
不同海拔处烟气中氧的含量的，是衡量其是否满足设计余量
要求和采取应对措施的关键。
在同一条件下，单一气体的质量比等于体积量比。根据
燃烧理论，燃烧化学反应前后总的体积量不变
[5]
，因此，烟气
中氧的含量可以通过反应前后的质量变化和体积分数变化，
进行计算得出。
根据理想气体的状态方程
PV=nRT
可得：
ρ
rh
P
h
T
r0
=
ρ
r0
P
0
T
rh
v
rh
=
v
P
0
T
rh
PT
（2）
（3）
r0
h
r0
式中：
P
0
、P
h
分别为0和h海拔下的大气压力；
T
r0
、T
rh
为0和h海拔下的燃气温度。
分别
h和0海拔下单位时间内的燃气流量质量比为：
M
M
rh
=
ρ
rh
v
v
rh
A
r0
ρ
r0r0
A
=
P
P
h
T
r0
0
T
rh
（4）
式中：
M
r0
、M
rh
为喷嘴燃气出口总面积。
分别为0和h海拔下喷嘴喷出的燃气质量；A
根据等温气压公式
[4]
：
P
h
=P
-
Mgh
RT
0
e
（5）
负荷自然衰减率的理论计算公式为：
Mgh
θ=1-
P
P
h
=1-e
-
2RT
T
0
T
r0
rh
（6）
式（5）～（6）中：
θ
为负荷自然衰减率；M为大气分子的
摩尔质量；g为重力加速度；R为普适气体常数；
T
k0
下大气的温度。
为0海拔
1.2整机风压的理论计算
图1中风压传感器取压口1与风机取压嘴相连，取风机处
的压力。风压传感器取压口2取燃气热水器腔体压力。整机风
压为取压口1与取压口2的压力差值。
燃气热水器未启动时，风机未转动，整机风压为0。燃气
热水器启动后，风机转动带动空气流动，整机风压可以用如
下公式计算：
ì
ï
ï
F
ρ
0
v
f0
2
ρ
0
2
í
0
=
ï
ï
ρ
2
-
v
k0
h
v
î
F
=
f
2
h
ρ
2
（7）
h
v
h
k
2
h
式中：
F
2
-
分别为
2
0
、F
h
0和h海拔下的整机风压；
v
f0
、v
fh
为0和h海拔下风机取压嘴处风速；
v
分别
k0
、v
kh
下风压传感器取压口2处风速。
分别为0和h海拔
风机风速和风压传感器取压口2处风速与风压叶轮转速
是成正比的，因此：
v
fh
=
Z
Z
h
0
v
f0
，v
kh
=
Z
Z
h
0
v
k0
（8）
式中：
Z
0
、Z
h
分别为0和h海拔下的风机转速。
根据式（2）、式（5）、式（7）和式（8）可推导出h海
拔下的整机风压理论计算公式为：
F
T
2
-
Mgh
RT
h
=F
0
T
k0
Z
h
（9）
kh
Z
0
2
e
式中：
T
1.3测定烟气中氧含量的理论计算
kh
为h海拔下的大气温度。
在燃气热水器的设计开发中，测定烟气中氧含量的多少
是衡量能够保持稳定燃烧状态的关键指标。当烟气中氧含量
值增大，燃烧会向着离焰方向趋近，造成CO超标和离焰、熄
根据式（3），同理可得单位时间内h和0海拔下，燃烧反
应参与的氧气质量比为：
M
M
yh
=
P
y0
P
h
T
k0
M
0
T
kh
（10）
式中：
y0
、M
yh
比；
T
分别为0和h海拔下燃烧反应参与的氧气质量
k0
、T
kh
由于燃气热水器的风机在不同海拔下负载发生变化，因
分别为0和h海拔下环境温度。
此单位时间内h和0海拔下风机转速不同，流动空气的体积量
与风机转速成正比，可得：
M
ρ
M
Yh
yh
V
y0
Z
h
P
h
T
k0
Y0
=
ρ
Z
h
y0
V
y0
Z
0
=
P
0
T
kh
Z
0
（11）
式中：
M
Y0
、M
Yh
比；
ρ
y0
、ρ
yh
拔下氧气的体积；
为0
为
和
0和h海拔下流经风机的空气中氧气质量
Z
h海拔下氧气的密度；
V
y0
、V
yh
为0和h海
0
、Z
h
为0和h海拔下风机转速。
根据氧含量的百分比变化，可得：
ì
ï
M
ï
yh
í
M
ï
M
Yh
=
A
h
A
-
h
α
h
A
-α
0
（12）
ï
y0
î
M
Y0
=
0
A
0
式中：
A
0
、A
h
为0和h海拔下空气中的氧含量百分比；
α
0
、α
h
为0和h海拔下烟气中的氧含量百分比。
由式（10）~（12）可以推导出h海拔下的测定烟气中氧
含量的理论计算公式为：
α
h
=A
h
(1-
Z
0
(A
A
0
0
-
Z
α
0
)
P
P
0
T
kh
hh
T
k0
)
（13）
式（13）是根据燃烧理论计算的结果，其参与反应的气
体为干空气。但在实际使用和测试过程中大气是含有水分
的，因此大气压及其变化大气压是参与反应的干空气的气体
分压。
通过气体分压理论和饱和水蒸气计算公式
[6-7]
可以得出干
空气的气体分压为：
P
k
=P（1-
φP
b
式中：
P
k
为干空气的气体分压；
101325
）
（14）
P为大气压力；
φ
为湿度；
P
b
为水气分压。
由此，考虑湿度影响的h海拔下测定烟气中氧含量的理
论计算公式为：
α
A
P
0
æ
ç
ö
è
1-
h
=A
h
-
A
0
0
Z
-α
0
)
101
φ
0
P
b0
÷
h
Z
0
(
A
ø
T
kh
（15）
h
P
æ
ç
φP
325
h
ö
h
è
1-
式中：
φ
101325
bh
÷
ø
T
k0
0海拔环境温度为
0
、φ
h
分别为0和h海拔下环境湿度；
P
T
b0
、P
bh
分别为
b0
、T
bh
在同压下饱和蒸气压只与温度相关，同时也满足等温气
下的饱和蒸气压。
146··
范威，等：燃气热水器性能随海拔变化的理论计算及实验验证
压式（5）的变化规律，代入式（15）可得h海拔下测定烟气
中氧含量的理论计算公式为：
A
Mgh
α
=A
h
Z
0
(
A
0
-α
0
)
RT
T
kh
(
101325-φ
hh
-
A
0
P
b0
)
0
Z
16）
h
e
T
k0
(
101325-φ
h
P
bh
)
（
2理论计算与实测对比
为了验证理论计算的准确性，本文作者在佛山的美的集
团燃气热水器实验室和昆明的云南省燃气计量检测所分别对
同一台燃气热水器进行了性能测试，并与理论计算值进行对
比分析。
2.1热负荷自然衰减对比
根据标准GB6932-2015，折算热负荷是将所有因素整合
到同一个条件下的计算值，不会随着海拔的变化而变化。而
实测热负荷是因环境因素而变化的实际值。在实际测试中，
由于比例阀波动误差等原因，会造成喷嘴前压有稍许的波
动，从而计算出的折算热负荷略有差异。本文在计算实测热
负荷的自然衰减率时，将折算热负荷的差率修正在内。
表1所示为佛山与昆明分别测试的热负荷参数和实测衰
减率。
表1热负荷参数和实测衰减率
参数佛山昆明
海拔/m
大气压/kPa
1
环境温度/℃
100.9
15
81.0
891
燃气温度/℃
26
折算热负荷/kW
2622.9
20
实测热负荷/kW
19.21
实测自然衰减率/%
18.93
18.88
-9.6
16.8
取
M=0.029kg/mol；
g=9.8m/s
2
；
R=8.314J/(mol·K)，
代入式（6），可计算出理论自然衰减率
θ=9.7%
，误差
Δ
θ=9.7%-9.6%=0.1%
。
2.2整机风压自然衰减对比
表2所示为佛山与昆明分别测试的整机风压参数和实测
整机风压衰减值。
表2整机风压参数和实测整机风压衰减值
参数佛山昆明
环境温度/℃
风机转速/(r·min
-1
26
整机风压/Pa
)33
20
整机风压衰减值/Pa
99
234
14
85
291
根据表1～2和式（9），计算出整机风压的理论衰减值
F
2.3
h
=84
测定烟气中氧含量的对比
Pa
，误差
Δ
F
h
=（85-84）Pa=1Pa
。
表3所示为佛山与昆明分别测试的烟气中氧含量及环境
参数。
气体分子的平均质量越大，气压减小得越快，其分子数
密度也减小得越快；也就是说，海拔越高，气体分子的平均
质量应该越小。由此还可以推测，氧气的相对体积分数会随
·147·
表3测试的烟气中氧含量及环境参数
参数佛山昆明
环境温度/℃
环境湿度/%
26
风机转速/(r·min
-1
3
73
20
2343
59
大气中氧含量/%
)
20.5
291
[8]
实测烟气中氧含量/%
9.98
21
9.26
高度下降。因此，昆明空气中氧的体积分数是比佛山低的，
其计算过程和数值参考文献[8]。
根据风机空气密度变化经验公式，即随海拔高度变化
公式：
Z
h
将饱
=
Z
0
和
+
蒸
0.29
气压
h
的数值
[9]
查表后代入式（16），
（
可
17
得
）
测试的烟气中氧含量的理论值
α
h
Δ
α
=8.92%
，误差
h
3
=
结束语
9.26%-8.92%=0.34%
。
本文通过海拔、空气组分变化、温湿度对大气分压的影
响等几方面因素考虑，推导出燃气热水器的热负荷自然衰减
比率、整机风压值变化和烟气中氧含量3个重要性能的理论计
算公式。在广东省佛山市和云南省昆明市进行实测验证，将
理论值与测量结果进行比较，3个参数的误差分别低至
设计的过程中，可以通过上述理论公式，去近似计算不同地
0.1％、1Pa和0.34％。证明了在燃气热水器理论研究和结构
区的性能表现，并以此来改进燃气热水器的设计。对燃气热
水器行业的设计、生产和制造具有重要的指导意义。
参考文献：
[1]王保友
木工程学会燃气分会应用专业委员会
.高海拔地区燃气热水器测试方法探讨
2007年年会
[C]//
,2007.
中国土
[2]张坤东
中国土木工程学会城市燃气分会应用专业委员会年
.海拔高度对燃烧性影响及设计补偿方法探讨[C]//
会
2010
.2010.
[3]李罗标
分析[J].
,
日用电器
潘泽林.关于燃气热水器在高海拔地区使用的试验
,2015(4):53-55.
[5]
[4]
同济大学
康颖.大学物理
,重庆大学
[M].(上册
,哈尔滨工业大学
).北京:科学出版社
,等.燃气燃烧与应用
,2005.
[6]万勇
[M].4
,陈汉松
版.北京
,谢小芳
:中国建筑工业出版社
,等.湿空气典型计算公式的推导及应用
,2011.
[7]GB/T
[J].工业计量,2016(S2):69-73.
京:中国标准出版社
28783-2012/ISO
,2013.
8778:2003.气动标准参考大气[S].北
[8]陈俊斌
理论预期
,朱霞
[J].
,
后勤工程学院学报
王凯俊,等.大气对流层气体组分随高度变化的
,2014(7):60-65.
[9]GB/T
京:中国标准出版社
12206-2006.城镇燃气热值和相对密度测定方法
,2007.
[S].北
第一作者简介：范威（1986-），男，辽宁抚顺人，硕士研
究生，工程师，研究领域为燃气热水器性能理论研究和设计
开发，已发表论文4篇。
（编辑：刁少华）
2024年5月6日发(作者：雀嘉珍)
机
第49卷第12期
电工程技术
Vol.49No.12
MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGTECHNOLOGY
DOI:10.3969/.1009-9492.2020.12.045
范威,黄茂林,韩晓箴，等.燃气热水器性能随海拔变化的理论计算及实验验证［J］.机电工程技术，2020，49（12）：145-147.
燃气热水器性能随海拔变化的理论计算及实验验证
范威
1
，黄茂林
1
，韩晓箴
2
，薛承志
1
，李光华
1
528311；2.云南省燃气计量检测所，昆明650216）（1.广东美的厨卫电器制造有限公司，广东佛山
摘要：
通过海拔、空气组分、温湿度等因素的影响，推导出燃气热水器的热负荷自然衰减比率、整机风压值变化和烟气中氧含量值3个重要性能的
理论计算公式。在佛山和昆明进行了实地测试，将理论值与测量结果进行比较，3个参数的误差分别低至0.1％、1Pa和0.34％。实践证明该理论计
算公式模拟燃气热水器不同地区的性能可行，进而指导燃气热水器在设计过程中的不断改进。
关键词：
燃气热水器；海拔；热负荷；风压
中图分类号：
TU996.3
文献标志码：A文章编号：1009－9492(2020)12－0145－03
TheoreticalCalculationandExperimentalVerificationofGasWaterHeater
PerformancewithAltitude
（ongMideaKitchen&BathApplianceManufacturingCo.,Ltd.,Foshan,Guangdong528311,China;
Abstract:
Basedontheinfluenceofaltitude,aircomposition,temperatureandhumidity,thetheoreticalcalculationformulasofnaturalattenuationratioofheat
FanWei
1
，HuangMaolin
1
，HanXiaozhen
2
，XueChengzhi
1
，LiGuanghua
1
GasMeasurementandTestingInstitute,Kunming650216,China）
load,variationofairprestswerecarriedoutinFoshanandKunming,andthe
orsofthethreeparameterswereaslowas0.1%,1Paand0.34%.Itisprovedthatthe
heaterinthedesignprocess.
theoreticalcalculationformulaisfeasibletosimulatetheperformanceofgaswaterheaterindifferentareas,andguidethecontinuousimprovementofgaswater
Keywords:
gaswaterheater;altitude;heatload;fanpressure
0引言
随着我国经济建设的不断发展和西气东输工程的日臻完
善，燃气入户已经成为目前新居建设的标准配置，燃气热水
器已逐渐超过了电热水器，成为家庭沐浴和采暖的首选设
备。我国幅员辽阔，地理环境复杂，从东部沿海到青藏高原，
海拔不断地升高。大气压力随着海拔的增加而逐渐降低，空
气密度也随之降低。燃气热水器是一种依靠空气燃烧为理论
基础的家用电器，海拔的变化对其能性能有着很大的影响。
因此，研究海拔对燃气热水器性能的影响是很重要的。
国内大部分的燃气热水器生产厂商都集中在东部沿海的
低海拔地区，对于高海拔地区，由于环境、人口和基础设施
普及率等因素，一直都不是燃气热水器销售和使用的重要地
区。不同海拔对燃气热水器性能变化的影响一直也没有深
入地进行研究分析。一些从业者仅对燃气热水气的热负荷
等进行一些单一性能分析
[1-3]
。但其简化理论没有考虑实际
环境因素的影响，也没有深入的理论计算推导和详细的实
测验证。
本文将通过海拔、空气组分、温湿度等因素的影响，推
导出燃气热水器的热负荷自然衰减比率、整机风压值变化和
烟气中氧含量值3个重要性能的理论计算公式。并在海拔为
15m的广东省佛山市和海拔1891m的云南省昆明市进行实测
验证，对比理论与实测的误差，验证其正确性和可行性。
收稿日期：2020－10－21
1性能变化的理论推导
1.1热负荷自然衰减理论计算
图1所示为燃气热水器的整机结构图，其结构是不会随
着环境因素而变化的。
图1燃气热水器的整机结构图
燃气热水器的器具前压2000Pa为规定值和相对值，因
此在不同海拔环境下燃气比例阀受压相同，分气杆的喷嘴前
压
ΔP
相同且为相对压。
根据
ΔP
计算公式可得：
·145·
2020年12月机电工程技术第49卷第12期
22
ΔP=
1
ρ
r0
v
r0
=
1
ρ
rh
v
rh
（1）
22
ρ
rh
分别为0和h海拔下的燃气密
式中：
ΔP
为喷嘴前压；
ρ
r0
、
v
rh
分别为0和h海拔下的燃气喷嘴出口速度。
度；
v
r0
、
火等问题；当烟气中氧含量值减少，燃烧会向着黄焰方向趋
近，造成燃烧振动、噪声和CO超标等问题。因此，能够计算
不同海拔处烟气中氧的含量的，是衡量其是否满足设计余量
要求和采取应对措施的关键。
在同一条件下，单一气体的质量比等于体积量比。根据
燃烧理论，燃烧化学反应前后总的体积量不变
[5]
，因此，烟气
中氧的含量可以通过反应前后的质量变化和体积分数变化，
进行计算得出。
根据理想气体的状态方程
PV=nRT
可得：
ρ
rh
P
h
T
r0
=
ρ
r0
P
0
T
rh
v
rh
=
v
P
0
T
rh
PT
（2）
（3）
r0
h
r0
式中：
P
0
、P
h
分别为0和h海拔下的大气压力；
T
r0
、T
rh
为0和h海拔下的燃气温度。
分别
h和0海拔下单位时间内的燃气流量质量比为：
M
M
rh
=
ρ
rh
v
v
rh
A
r0
ρ
r0r0
A
=
P
P
h
T
r0
0
T
rh
（4）
式中：
M
r0
、M
rh
为喷嘴燃气出口总面积。
分别为0和h海拔下喷嘴喷出的燃气质量；A
根据等温气压公式
[4]
：
P
h
=P
-
Mgh
RT
0
e
（5）
负荷自然衰减率的理论计算公式为：
Mgh
θ=1-
P
P
h
=1-e
-
2RT
T
0
T
r0
rh
（6）
式（5）～（6）中：
θ
为负荷自然衰减率；M为大气分子的
摩尔质量；g为重力加速度；R为普适气体常数；
T
k0
下大气的温度。
为0海拔
1.2整机风压的理论计算
图1中风压传感器取压口1与风机取压嘴相连，取风机处
的压力。风压传感器取压口2取燃气热水器腔体压力。整机风
压为取压口1与取压口2的压力差值。
燃气热水器未启动时，风机未转动，整机风压为0。燃气
热水器启动后，风机转动带动空气流动，整机风压可以用如
下公式计算：
ì
ï
ï
F
ρ
0
v
f0
2
ρ
0
2
í
0
=
ï
ï
ρ
2
-
v
k0
h
v
î
F
=
f
2
h
ρ
2
（7）
h
v
h
k
2
h
式中：
F
2
-
分别为
2
0
、F
h
0和h海拔下的整机风压；
v
f0
、v
fh
为0和h海拔下风机取压嘴处风速；
v
分别
k0
、v
kh
下风压传感器取压口2处风速。
分别为0和h海拔
风机风速和风压传感器取压口2处风速与风压叶轮转速
是成正比的，因此：
v
fh
=
Z
Z
h
0
v
f0
，v
kh
=
Z
Z
h
0
v
k0
（8）
式中：
Z
0
、Z
h
分别为0和h海拔下的风机转速。
根据式（2）、式（5）、式（7）和式（8）可推导出h海
拔下的整机风压理论计算公式为：
F
T
2
-
Mgh
RT
h
=F
0
T
k0
Z
h
（9）
kh
Z
0
2
e
式中：
T
1.3测定烟气中氧含量的理论计算
kh
为h海拔下的大气温度。
在燃气热水器的设计开发中，测定烟气中氧含量的多少
是衡量能够保持稳定燃烧状态的关键指标。当烟气中氧含量
值增大，燃烧会向着离焰方向趋近，造成CO超标和离焰、熄
根据式（3），同理可得单位时间内h和0海拔下，燃烧反
应参与的氧气质量比为：
M
M
yh
=
P
y0
P
h
T
k0
M
0
T
kh
（10）
式中：
y0
、M
yh
比；
T
分别为0和h海拔下燃烧反应参与的氧气质量
k0
、T
kh
由于燃气热水器的风机在不同海拔下负载发生变化，因
分别为0和h海拔下环境温度。
此单位时间内h和0海拔下风机转速不同，流动空气的体积量
与风机转速成正比，可得：
M
ρ
M
Yh
yh
V
y0
Z
h
P
h
T
k0
Y0
=
ρ
Z
h
y0
V
y0
Z
0
=
P
0
T
kh
Z
0
（11）
式中：
M
Y0
、M
Yh
比；
ρ
y0
、ρ
yh
拔下氧气的体积；
为0
为
和
0和h海拔下流经风机的空气中氧气质量
Z
h海拔下氧气的密度；
V
y0
、V
yh
为0和h海
0
、Z
h
为0和h海拔下风机转速。
根据氧含量的百分比变化，可得：
ì
ï
M
ï
yh
í
M
ï
M
Yh
=
A
h
A
-
h
α
h
A
-α
0
（12）
ï
y0
î
M
Y0
=
0
A
0
式中：
A
0
、A
h
为0和h海拔下空气中的氧含量百分比；
α
0
、α
h
为0和h海拔下烟气中的氧含量百分比。
由式（10）~（12）可以推导出h海拔下的测定烟气中氧
含量的理论计算公式为：
α
h
=A
h
(1-
Z
0
(A
A
0
0
-
Z
α
0
)
P
P
0
T
kh
hh
T
k0
)
（13）
式（13）是根据燃烧理论计算的结果，其参与反应的气
体为干空气。但在实际使用和测试过程中大气是含有水分
的，因此大气压及其变化大气压是参与反应的干空气的气体
分压。
通过气体分压理论和饱和水蒸气计算公式
[6-7]
可以得出干
空气的气体分压为：
P
k
=P（1-
φP
b
式中：
P
k
为干空气的气体分压；
101325
）
（14）
P为大气压力；
φ
为湿度；
P
b
为水气分压。
由此，考虑湿度影响的h海拔下测定烟气中氧含量的理
论计算公式为：
α
A
P
0
æ
ç
ö
è
1-
h
=A
h
-
A
0
0
Z
-α
0
)
101
φ
0
P
b0
÷
h
Z
0
(
A
ø
T
kh
（15）
h
P
æ
ç
φP
325
h
ö
h
è
1-
式中：
φ
101325
bh
÷
ø
T
k0
0海拔环境温度为
0
、φ
h
分别为0和h海拔下环境湿度；
P
T
b0
、P
bh
分别为
b0
、T
bh
在同压下饱和蒸气压只与温度相关，同时也满足等温气
下的饱和蒸气压。
146··
范威，等：燃气热水器性能随海拔变化的理论计算及实验验证
压式（5）的变化规律，代入式（15）可得h海拔下测定烟气
中氧含量的理论计算公式为：
A
Mgh
α
=A
h
Z
0
(
A
0
-α
0
)
RT
T
kh
(
101325-φ
hh
-
A
0
P
b0
)
0
Z
16）
h
e
T
k0
(
101325-φ
h
P
bh
)
（
2理论计算与实测对比
为了验证理论计算的准确性，本文作者在佛山的美的集
团燃气热水器实验室和昆明的云南省燃气计量检测所分别对
同一台燃气热水器进行了性能测试，并与理论计算值进行对
比分析。
2.1热负荷自然衰减对比
根据标准GB6932-2015，折算热负荷是将所有因素整合
到同一个条件下的计算值，不会随着海拔的变化而变化。而
实测热负荷是因环境因素而变化的实际值。在实际测试中，
由于比例阀波动误差等原因，会造成喷嘴前压有稍许的波
动，从而计算出的折算热负荷略有差异。本文在计算实测热
负荷的自然衰减率时，将折算热负荷的差率修正在内。
表1所示为佛山与昆明分别测试的热负荷参数和实测衰
减率。
表1热负荷参数和实测衰减率
参数佛山昆明
海拔/m
大气压/kPa
1
环境温度/℃
100.9
15
81.0
891
燃气温度/℃
26
折算热负荷/kW
2622.9
20
实测热负荷/kW
19.21
实测自然衰减率/%
18.93
18.88
-9.6
16.8
取
M=0.029kg/mol；
g=9.8m/s
2
；
R=8.314J/(mol·K)，
代入式（6），可计算出理论自然衰减率
θ=9.7%
，误差
Δ
θ=9.7%-9.6%=0.1%
。
2.2整机风压自然衰减对比
表2所示为佛山与昆明分别测试的整机风压参数和实测
整机风压衰减值。
表2整机风压参数和实测整机风压衰减值
参数佛山昆明
环境温度/℃
风机转速/(r·min
-1
26
整机风压/Pa
)33
20
整机风压衰减值/Pa
99
234
14
85
291
根据表1～2和式（9），计算出整机风压的理论衰减值
F
2.3
h
=84
测定烟气中氧含量的对比
Pa
，误差
Δ
F
h
=（85-84）Pa=1Pa
。
表3所示为佛山与昆明分别测试的烟气中氧含量及环境
参数。
气体分子的平均质量越大，气压减小得越快，其分子数
密度也减小得越快；也就是说，海拔越高，气体分子的平均
质量应该越小。由此还可以推测，氧气的相对体积分数会随
·147·
表3测试的烟气中氧含量及环境参数
参数佛山昆明
环境温度/℃
环境湿度/%
26
风机转速/(r·min
-1
3
73
20
2343
59
大气中氧含量/%
)
20.5
291
[8]
实测烟气中氧含量/%
9.98
21
9.26
高度下降。因此，昆明空气中氧的体积分数是比佛山低的，
其计算过程和数值参考文献[8]。
根据风机空气密度变化经验公式，即随海拔高度变化
公式：
Z
h
将饱
=
Z
0
和
+
蒸
0.29
气压
h
的数值
[9]
查表后代入式（16），
（
可
17
得
）
测试的烟气中氧含量的理论值
α
h
Δ
α
=8.92%
，误差
h
3
=
结束语
9.26%-8.92%=0.34%
。
本文通过海拔、空气组分变化、温湿度对大气分压的影
响等几方面因素考虑，推导出燃气热水器的热负荷自然衰减
比率、整机风压值变化和烟气中氧含量3个重要性能的理论计
算公式。在广东省佛山市和云南省昆明市进行实测验证，将
理论值与测量结果进行比较，3个参数的误差分别低至
设计的过程中，可以通过上述理论公式，去近似计算不同地
0.1％、1Pa和0.34％。证明了在燃气热水器理论研究和结构
区的性能表现，并以此来改进燃气热水器的设计。对燃气热
水器行业的设计、生产和制造具有重要的指导意义。
参考文献：
[1]王保友
木工程学会燃气分会应用专业委员会
.高海拔地区燃气热水器测试方法探讨
2007年年会
[C]//
,2007.
中国土
[2]张坤东
中国土木工程学会城市燃气分会应用专业委员会年
.海拔高度对燃烧性影响及设计补偿方法探讨[C]//
会
2010
.2010.
[3]李罗标
分析[J].
,
日用电器
潘泽林.关于燃气热水器在高海拔地区使用的试验
,2015(4):53-55.
[5]
[4]
同济大学
康颖.大学物理
,重庆大学
[M].(上册
,哈尔滨工业大学
).北京:科学出版社
,等.燃气燃烧与应用
,2005.
[6]万勇
[M].4
,陈汉松
版.北京
,谢小芳
:中国建筑工业出版社
,等.湿空气典型计算公式的推导及应用
,2011.
[7]GB/T
[J].工业计量,2016(S2):69-73.
京:中国标准出版社
28783-2012/ISO
,2013.
8778:2003.气动标准参考大气[S].北
[8]陈俊斌
理论预期
,朱霞
[J].
,
后勤工程学院学报
王凯俊,等.大气对流层气体组分随高度变化的
,2014(7):60-65.
[9]GB/T
京:中国标准出版社
12206-2006.城镇燃气热值和相对密度测定方法
,2007.
[S].北
第一作者简介：范威（1986-），男，辽宁抚顺人，硕士研
究生，工程师，研究领域为燃气热水器性能理论研究和设计
开发，已发表论文4篇。
（编辑：刁少华）