燃氣灶熱效率測試中環境因素的影響

汪 昕

(重慶大學 城市建設與環境工程學院， 重慶 400045)

1 概述

GB 30720—2014《家用燃氣灶具能效限定值及能效等級》(以下簡稱GB 30720—2014)將燃氣灶具的能效等級分為3級，大氣式灶具能效等級見表1。規定能效限定值為表1中能效等級的3級，節能評價值為能效等級的2級。其中，能效限定值為國家強制性指標，即效率低于能效等級3級的燃氣灶具不允許生產銷售。由于能效等級分類中各等級熱效率差距并不大，環境參數若對熱效率的測試和計算的結果產生影響，將直接影響到是否能正確判斷一臺灶具的能效等級，以及是否能上市銷售，這對灶具廠家和質量監管單位來說是十分重要的。因此有必要研究灶具熱效率測試中環境因素的影響。

表1 大氣式灶具能效等級

2 規范要求

GB 30720—2014對試驗條件作了如下要求。

① 室溫為(20±5)℃，在每次試驗過程中室溫的波動應小于5 ℃。

② 室溫的確定方法：在距灶具正左方、正右方、正前方各1 m處，將溫度計感溫部分固定在與灶具上端等高位置，測量上述3點的溫度，取其平均值。

③ 通風換氣良好，室內空氣中一氧化碳含量應小于0.002%，二氧化碳含量應小于0.2%，試驗灶具周圍1 m處空氣水平流動速度不大于0.1 m/s。

④ 試驗用燃氣：試驗燃氣按GB/T 13611—2018《城鎮燃氣分類和基本特性》的規定，使用0-2氣。試驗燃氣的低熱值、華白數相對于標準值的偏差應在2%以內；試驗過程中低熱值、華白數變化范圍應在0.5%以內，灶具停止運行時的靜壓力應小于或等于運行時燃氣供氣壓力的1.25倍。

⑤ 試驗灶邊緣至墻壁等遮擋物距離應大于150 mm。

⑥ 燃燒器燃燒所需的空氣量，應使用0-2氣調節到燃燒火焰最佳狀態，然后將風門固定，試驗時不得再調風門。

⑦ 水溫的測定，精密溫度計應放置在一半水深處的中心位置；攪拌器應放置在不接觸溫度計感溫探頭的位置；灶具前壓力測點距離進氣口不大于100 mm。

⑧ 燃燒過程水均勻攪拌，且頻率不小于30 次/min。

3 理論分析

① 灶具熱平衡及熱效率

水從溫度t1加熱到溫度t2，整個過程的灶具熱平衡及熱效率計算式如下：

Qr1+Qr2+Qr3=Qc1+Qc2+Qc3+Qc4+Qc5

(1)

(2)

式中Qr1——燃氣帶入的化學熱量,kJ

Qr2——燃氣帶入的物理熱量,kJ

Qr3——空氣帶入的物理熱量,kJ

Qc1——水和鍋吸收的熱量,kJ

Qc2——燃料不完全燃燒引起的熱量損失,kJ

Qc3——高溫下多原子氣體離解所吸收的熱量,kJ

Qc4——煙氣帶走的物理熱量,kJ

Qc5——釋放到環境(鍋架、灶具壁面、空氣)的熱量,kJ

η——灶具熱效率

② 環境因素對水和鍋吸收的熱量的影響

水和鍋吸收的熱量為：

Qc1=cm(t2-t1)

(3)

m=m1+0.213m2

(4)

式中c——水的比熱容，kJ/(kg·K)，取4.19 kJ/(kg·K)

m——實際加水量與鋁鍋換算為當量加水量之和，kg

t2——水終溫，℃

t1——水初溫，℃

m1——鋁鍋中水的質量,kg

m2——鋁鍋質量，kg

規范要求水初溫為室溫加5 ℃，水終溫為室溫加55 ℃，因而(t2-t1)不變；熱效率測試過程中采用相同的鍋和相同加水量，m也保持不變；水的比熱容可以近似按定值處理，故而可以認為環境因素對水和鍋吸收的熱量無影響。

③ 環境因素對燃氣化學熱量、燃氣帶入的物理熱、空氣帶入的物理熱的影響

燃氣溫度、燃氣流量計處燃氣壓力對燃氣化學熱量是有影響的，應該根據氣體狀態方程對其加以修正。

(5)

式中V0——濕式流量計實測燃氣消耗量(工作狀態下)，m3

Hi——溫度為15 ℃，壓力為101.3 kPa狀態下燃氣的低熱值，kJ/m3，本文所用燃氣取33 223 kJ/m3

tg——燃氣溫度，℃

pa——試驗時的大氣壓力，kPa

pj——實測燃氣流量計內的燃氣壓力，kPa

pb——溫度為tg時的飽和水蒸氣壓力，kPa

本文標準狀態指溫度為15 ℃，壓力為101.3 kPa。當采用濕式流量計計量時，燃氣中水蒸氣必然是飽和狀態，(pa+pj-pb)即是濕式流量計處水蒸氣和燃氣混合物中干燃氣的絕對壓力。

燃氣帶入的物理熱量Qr2、空氣帶入的物理熱量Qr3的計算式如下[1]：

Qr2=(cg+1.266cHdg)tgV1

(6)

Qr3=αVa(ca+1.266cHda)taV1

(7)

式中cg——燃氣的平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)，取1.48 kJ/(m3·K)

1.266——水蒸氣的比體積的數值，相應的單位為m3/kg

cH——水蒸氣的平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)

dg——燃氣的含濕量，kg/m3

V1——標準狀態下干燃氣消耗量，m3

α——過剩空氣系數，取2.3

Va——理論干空氣需要量，m3/m3，取9.275 m3/m3

ca——空氣的平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)，取1.234 6 kJ/(m3·K)

da——空氣的含濕量，kg/m3

ta——環境溫度，℃

當燃氣組成、灶前壓力、風門開度保持不變時，式中α、Va也將保持不變。由于灶具熱效率試驗采用濕式流量計測量燃氣流量，因而式中燃氣的含濕量dg為溫度為tg時飽和燃氣的含濕量。由于燃氣溫度、室溫變化不大，cH、ca、cg可以近似作為定值處理。另外，由于常溫下燃氣的飽和含濕量和空氣的含濕量都是10-2級別，而水、空氣、燃氣的比熱容都是100數量級，與前者相比相差兩個數量級。所以式(6)、(7)括號內加號后的項可以忽略。因此，可以認為，影響燃氣、空氣物理熱的影響因素只有燃氣溫度和環境溫度。

假設燃氣溫度與環境溫度相同，且認為不同環境溫度下使水溫升高50 ℃所消耗的總熱量相同(以表2環境溫度為20 ℃時上限鍋試驗結果為基準),總熱量包括燃氣帶入的化學熱和燃氣、空氣帶入的物理熱。根據式(5)、(6)、(7)可以計算不同環境溫度下單位體積燃氣帶入的總熱量，因此可以計算各個環境溫度下的計算需要燃氣量，從而得到計算熱效率。環境溫度為20 ℃時上限鍋試驗數據測量值及計算值見表2。各環境溫度下灶具的計算結果見表3。

表2 環境溫度為20 ℃時上限鍋試驗數據測量值及計算值

表3 各環境溫度下灶具熱效率的計算結果

由表3可以看出，當環境溫度升高時，計算熱效率是增加的。這是因為在計算熱效率時不考慮燃氣和空氣的物理熱，僅考慮有效熱量(水和鍋吸收的熱量)占燃氣帶入的化學熱量的比例。隨著溫度升高，單位體積的燃氣燃燒，燃氣和空氣的物理熱，尤其是空氣的物理熱逐漸不可忽略，且逐漸增大，但整個過程鍋和水吸收的熱量不隨環境溫度變化而變化，因此，熱效率隨環境溫度升高而增加。

小結：當環境溫度升高時，燃氣溫度也升高，燃氣帶入的化學熱量降低，燃氣帶入的物理熱、空氣帶入的物理熱均變大。

④ 環境因素對Qc2、Qc3的影響

一般來說，燃燒溫度低于1 800 ℃時，熱離解反應很微弱，多原子氣體離解所吸收的熱量Qc3可以不必考慮[2]。經試驗測算，不同環境溫度時，煙氣中CO的體積分數在0.002%～0.005%范圍內。試驗燃氣組成見表4。根據文獻[2],計算得出單位體積燃氣燃燒產生的實際煙氣量為22.337 m3/m3。

表4 試驗燃氣組成

燃料不完全燃燒引起的熱量損失：

Qc2=HcoVfφ1V1

(8)

式中Hco——CO的熱值，kJ/m3，取11 986 kJ/m3

Vf——單位體積燃氣燃燒產生的實際煙氣量， m3/m3

φ1——煙氣中的CO體積分數，取0.005%

根據表2計算的結果，環境溫度為20 ℃、水溫升高50 ℃時，所需要的總熱量為3 491.96 kJ。燃料不完全燃燒引起的熱量損失Qc2占總熱量的比例僅為0.04%，因此，可以忽略燃料不完全燃燒引起的熱量損失Qc2。

小結：環境因素對燃氣不完全燃燒所引起的熱量損失及高溫下多原子氣體離解所吸收的熱量的影響可以忽略不計。

⑤ 環境因素對煙氣帶走的物理熱量Qc4的影響

煙氣從鍋底流出后，一部分煙氣水平擴散到周圍環境中，另一部分煙氣豎直擴散到鍋的側面繼續進行對流換熱，直至流至鍋內液面處，此時煙氣仍帶有熱量，忽略熱輻射的作用，這些熱量不再與鍋和水進行換熱。由于鍋底出口處的煙氣溫度很高，浮力成為煙氣流動的主要驅動力，可以忽略前一部分煙氣流動過程。煙氣在豎直擴散過程中，一部分熱量被鍋的側面吸收，為有效熱量；另一部分熱量被環境吸收，為損失熱量。因此煙氣帶走的熱量包括兩部分：一部分是從鍋底流至液面過程中，煙氣與周圍環境的熱交換造成的熱量損失；另一部分是煙氣離開液面時所具有的物理熱。經試驗測得，不同環境溫度時，鍋底出口處煙氣平均溫度約為(270±10)℃，液面出口處平均煙氣的溫度約為(105±10)℃。假設煙氣豎直擴散過程中有效熱量和損失熱量各占一半，因此取鍋底、液面出口煙氣溫度的平均值即188 ℃為煙氣帶走熱量的計算溫度[3]。煙氣帶走的物理熱量Qc4為：

Qc4=188VfV1cpj

(9)

式中cpj——煙氣在0 ℃至188 ℃的平均體積熱容，kJ/(m3·K) ，取1.378 kJ/(m3·K)

環境因素對煙氣帶走的物理熱量的影響：

ΔQc4=10VfV1cpj

(10)

式中 ΔQc4——環境因素影響煙氣帶走的物理熱量的變化量，kJ

可以得出，煙氣帶走的物理熱量占總熱量的17.5%，占總熱損失的46.9%，是熱損失的主要部分。環境對煙氣帶走的物理熱量影響占總熱量的0.9%。

小結：環境因素對煙氣帶走的物理熱量影響較小，可以忽略不計。

⑥ 環境因素對釋放到環境的熱量Qc5的影響

釋放到環境的熱量包括鍋蓋釋放到環境的熱量、鍋側面釋放到環境的熱量、鍋底面釋放到環境的熱量以及燃燒器和鍋支架、灶面吸收的熱量。有學者經過熱流密度測試試驗得出結論：通過鍋底和鍋側面釋放到環境的熱量占總熱量的4.1%和4.6%，通過鍋頂釋放的熱量以及燃燒器、鍋支架、灶面吸收的熱量占總熱量的5.9%[4]。由于熱損失項很多，難以計算，很難定量描述環境對這些熱量的影響。

小結：環境溫度升高，系統與環境的溫差減小，因此散發到環境的熱量Qc5減少；同理，環境溫度降低，散發到環境熱量Qc5增多。

4 試驗驗證

① 試驗設計

選取一臺固定的嵌入式燃氣灶具進行熱效率測試，試驗設備和試驗條件嚴格符合GB 30720—2014和GB 16410—2007《家用燃氣灶具》要求。控制灶前壓力為2 kPa，為了使試驗結果最大程度上反映環境因素對灶具熱效率的影響，將風門開度保持最大，記錄試驗時的燃氣溫度、環境溫度、大氣壓力，測試灶具的熱效率。為了使測試結果更加準確，同一環境條件下重復進行3次測試，熱效率取3次測試的平均值，熱效率最大值與最小值差不超過1%，否則重新進行試驗。

② 試驗儀器設備連接

試驗主要儀器儀表選取均符合規范要求，試驗儀器設備連接見圖1。

③ 試驗結果

符合規范要求的環境溫度下，灶具的實測熱效率與能效等級見表5。

表5 符合規范要求的環境溫度下灶具的實測熱效率與能效等級

圖1 試驗儀器設備連接

由表5可以看出，灶具熱效率隨著環境溫度升高而升高。由此可知，環境因素對灶具熱效率試驗是非常重要的，將直接影響判斷灶具的能效等級。因此燃具制造廠家和燃具檢測中心非常有必要建立恒溫實驗室來進行灶具性能測試。

④ 試驗討論

a.與之前理論計算的熱效率對比，可以發現實際上環境溫度對熱效率的影響要比理論分析的影響要大。這是由于環境溫度升高，散發到環境的熱量減小，使水溫升高50 ℃所消耗的總熱量應該減少，并且計算的時候做了一些近似計算，這些都導致了計算熱效率與試驗熱效率存在偏差。但能反映的是，環境溫度升高時，灶具熱效率增加。

b.由于試驗的人力有限，僅采用一臺嵌入式灶具做驗證試驗，為了結論的通用性，應采用臺式灶具、多臺灶具驗證環境因素的影響，進行補充試驗。

5 結論

① 依據灶具熱平衡及熱效率計算關系式，分析環境因素對熱平衡中各部分熱量的影響。

② 水和鍋吸收的熱量與環境因素無關。當環境溫度升高時，燃氣溫度也升高，燃氣帶入的化學熱量降低，燃氣帶入的物理熱、空氣帶入的物理熱均變大。環境因素對燃氣不完全燃燒所引起的熱量損失及高溫下多原子氣體離解所吸收的熱量的影響可以忽略不計。環境因素對煙氣帶走的物理熱量影響較小，可以忽略不計。環境溫度升高，釋放到環境的熱量減少。

③ 當環境溫度、燃氣溫度升高時，灶具的熱效率增加；環境溫度對灶具熱效率的影響大于燃氣溫度對灶具熱效率的影響。

④ 在符合規范要求的環境溫度下進行熱效率試驗，環境溫度24.83 ℃下與環境溫度15.30 ℃下的熱效率差達1.48%，將直接影響判斷灶具的能效等級。