燃气灶热效率测试中环境因素的影响

汪 昕

(重庆大学 城市建设与环境工程学院， 重庆 400045)

1 概述

GB 30720—2014《家用燃气灶具能效限定值及能效等级》(以下简称GB 30720—2014)将燃气灶具的能效等级分为3级，大气式灶具能效等级见表1。规定能效限定值为表1中能效等级的3级，节能评价值为能效等级的2级。其中，能效限定值为国家强制性指标，即效率低于能效等级3级的燃气灶具不允许生产销售。由于能效等级分类中各等级热效率差距并不大，环境参数若对热效率的测试和计算的结果产生影响，将直接影响到是否能正确判断一台灶具的能效等级，以及是否能上市销售，这对灶具厂家和质量监管单位来说是十分重要的。因此有必要研究灶具热效率测试中环境因素的影响。

表1 大气式灶具能效等级

2 规范要求

GB 30720—2014对试验条件作了如下要求。

① 室温为(20±5)℃，在每次试验过程中室温的波动应小于5 ℃。

② 室温的确定方法：在距灶具正左方、正右方、正前方各1 m处，将温度计感温部分固定在与灶具上端等高位置，测量上述3点的温度，取其平均值。

③ 通风换气良好，室内空气中一氧化碳含量应小于0.002%，二氧化碳含量应小于0.2%，试验灶具周围1 m处空气水平流动速度不大于0.1 m/s。

④ 试验用燃气：试验燃气按GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》的规定，使用0-2气。试验燃气的低热值、华白数相对于标准值的偏差应在2%以内；试验过程中低热值、华白数变化范围应在0.5%以内，灶具停止运行时的静压力应小于或等于运行时燃气供气压力的1.25倍。

⑤ 试验灶边缘至墙壁等遮挡物距离应大于150 mm。

⑥ 燃烧器燃烧所需的空气量，应使用0-2气调节到燃烧火焰最佳状态，然后将风门固定，试验时不得再调风门。

⑦ 水温的测定，精密温度计应放置在一半水深处的中心位置；搅拌器应放置在不接触温度计感温探头的位置；灶具前压力测点距离进气口不大于100 mm。

⑧ 燃烧过程水均匀搅拌，且频率不小于30 次/min。

3 理论分析

① 灶具热平衡及热效率

水从温度t1加热到温度t2，整个过程的灶具热平衡及热效率计算式如下：

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

(1)

(2)

式中Qr1——燃气带入的化学热量,kJ

Qr2——燃气带入的物理热量,kJ

Qr3——空气带入的物理热量,kJ

Qc1——水和锅吸收的热量,kJ

Qc2——燃料不完全燃烧引起的热量损失,kJ

Qc3——高温下多原子气体离解所吸收的热量,kJ

Qc4——烟气带走的物理热量,kJ

Qc5——释放到环境(锅架、灶具壁面、空气)的热量,kJ

η——灶具热效率

② 环境因素对水和锅吸收的热量的影响

水和锅吸收的热量为：

Qc1=cm(t2-t1)

(3)

m=m1+0.213m2

(4)

式中c——水的比热容，kJ/(kg·K)，取4.19 kJ/(kg·K)

m——实际加水量与铝锅换算为当量加水量之和，kg

t2——水终温，℃

t1——水初温，℃

m1——铝锅中水的质量,kg

m2——铝锅质量，kg

规范要求水初温为室温加5 ℃，水终温为室温加55 ℃，因而(t2-t1)不变；热效率测试过程中采用相同的锅和相同加水量，m也保持不变；水的比热容可以近似按定值处理，故而可以认为环境因素对水和锅吸收的热量无影响。

③ 环境因素对燃气化学热量、燃气带入的物理热、空气带入的物理热的影响

燃气温度、燃气流量计处燃气压力对燃气化学热量是有影响的，应该根据气体状态方程对其加以修正。

(5)

式中V0——湿式流量计实测燃气消耗量(工作状态下)，m3

Hi——温度为15 ℃，压力为101.3 kPa状态下燃气的低热值，kJ/m3，本文所用燃气取33 223 kJ/m3

tg——燃气温度，℃

pa——试验时的大气压力，kPa

pj——实测燃气流量计内的燃气压力，kPa

pb——温度为tg时的饱和水蒸气压力，kPa

本文标准状态指温度为15 ℃，压力为101.3 kPa。当采用湿式流量计计量时，燃气中水蒸气必然是饱和状态，(pa+pj-pb)即是湿式流量计处水蒸气和燃气混合物中干燃气的绝对压力。

燃气带入的物理热量Qr2、空气带入的物理热量Qr3的计算式如下[1]：

Qr2=(cg+1.266cHdg)tgV1

(6)

Qr3=αVa(ca+1.266cHda)taV1

(7)

式中cg——燃气的平均体积定压热容，kJ/(m3·K)，取1.48 kJ/(m3·K)

1.266——水蒸气的比体积的数值，相应的单位为m3/kg

cH——水蒸气的平均体积定压热容，kJ/(m3·K)

dg——燃气的含湿量，kg/m3

V1——标准状态下干燃气消耗量，m3

α——过剩空气系数，取2.3

Va——理论干空气需要量，m3/m3，取9.275 m3/m3

ca——空气的平均体积定压热容，kJ/(m3·K)，取1.234 6 kJ/(m3·K)

da——空气的含湿量，kg/m3

ta——环境温度，℃

当燃气组成、灶前压力、风门开度保持不变时，式中α、Va也将保持不变。由于灶具热效率试验采用湿式流量计测量燃气流量，因而式中燃气的含湿量dg为温度为tg时饱和燃气的含湿量。由于燃气温度、室温变化不大，cH、ca、cg可以近似作为定值处理。另外，由于常温下燃气的饱和含湿量和空气的含湿量都是10-2级别，而水、空气、燃气的比热容都是100数量级，与前者相比相差两个数量级。所以式(6)、(7)括号内加号后的项可以忽略。因此，可以认为，影响燃气、空气物理热的影响因素只有燃气温度和环境温度。

假设燃气温度与环境温度相同，且认为不同环境温度下使水温升高50 ℃所消耗的总热量相同(以表2环境温度为20 ℃时上限锅试验结果为基准),总热量包括燃气带入的化学热和燃气、空气带入的物理热。根据式(5)、(6)、(7)可以计算不同环境温度下单位体积燃气带入的总热量，因此可以计算各个环境温度下的计算需要燃气量，从而得到计算热效率。环境温度为20 ℃时上限锅试验数据测量值及计算值见表2。各环境温度下灶具的计算结果见表3。

表2 环境温度为20 ℃时上限锅试验数据测量值及计算值

表3 各环境温度下灶具热效率的计算结果

由表3可以看出，当环境温度升高时，计算热效率是增加的。这是因为在计算热效率时不考虑燃气和空气的物理热，仅考虑有效热量(水和锅吸收的热量)占燃气带入的化学热量的比例。随着温度升高，单位体积的燃气燃烧，燃气和空气的物理热，尤其是空气的物理热逐渐不可忽略，且逐渐增大，但整个过程锅和水吸收的热量不随环境温度变化而变化，因此，热效率随环境温度升高而增加。

小结：当环境温度升高时，燃气温度也升高，燃气带入的化学热量降低，燃气带入的物理热、空气带入的物理热均变大。

④ 环境因素对Qc2、Qc3的影响

一般来说，燃烧温度低于1 800 ℃时，热离解反应很微弱，多原子气体离解所吸收的热量Qc3可以不必考虑[2]。经试验测算，不同环境温度时，烟气中CO的体积分数在0.002%～0.005%范围内。试验燃气组成见表4。根据文献[2],计算得出单位体积燃气燃烧产生的实际烟气量为22.337 m3/m3。

表4 试验燃气组成

燃料不完全燃烧引起的热量损失：

Qc2=HcoVfφ1V1

(8)

式中Hco——CO的热值，kJ/m3，取11 986 kJ/m3

Vf——单位体积燃气燃烧产生的实际烟气量， m3/m3

φ1——烟气中的CO体积分数，取0.005%

根据表2计算的结果，环境温度为20 ℃、水温升高50 ℃时，所需要的总热量为3 491.96 kJ。燃料不完全燃烧引起的热量损失Qc2占总热量的比例仅为0.04%，因此，可以忽略燃料不完全燃烧引起的热量损失Qc2。

小结：环境因素对燃气不完全燃烧所引起的热量损失及高温下多原子气体离解所吸收的热量的影响可以忽略不计。

⑤ 环境因素对烟气带走的物理热量Qc4的影响

烟气从锅底流出后，一部分烟气水平扩散到周围环境中，另一部分烟气竖直扩散到锅的侧面继续进行对流换热，直至流至锅内液面处，此时烟气仍带有热量，忽略热辐射的作用，这些热量不再与锅和水进行换热。由于锅底出口处的烟气温度很高，浮力成为烟气流动的主要驱动力，可以忽略前一部分烟气流动过程。烟气在竖直扩散过程中，一部分热量被锅的侧面吸收，为有效热量；另一部分热量被环境吸收，为损失热量。因此烟气带走的热量包括两部分：一部分是从锅底流至液面过程中，烟气与周围环境的热交换造成的热量损失；另一部分是烟气离开液面时所具有的物理热。经试验测得，不同环境温度时，锅底出口处烟气平均温度约为(270±10)℃，液面出口处平均烟气的温度约为(105±10)℃。假设烟气竖直扩散过程中有效热量和损失热量各占一半，因此取锅底、液面出口烟气温度的平均值即188 ℃为烟气带走热量的计算温度[3]。烟气带走的物理热量Qc4为：

Qc4=188VfV1cpj

(9)

式中cpj——烟气在0 ℃至188 ℃的平均体积热容，kJ/(m3·K) ，取1.378 kJ/(m3·K)

环境因素对烟气带走的物理热量的影响：

ΔQc4=10VfV1cpj

(10)

式中 ΔQc4——环境因素影响烟气带走的物理热量的变化量，kJ

可以得出，烟气带走的物理热量占总热量的17.5%，占总热损失的46.9%，是热损失的主要部分。环境对烟气带走的物理热量影响占总热量的0.9%。

小结：环境因素对烟气带走的物理热量影响较小，可以忽略不计。

⑥ 环境因素对释放到环境的热量Qc5的影响

释放到环境的热量包括锅盖释放到环境的热量、锅侧面释放到环境的热量、锅底面释放到环境的热量以及燃烧器和锅支架、灶面吸收的热量。有学者经过热流密度测试试验得出结论：通过锅底和锅侧面释放到环境的热量占总热量的4.1%和4.6%，通过锅顶释放的热量以及燃烧器、锅支架、灶面吸收的热量占总热量的5.9%[4]。由于热损失项很多，难以计算，很难定量描述环境对这些热量的影响。

小结：环境温度升高，系统与环境的温差减小，因此散发到环境的热量Qc5减少；同理，环境温度降低，散发到环境热量Qc5增多。

4 试验验证

① 试验设计

选取一台固定的嵌入式燃气灶具进行热效率测试，试验设备和试验条件严格符合GB 30720—2014和GB 16410—2007《家用燃气灶具》要求。控制灶前压力为2 kPa，为了使试验结果最大程度上反映环境因素对灶具热效率的影响，将风门开度保持最大，记录试验时的燃气温度、环境温度、大气压力，测试灶具的热效率。为了使测试结果更加准确，同一环境条件下重复进行3次测试，热效率取3次测试的平均值，热效率最大值与最小值差不超过1%，否则重新进行试验。

② 试验仪器设备连接

试验主要仪器仪表选取均符合规范要求，试验仪器设备连接见图1。

③ 试验结果

符合规范要求的环境温度下，灶具的实测热效率与能效等级见表5。

表5 符合规范要求的环境温度下灶具的实测热效率与能效等级

图1 试验仪器设备连接

由表5可以看出，灶具热效率随着环境温度升高而升高。由此可知，环境因素对灶具热效率试验是非常重要的，将直接影响判断灶具的能效等级。因此燃具制造厂家和燃具检测中心非常有必要建立恒温实验室来进行灶具性能测试。

④ 试验讨论

a.与之前理论计算的热效率对比，可以发现实际上环境温度对热效率的影响要比理论分析的影响要大。这是由于环境温度升高，散发到环境的热量减小，使水温升高50 ℃所消耗的总热量应该减少，并且计算的时候做了一些近似计算，这些都导致了计算热效率与试验热效率存在偏差。但能反映的是，环境温度升高时，灶具热效率增加。

b.由于试验的人力有限，仅采用一台嵌入式灶具做验证试验，为了结论的通用性，应采用台式灶具、多台灶具验证环境因素的影响，进行补充试验。

5 结论

① 依据灶具热平衡及热效率计算关系式，分析环境因素对热平衡中各部分热量的影响。

② 水和锅吸收的热量与环境因素无关。当环境温度升高时，燃气温度也升高，燃气带入的化学热量降低，燃气带入的物理热、空气带入的物理热均变大。环境因素对燃气不完全燃烧所引起的热量损失及高温下多原子气体离解所吸收的热量的影响可以忽略不计。环境因素对烟气带走的物理热量影响较小，可以忽略不计。环境温度升高，释放到环境的热量减少。

③ 当环境温度、燃气温度升高时，灶具的热效率增加；环境温度对灶具热效率的影响大于燃气温度对灶具热效率的影响。

④ 在符合规范要求的环境温度下进行热效率试验，环境温度24.83 ℃下与环境温度15.30 ℃下的热效率差达1.48%，将直接影响判断灶具的能效等级。