論家用燃氣快速熱水器熱效率測量不確定度

彭金東

【摘要】本文針對家用燃氣快速熱水器熱效率測量不確定度進行了簡要研討，僅供參考。

【關鍵詞】家用燃氣;快速熱水器;熱效率;測量;不確定度

1基本方法及計算原理

1.1測試方法

燃氣快速熱水器的額定熱負荷效率和50%熱負荷效率的檢測是依據GB6932-2015《家用燃氣快速熱水器》和GB20665-2015《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》規定的方法。在0-2燃氣條件下，使用額定燃氣壓力及0.1MPa水壓，熱水器進水溫度為20±1℃，熱水器運行15min后進行熱效率測試。測額定熱負荷效率時，調節出水溫度比進水溫度高40±1K;50%熱負荷效率測試時，出水溫度比進水溫度高20±1K。本文使用了熱水器能效自動測試臺進行檢測，通過多次重復測量和查閱各測量設備的計量證書，根據JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》最終評定熱效率測試結果的不確定度。

1.2熱效率計算數學模型

家用燃氣快速熱水器熱效率計算公式如下：

其中，M為出熱水量，單位kg/min;C為水的比熱，4.19×10-3MJ/kg·K;t2為出水溫度，單位℃;t1為進水溫度，單位℃;Qi為實測燃氣中某組分的低熱值，單位MJ/m3;fi為實測燃氣中某組分的體積分數，單位%;V為實測燃氣流量，單位L/min;tg為燃氣溫度，單位℃;Pa為試驗時的大氣壓力，單位kPa;Pm為試驗時燃氣流量計內燃氣壓力，單位kPa;Ps為溫度tg時的飽和水蒸氣壓力，單位kPa。（當使用干式流量計測量時，Ps值應乘以試驗燃氣的相對濕度進行修正）。

2不確定度分析評定

2.1不確定度來源

測量不確定度分為A類不確定度和B類不確定度。在燃氣熱水器的熱效率測試中，測量不確定度主要來源于各個被測物理量，包括測量儀器的計量性能的局限性和在相同條件下被測量重復觀測值的變化等。

2.2測試原始數據

型號為JSQ24-A（天然氣12T）家用燃氣快速熱水器樣品，在額定負荷狀態下，對大氣壓力、燃氣溫度、流量計內壓力、熱水器前燃氣壓力、燃氣流量、進水溫度、出水溫度、熱水流量分別進行記錄，獲得12組數據如表2所示。在50%額定負荷狀態下進，對大氣壓力、燃氣溫度、流量計內壓力、熱水器前燃氣壓力、燃氣流量、進水溫度、出水溫度、熱水流量分別進行測量，獲得12組數據如表3所示。使用100%甲烷作為測試燃氣，燃氣低熱值為34.02MJ/m3。

2.3A類不確定度

A類不確定度主要來源于對被測量重復測試的變化。對被測量進行獨立重復觀測，通過得到的一系列測試值，用統計分析方法獲得實驗標準偏差s（x）。當用算術平均值作為被測量估計值時，被測量估計值的A類不確定度可按公式計算：

其中，公式中的實驗標準差s（xi）可用貝塞爾公式求得，如公式：

被測量算術平均值可用公式求得：

熱水器在額定負荷狀態下，大氣壓力、燃氣溫度、流量計壓力、熱水器前壓力、燃氣流量、進水溫度、出水溫度、出熱水流量、經多次重復測量后，其A類不確定度和自由度可知：

熱水器在50%額定負荷狀態下，大氣壓力、燃氣溫度、流量計壓力、熱水器前壓力、燃氣流量、進水溫度、出水溫度、出熱水流量經多次重復測量后，其A類不確定度和自由度如表5所示。

2.4B類不確定度的評定

在本次測試中，所測量物理量的不確定度通過測量儀器的校準證書獲得，即B類不確定度。所有測量儀器的計量證書均指明了儀器的擴展不確定度U（xi）以及包含因子k或置信概率p的大小，正態分布下置信概率p與包含因子k的關系，所測量物理量的B類不確定度uB（x）可通過公式求得：對于正態分布，uB（x）的自由度可通過公式求得：因此，熱水器在額定負荷狀態下，所測量物理量的B類不確定度可知：熱水器在50%額定負荷狀態下，所測量物理量的B類不確定度如下表：使用100%甲烷作為測試燃氣，不考慮由燃氣成分引入的不確定度。

2.5合成標準不確定度評定

合成不確定度可通過公式求得：

其中稱為靈敏系數ci，合成不確定度的自由度可通過公式計算得出：

在額定熱負荷狀態下，熱效率的合成不確定度uc（η）為0.85%，其有效自由度為445;50%額定熱負荷狀態，熱效率的合成不確定度uc（η）為1.04%，其有效自由度為561。

2.6擴展不確定度評定

擴展不確定度U由合成不確定度uc乘包含因子k得到，按公式計算：

測量結果可用公式表示，其中y是被測量Y的估計值。y可按公式計算得到：

燃氣熱水器熱效率η的估計值按公式公式計算：

當y和uc所表征的概率分布近似為正態分布時，且uc的有效自由度較大的情況下，k通常取2。因此，燃氣熱水器的熱效率η測量結果，按公式表示：

終上所述，改樣品的效率測量結果為：額定熱負荷熱效率為：Up=k×uc（η）=0.85%;η=89.67%±0.85%。50%額定熱負荷狀態下熱效率為：Up=k×uc（η）=1.04%;η=87.70%±1.04%

結語

不確定度來源識別從人、機、料、法、環、測六個方面去地識別出影響結果的主要因素。本文講解JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》的要求和不確定度的分析步驟，對影響家用燃氣熱水器熱效率不確定度的各種因素的進行評定，獲得本實驗室測量家用燃氣快速熱水器熱效率的擴展不確定度，為評估本實驗室測量結果的可靠性提供重要依據，同時充分體現了本實驗室自動化檢測設備精確的檢測能力。

參考文獻

[1]李亞琴.燃氣熱水器熱效率測定的不確定度分析和評定[J].家用燃氣具，2011（7）：45-46.

[2]王義廂.測量不確定度對CFB鍋爐熱效率反平衡法測試的影響[J].中國科技信息，2016（16）.