基于昆明基準大氣壓力高海拔燃具熱負荷計算

司立峰，周偉業，鄧 旭，華杰鋒，劉文博，韓曉箴，楊麗杰，陳德春，王永康

(1.中國質量認證中心，北京 100070；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司城市燃氣熱力研究院，天津 300384；3.云南省燃氣計量檢測所有限公司，云南 昆明 650216)

1 概述

GB 6932—2015《家用燃氣快速熱水器》規定，家用燃氣快速熱水器(簡稱熱水器)的試驗室大氣壓力為86～106 kPa，GB 16410—2020《家用燃氣灶具》未對家用燃氣灶(簡稱燃氣灶)試驗室的大氣壓力作相關規定。GB/T 16411—2008《家用燃氣用具通用試驗方法》規定各檢驗項目或各燃具標準沒有特別規定試驗室條件時，大氣壓力為86～106 kPa。

根據GB/T 4797.2—2017《環境條件分類 自然環境條件 氣壓》中海拔與壓力的規定，可計算出86 kPa對應的海拔為1 375 m。我國西部和西南地區的城市如蘭州、銀川、烏魯木齊、昆明、拉薩等海拔均超過1 500 m，即這此地區大氣壓力超出標準規定的壓力范圍。因此，有必要提出適合高海拔燃具的試驗方法和計算公式。

海拔主要影響大氣壓力，從而影響燃具熱負荷和干煙氣中CO 體積分數。本文以昆明市為例，對高海拔燃具的熱負荷計算展開分析。

2 基于K-means算法昆明基準大氣壓力

為確定基準大氣壓力，本文統計了昆明市2011年1月1日至2022年7月31日每日每隔3 h或6 h的大氣壓力，共31 058個數據，并以此為基礎，確定昆明市的基準大氣壓力(稱為昆明基準大氣壓力)。

K-means聚類算法能夠利用當地大氣壓力歷史數據，采用距離作為相似性評價指標將其分為若干簇，選取樣本數量最大的簇中心作為基準值，能夠真實反映當地實際的大氣壓力。該算法高效，在對大規模數據進行聚類時被廣泛應用[1]。

在K-means聚類算法中，一般采用Silhouette聚類有效評價函數確定最佳聚類數。該函數值域為[-1,1]，函數值越大表明聚類越合理。當聚類數k=3時，Silhouette聚類有效評價函數值最大，故聚成3簇。表1為簇中心對應的壓力，表2為每個簇的樣本數量，3個簇共有樣本31 058個。

選取樣本數量最多的簇2中心對應的壓力作為基準值，取81.1 kPa作為昆明基準大氣壓力。

表1 簇中心對應的壓力

表2 每個簇的樣本數量

3 熱負荷計算公式

3.1 實測熱負荷

將按照GB 16410—2020中公式(1)得到的實測熱負荷稱為實測熱負荷，其對應的基準狀態為15 ℃、101.3 kPa。實測熱負荷計算見下式：

(1)

式中Φ101.3——實測熱負荷，kW

H101.3——15 ℃、101.3 kPa下干試驗氣低熱值，MJ/m3

q——實測燃氣流量，m3/h

tm——通過濕式流量計的燃氣溫度，℃

pamb——試驗時大氣壓力，kPa

pm——通過濕式流量計的燃氣壓力，kPa

pw——溫度為tm時的水飽和蒸氣壓力，kPa

將按照下式計算得到的熱負荷稱為昆明實測熱負荷，其對應的基準狀態為15 ℃、81.1 kPa。

(2)

式中Φ81.1——昆明實測熱負荷，kW

H81.1——15 ℃、81.1 kPa下干試驗氣低熱值，MJ/m3

3.2 實測折算熱負荷

將按照GB/T 16411—2008中公式(1)得到的熱負荷稱為實測折算熱負荷，其對應的基準狀態為15 ℃、101.3 kPa。實測折算熱負荷計算見下式：

(3)

式中Φ101.3,ref——燃具前燃氣壓力為額定壓力時基準干燃氣實測折算熱負荷，kW

H101.3,ref——15 ℃、101.3 kPa下基準干燃氣低熱值，MJ/m3

dtes——干試驗氣的相對密度

dref——基準氣的相對密度

papp——燃具前試驗氣壓力，kPa

將按照下式計算得到的熱負荷稱為昆明實測折算熱負荷，其對應的基準狀態為15 ℃、81.1 kPa。

(4)

式中Φ81.1,ref——燃具前燃氣壓力為額定壓力時基準干燃氣昆明實測折算熱負荷，kW

H81.1,ref——15 ℃、81.1 kPa下基準干燃氣低熱值，MJ/m3

4 試驗樣品和試驗方法

試驗樣品取4臺燃氣灶和4臺熱水器，在昆明進行熱負荷試驗，試驗樣品參數見表3。燃氣灶的試驗條件、狀態及方法按照GB 16410—2020表15規定進行，熱水器的試驗條件、狀態及方法按照GB 6932—2015表12規定進行，并按照式(1)和式(2)進行實測熱負荷和昆明實測熱負荷計算，按照式(3)和式(4)進行實測折算熱負荷和昆明實測折算熱負荷計算。

燃氣灶額定熱負荷指左眼燃燒器額定熱負荷，右眼燃燒器額定熱負荷與左眼燃燒器相同。燃氣灶均采用大氣式燃燒，進風方式均為下進風，且風門固定。熱水器的燃燒方式均為大氣式燃燒，給排氣方式均為強制排氣式，根據GB 6932—2015圖2，強制排氣式分為鼓風型、引風型。燃氣灶和熱水器氣源為天然氣(12T)時額定壓力均為2 000 Pa，氣源為液化石油氣(20Y)時額定壓力均為2 800 Pa。

表3 試驗樣品參數

5 熱負荷偏差

為分析試驗結果，定義如下3種熱負荷偏差：

(5)

(6)

(7)

式中Vref——昆明實測折算熱負荷與實測折算熱負荷偏差

V101.3——實測折算熱負荷與實測熱負荷偏差

V81.1——昆明實測折算熱負荷與昆明實測熱負荷偏差

6 試驗結果分析

① 實測熱負荷與昆明實測熱負荷對比

表4為實測熱負荷和昆明實測熱負荷，可以看出，實測熱負荷與昆明實測熱負荷完全相同。

續表4

② 實測折算熱負荷與昆明實測折算熱負荷對比

采用式(3)和式(4)分別計算出實測折算熱負荷和昆明實測折算熱負荷，根據式(5)計算出昆明實測折算熱負荷與實測折算熱負荷偏差，試驗結果見表5。可以看出昆明實測折算熱負荷比實測折算熱負荷低10%左右。可以在燃具銘牌上標注2個額定熱負荷：標稱額定熱負荷、昆明額定熱負荷，標稱額定熱負荷值為實測折算熱負荷值，使用環境是15 ℃、101.325 kPa；昆明額定熱負荷值是昆明實測折算熱負荷值，使用環境是15 ℃、81.1 kPa。

表5 實測折算熱負荷與昆明實測折算熱負荷試驗結果對比

③ 實測折算熱負荷與實測熱負荷偏差、昆明實測折算熱負荷與昆明實測熱負荷偏差對比

根據式(6)、(7)計算出實測折算熱負荷與實測熱負荷偏差、昆明實測折算熱負荷與昆明實測熱負荷偏差，結果見表6。由表6可知，昆明實測折算熱負荷與昆明實測熱負荷比較接近，兩者偏差為4%～7%，實測折算熱負荷與實測熱負荷偏差為16%～19%。

表6 實測折算熱負荷與實測熱負荷偏差、昆明實測折算熱負荷與昆明實測熱負荷偏差

7 結論

① 基于K-means聚類算法，確定了昆明基準大氣壓力為81.1 kPa。

② 提出昆明實測熱負荷和昆明實測折算熱負荷的計算公式。昆明實測熱負荷與實測熱負荷計算結果相同，昆明實測折算熱負荷比實測折算熱負荷低10%左右。昆明實測折算熱負荷與昆明實測熱負荷比較接近，兩者偏差為4%～7%，實測折算熱負荷與實測熱負荷偏差為16%～19%。

③ 在燃具銘牌上標注標稱額定負荷、昆明額定熱負荷，表明燃具在不同使用環境的額定熱負荷，以利于用戶準確選擇燃具。