基于昆明基准大气压力高海拔燃具热负荷计算

司立峰，周伟业，邓 旭，华杰锋，刘文博，韩晓箴，杨丽杰，陈德春，王永康

(1.中国质量认证中心，北京 100070；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司城市燃气热力研究院，天津 300384；3.云南省燃气计量检测所有限公司，云南 昆明 650216)

1 概述

GB 6932—2015《家用燃气快速热水器》规定，家用燃气快速热水器(简称热水器)的试验室大气压力为86～106 kPa，GB 16410—2020《家用燃气灶具》未对家用燃气灶(简称燃气灶)试验室的大气压力作相关规定。GB/T 16411—2008《家用燃气用具通用试验方法》规定各检验项目或各燃具标准没有特别规定试验室条件时，大气压力为86～106 kPa。

根据GB/T 4797.2—2017《环境条件分类 自然环境条件 气压》中海拔与压力的规定，可计算出86 kPa对应的海拔为1 375 m。我国西部和西南地区的城市如兰州、银川、乌鲁木齐、昆明、拉萨等海拔均超过1 500 m，即这此地区大气压力超出标准规定的压力范围。因此，有必要提出适合高海拔燃具的试验方法和计算公式。

海拔主要影响大气压力，从而影响燃具热负荷和干烟气中CO 体积分数。本文以昆明市为例，对高海拔燃具的热负荷计算展开分析。

2 基于K-means算法昆明基准大气压力

为确定基准大气压力，本文统计了昆明市2011年1月1日至2022年7月31日每日每隔3 h或6 h的大气压力，共31 058个数据，并以此为基础，确定昆明市的基准大气压力(称为昆明基准大气压力)。

K-means聚类算法能够利用当地大气压力历史数据，采用距离作为相似性评价指标将其分为若干簇，选取样本数量最大的簇中心作为基准值，能够真实反映当地实际的大气压力。该算法高效，在对大规模数据进行聚类时被广泛应用[1]。

在K-means聚类算法中，一般采用Silhouette聚类有效评价函数确定最佳聚类数。该函数值域为[-1,1]，函数值越大表明聚类越合理。当聚类数k=3时，Silhouette聚类有效评价函数值最大，故聚成3簇。表1为簇中心对应的压力，表2为每个簇的样本数量，3个簇共有样本31 058个。

选取样本数量最多的簇2中心对应的压力作为基准值，取81.1 kPa作为昆明基准大气压力。

表1 簇中心对应的压力

表2 每个簇的样本数量

3 热负荷计算公式

3.1 实测热负荷

将按照GB 16410—2020中公式(1)得到的实测热负荷称为实测热负荷，其对应的基准状态为15 ℃、101.3 kPa。实测热负荷计算见下式：

(1)

式中Φ101.3——实测热负荷，kW

H101.3——15 ℃、101.3 kPa下干试验气低热值，MJ/m3

q——实测燃气流量，m3/h

tm——通过湿式流量计的燃气温度，℃

pamb——试验时大气压力，kPa

pm——通过湿式流量计的燃气压力，kPa

pw——温度为tm时的水饱和蒸气压力，kPa

将按照下式计算得到的热负荷称为昆明实测热负荷，其对应的基准状态为15 ℃、81.1 kPa。

(2)

式中Φ81.1——昆明实测热负荷，kW

H81.1——15 ℃、81.1 kPa下干试验气低热值，MJ/m3

3.2 实测折算热负荷

将按照GB/T 16411—2008中公式(1)得到的热负荷称为实测折算热负荷，其对应的基准状态为15 ℃、101.3 kPa。实测折算热负荷计算见下式：

(3)

式中Φ101.3,ref——燃具前燃气压力为额定压力时基准干燃气实测折算热负荷，kW

H101.3,ref——15 ℃、101.3 kPa下基准干燃气低热值，MJ/m3

dtes——干试验气的相对密度

dref——基准气的相对密度

papp——燃具前试验气压力，kPa

将按照下式计算得到的热负荷称为昆明实测折算热负荷，其对应的基准状态为15 ℃、81.1 kPa。

(4)

式中Φ81.1,ref——燃具前燃气压力为额定压力时基准干燃气昆明实测折算热负荷，kW

H81.1,ref——15 ℃、81.1 kPa下基准干燃气低热值，MJ/m3

4 试验样品和试验方法

试验样品取4台燃气灶和4台热水器，在昆明进行热负荷试验，试验样品参数见表3。燃气灶的试验条件、状态及方法按照GB 16410—2020表15规定进行，热水器的试验条件、状态及方法按照GB 6932—2015表12规定进行，并按照式(1)和式(2)进行实测热负荷和昆明实测热负荷计算，按照式(3)和式(4)进行实测折算热负荷和昆明实测折算热负荷计算。

燃气灶额定热负荷指左眼燃烧器额定热负荷，右眼燃烧器额定热负荷与左眼燃烧器相同。燃气灶均采用大气式燃烧，进风方式均为下进风，且风门固定。热水器的燃烧方式均为大气式燃烧，给排气方式均为强制排气式，根据GB 6932—2015图2，强制排气式分为鼓风型、引风型。燃气灶和热水器气源为天然气(12T)时额定压力均为2 000 Pa，气源为液化石油气(20Y)时额定压力均为2 800 Pa。

表3 试验样品参数

5 热负荷偏差

为分析试验结果，定义如下3种热负荷偏差：

(5)

(6)

(7)

式中Vref——昆明实测折算热负荷与实测折算热负荷偏差

V101.3——实测折算热负荷与实测热负荷偏差

V81.1——昆明实测折算热负荷与昆明实测热负荷偏差

6 试验结果分析

① 实测热负荷与昆明实测热负荷对比

表4为实测热负荷和昆明实测热负荷，可以看出，实测热负荷与昆明实测热负荷完全相同。

续表4

② 实测折算热负荷与昆明实测折算热负荷对比

采用式(3)和式(4)分别计算出实测折算热负荷和昆明实测折算热负荷，根据式(5)计算出昆明实测折算热负荷与实测折算热负荷偏差，试验结果见表5。可以看出昆明实测折算热负荷比实测折算热负荷低10%左右。可以在燃具铭牌上标注2个额定热负荷：标称额定热负荷、昆明额定热负荷，标称额定热负荷值为实测折算热负荷值，使用环境是15 ℃、101.325 kPa；昆明额定热负荷值是昆明实测折算热负荷值，使用环境是15 ℃、81.1 kPa。

表5 实测折算热负荷与昆明实测折算热负荷试验结果对比

③ 实测折算热负荷与实测热负荷偏差、昆明实测折算热负荷与昆明实测热负荷偏差对比

根据式(6)、(7)计算出实测折算热负荷与实测热负荷偏差、昆明实测折算热负荷与昆明实测热负荷偏差，结果见表6。由表6可知，昆明实测折算热负荷与昆明实测热负荷比较接近，两者偏差为4%～7%，实测折算热负荷与实测热负荷偏差为16%～19%。

表6 实测折算热负荷与实测热负荷偏差、昆明实测折算热负荷与昆明实测热负荷偏差

7 结论

① 基于K-means聚类算法，确定了昆明基准大气压力为81.1 kPa。

② 提出昆明实测热负荷和昆明实测折算热负荷的计算公式。昆明实测热负荷与实测热负荷计算结果相同，昆明实测折算热负荷比实测折算热负荷低10%左右。昆明实测折算热负荷与昆明实测热负荷比较接近，两者偏差为4%～7%，实测折算热负荷与实测热负荷偏差为16%～19%。

③ 在燃具铭牌上标注标称额定负荷、昆明额定热负荷，表明燃具在不同使用环境的额定热负荷，以利于用户准确选择燃具。