论家用燃气快速热水器热效率测量不确定度

彭金东

【摘要】本文针对家用燃气快速热水器热效率测量不确定度进行了简要研讨，仅供参考。

【关键词】家用燃气;快速热水器;热效率;测量;不确定度

1基本方法及计算原理

1.1测试方法

燃气快速热水器的额定热负荷效率和50%热负荷效率的检测是依据GB6932-2015《家用燃气快速热水器》和GB20665-2015《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》规定的方法。在0-2燃气条件下，使用额定燃气压力及0.1MPa水压，热水器进水温度为20±1℃，热水器运行15min后进行热效率测试。测额定热负荷效率时，调节出水温度比进水温度高40±1K;50%热负荷效率测试时，出水温度比进水温度高20±1K。本文使用了热水器能效自动测试台进行检测，通过多次重复测量和查阅各测量设备的计量证书，根据JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》最终评定热效率测试结果的不确定度。

1.2热效率计算数学模型

家用燃气快速热水器热效率计算公式如下：

其中，M为出热水量，单位kg/min;C为水的比热，4.19×10-3MJ/kg·K;t2为出水温度，单位℃;t1为进水温度，单位℃;Qi为实测燃气中某组分的低热值，单位MJ/m3;fi为实测燃气中某组分的体积分数，单位%;V为实测燃气流量，单位L/min;tg为燃气温度，单位℃;Pa为试验时的大气压力，单位kPa;Pm为试验时燃气流量计内燃气压力，单位kPa;Ps为温度tg时的饱和水蒸气压力，单位kPa。（当使用干式流量计测量时，Ps值应乘以试验燃气的相对湿度进行修正）。

2不确定度分析评定

2.1不确定度来源

测量不确定度分为A类不确定度和B类不确定度。在燃气热水器的热效率测试中，测量不确定度主要来源于各个被测物理量，包括测量仪器的计量性能的局限性和在相同条件下被测量重复观测值的变化等。

2.2测试原始数据

型号为JSQ24-A（天然气12T）家用燃气快速热水器样品，在额定负荷状态下，对大气压力、燃气温度、流量计内压力、热水器前燃气压力、燃气流量、进水温度、出水温度、热水流量分别进行记录，获得12组数据如表2所示。在50%额定负荷状态下进，对大气压力、燃气温度、流量计内压力、热水器前燃气压力、燃气流量、进水温度、出水温度、热水流量分别进行测量，获得12组数据如表3所示。使用100%甲烷作为测试燃气，燃气低热值为34.02MJ/m3。

2.3A类不确定度

A类不确定度主要来源于对被测量重复测试的变化。对被测量进行独立重复观测，通过得到的一系列测试值，用统计分析方法获得实验标准偏差s（x）。当用算术平均值作为被测量估计值时，被测量估计值的A类不确定度可按公式计算：

其中，公式中的实验标准差s（xi）可用贝塞尔公式求得，如公式：

被测量算术平均值可用公式求得：

热水器在额定负荷状态下，大气压力、燃气温度、流量计压力、热水器前压力、燃气流量、进水温度、出水温度、出热水流量、经多次重复测量后，其A类不确定度和自由度可知：

热水器在50%额定负荷状态下，大气压力、燃气温度、流量计压力、热水器前压力、燃气流量、进水温度、出水温度、出热水流量经多次重复测量后，其A类不确定度和自由度如表5所示。

2.4B类不确定度的评定

在本次测试中，所测量物理量的不确定度通过测量仪器的校准证书获得，即B类不确定度。所有测量仪器的計量证书均指明了仪器的扩展不确定度U（xi）以及包含因子k或置信概率p的大小，正态分布下置信概率p与包含因子k的关系，所测量物理量的B类不确定度uB（x）可通过公式求得：对于正态分布，uB（x）的自由度可通过公式求得：因此，热水器在额定负荷状态下，所测量物理量的B类不确定度可知：热水器在50%额定负荷状态下，所测量物理量的B类不确定度如下表：使用100%甲烷作为测试燃气，不考虑由燃气成分引入的不确定度。

2.5合成标准不确定度评定

合成不确定度可通过公式求得：

其中称为灵敏系数ci，合成不确定度的自由度可通过公式计算得出：

在额定热负荷状态下，热效率的合成不确定度uc（η）为0.85%，其有效自由度为445;50%额定热负荷状态，热效率的合成不确定度uc（η）为1.04%，其有效自由度为561。

2.6扩展不确定度评定

扩展不确定度U由合成不确定度uc乘包含因子k得到，按公式计算：

测量结果可用公式表示，其中y是被测量Y的估计值。y可按公式计算得到：

燃气热水器热效率η的估计值按公式公式计算：

当y和uc所表征的概率分布近似为正态分布时，且uc的有效自由度较大的情况下，k通常取2。因此，燃气热水器的热效率η测量结果，按公式表示：

终上所述，改样品的效率测量结果为：额定热负荷热效率为：Up=k×uc（η）=0.85%;η=89.67%±0.85%。50%额定热负荷状态下热效率为：Up=k×uc（η）=1.04%;η=87.70%±1.04%

结语

不确定度来源识别从人、机、料、法、环、测六个方面去地识别出影响结果的主要因素。本文讲解JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》的要求和不确定度的分析步骤，对影响家用燃气热水器热效率不确定度的各种因素的进行评定，获得本实验室测量家用燃气快速热水器热效率的扩展不确定度，为评估本实验室测量结果的可靠性提供重要依据，同时充分体现了本实验室自动化检测设备精确的检测能力。

参考文献

[1]李亚琴.燃气热水器热效率测定的不确定度分析和评定[J].家用燃气具，2011（7）：45-46.

[2]王义厢.测量不确定度对CFB锅炉热效率反平衡法测试的影响[J].中国科技信息，2016（16）.