程文強(qiáng) 沈敬平 顧朝光

1.安徽省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院

2.合肥順昌余熱利用科技有限公司

0 前言

炊用燃?xì)獯箦佋钍蔷频?、飯店、餐廳等餐飲場(chǎng)所及各大機(jī)關(guān)單位、學(xué)校、工地食堂等的大型廚房常用的燃?xì)馀腼冊(cè)O(shè)備之一，也是主要的燃?xì)庀脑O(shè)備，是國(guó)家強(qiáng)制執(zhí)行的燃?xì)馄骶吣苄У燃?jí)監(jiān)管產(chǎn)品。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB30531-2014《商用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃?jí)》明確規(guī)定炊用燃?xì)獯箦佋顭嵝什坏眯∮?5%[2]。目前，此類產(chǎn)品能效提升空間很大。過去大鍋灶大多數(shù)采用傳統(tǒng)型式結(jié)構(gòu)、安裝傳統(tǒng)燃燒器,熱效率較低，大量煙氣余熱通過排煙系統(tǒng)直接排出，造成后堂的溫度上升，操作環(huán)境惡化，污染空氣。隨著新技術(shù)進(jìn)步以及強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，新型式結(jié)構(gòu)的大鍋灶不斷推出，同時(shí)更加注重?zé)煔庥酂岬幕厥绽谩１疚耐ㄟ^分析大鍋灶余熱能源，提出綜合利用熱效率的評(píng)價(jià)方法，旨在拋磚引玉，探求科學(xué)合理的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法，鼓勵(lì)更多的技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，為社會(huì)提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

1 大鍋灶余熱能源

餐飲場(chǎng)所及各大機(jī)關(guān)單位、學(xué)校、工地食堂的商用燃?xì)庠罹咧饕桥腼儾穗?，但是整個(gè)后堂系統(tǒng)中有很多清洗輔助性的工作，需求大量的熱水，通過能源梯級(jí)利用原理，利用燃?xì)馄骶呤褂眠^程產(chǎn)生的煙氣中余熱回收獲得熱水,甚至熱蒸汽，作為整個(gè)后堂下級(jí)熱水或蒸汽供應(yīng)，就地轉(zhuǎn)化，就地供應(yīng)，減少中間環(huán)節(jié)的損耗，用戶端的能源利用率得以大大提高，系統(tǒng)的能源利用效率有效提升，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)能。

1.1 大鍋灶熱量分布分析

大鍋灶在使用過程中，輸入端的能源主要是兩個(gè)方面：燃?xì)馊紵a(chǎn)生的顯熱，目前絕大多數(shù)大鍋灶熱負(fù)荷設(shè)計(jì)為20～50 kW；輸入電能供風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)以及電器件工作，設(shè)計(jì)輸入電功率一般為0.08 ～0.5 kW，電能所占總輸入能源比例不到1%。輸出端的能源則包括用于加熱烹飪菜肴的直接利用的有效能量、煙氣帶走余熱以及燃?xì)獠煌耆紵糠值膿p失能量和設(shè)備向外散熱損耗的能量。直接有效利用的能源是被用于加熱鍋烹飪菜肴的熱量，通常以在鍋內(nèi)加入一定量的水吸收的熱量與消耗的燃?xì)馑鶎?duì)應(yīng)的能量之比，以此評(píng)價(jià)灶具的熱效率。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 30531-2014《商用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃?jí)》明確規(guī)定大鍋灶熱效率（三級(jí)）不得小于45%，二級(jí)能效不得小于55%，一級(jí)能效不得小于65%[2]。通過研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際產(chǎn)品使用中，燃?xì)獠煌耆紵糠值膿p失能量和散熱損耗的熱量相對(duì)較小，不足5%。普通型大鍋灶排煙溫度為400～600 ℃，煙氣是主要的熱損形式，因此，提高大鍋灶綜合能源的利用最主要的方向就是回收利用煙氣余熱。

1.2 大鍋灶煙氣余熱

相對(duì)于普通型大鍋灶而言，煙氣余熱占燃?xì)馊紵茉吹?5%以上，再利用潛力很大。據(jù)了解，近年來有很多商用燃?xì)庠罹呱a(chǎn)企業(yè)從事灶具煙氣余熱再利用的研究和生產(chǎn)，其中合肥順昌余熱利用科技有限公司做了大量研究，生產(chǎn)的“余熱寶”型系列產(chǎn)品具有代表性。實(shí)踐應(yīng)用證明，大型商業(yè)廚房采用余熱回收型燃?xì)馄骶吖?jié)能效果明顯，廚房環(huán)境條件改善顯著，有鑒于此，應(yīng)積極引導(dǎo)并加以推廣。

大鍋灶煙氣余熱回收利用目前主要做兩個(gè)方面的工作：其一對(duì)傳統(tǒng)普通灶具的改造升級(jí)，增加專用的煙氣余熱回收裝置；其二利用新技術(shù)結(jié)合煙氣余熱回收利用裝置，生產(chǎn)具備煙氣余熱回收功能的灶具。對(duì)于前者，應(yīng)遵從：

1）不影響原有燃?xì)獯箦佋畹氖褂眯Ч礋煔庥酂峄厥罩皇菭t灶排放煙氣熱能的有效利用，不對(duì)鍋灶的使用性能產(chǎn)生影響，包括不會(huì)降低鍋的熱量吸收、不會(huì)導(dǎo)致炊事時(shí)間的延長(zhǎng)、不增加原有燃?xì)獾南摹⒉挥绊懘妒氯藛T的安全操作。

2）不對(duì)爐灶現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改動(dòng)，不增加爐灶的外形尺寸，也不需要加大鼓風(fēng)機(jī)功率等。

3）余熱利用形式多樣化，如制備熱水、開水和蒸汽，滿足不同場(chǎng)合需要。

典型做法是在燃?xì)獯箦佋詈罂颗艧煙煹郎希舷驴诓捎貌迦敕绞?，?nèi)外水夾套，水自?shī)A套下部進(jìn)入，頂部出水，在夾套內(nèi)側(cè)沿?zé)煔獯怪绷鲃?dòng)方向，水平布置若干根翅片換熱管，高溫?zé)煔鈴墓芡獬崞g穿過并傳熱到翅片，冷水自管內(nèi)流動(dòng)并與管壁進(jìn)行熱交換，將熱量由煙氣轉(zhuǎn)移到水中，然后供用戶使用。最終排出的煙氣溫度為60～150 ℃（如圖1 所示）。

圖1 燃?xì)獯箦佋顭煔庥酂峄厥战Y(jié)構(gòu)示意圖

若飯店食堂安裝有多臺(tái)爐灶，可以采用分布式爐灶煙氣余熱回收供應(yīng)系統(tǒng)（如圖2），即將分散于食堂炊事間的爐灶排煙煙道上安裝有煙氣熱能回收裝置，冷水管道接入每個(gè)換熱裝置下端進(jìn)水口，進(jìn)水口上同時(shí)安裝有電磁閥，在換熱器熱水出口安裝溫度傳感器，當(dāng)出水口溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，電磁閥自動(dòng)打開上水，將熱水從熱能回收裝置內(nèi)頂出，每個(gè)換熱裝置熱水出口匯合到一根總管后送往保溫水箱儲(chǔ)存，一旦出水溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，電磁閥關(guān)閉，儲(chǔ)熱水箱水再通過水箱與用水點(diǎn)的高差或水泵送往各個(gè)熱水使用點(diǎn)。

圖2 爐灶煙氣余熱回收熱水供應(yīng)系統(tǒng)

商用燃?xì)鉅t灶煙氣余熱回收，造價(jià)低、節(jié)能效果好、見效快，不僅提高了能源利用效率、解決了炊事或其它場(chǎng)合熱水需求，而且由于排煙溫度的降低改善了炊事場(chǎng)所工作環(huán)境、消除了火災(zāi)隱患、降低了食堂排煙系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，是一項(xiàng)具有社會(huì)及經(jīng)濟(jì)雙重效益的技術(shù)。

2 大鍋灶能源綜合利用評(píng)價(jià)方法

灶具能源綜合利用效果應(yīng)采用系統(tǒng)的、科學(xué)的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而得到推廣應(yīng)用，更好地促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。根據(jù)GB/T2587-2009《用能設(shè)備能量平衡通則》規(guī)定，在輸出能量中，輸出的電能、輸出的機(jī)械能、能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的其它形式的能量和化學(xué)反應(yīng)吸熱屬于有效熱能。在輸出能量中，體系排除的廢物帶出的能量、體系對(duì)環(huán)境的散熱量、用能設(shè)備的蓄熱、能量轉(zhuǎn)換中其它形式的能量損失和其它熱損失屬于損失能量[1]。提高用能設(shè)備的綜合效率，主要途徑就是提高有效利用能量，減少無(wú)用的損失能量，通過技術(shù)手段回收余熱并加以利用是實(shí)現(xiàn)用能設(shè)備高效應(yīng)用的最佳方式之一。按照此原則，評(píng)價(jià)商用燃?xì)庠罹吣芰坷寐?，?yīng)綜合考察產(chǎn)品邊界范圍內(nèi)有效利用的能量。具備余熱回收利用的單臺(tái)大鍋灶可以形成一個(gè)獨(dú)立評(píng)價(jià)系統(tǒng)，多臺(tái)分布式余熱回收型大鍋灶也可以組合形成一個(gè)綜合系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

大鍋灶輸入能量包含輸入燃?xì)馊紵a(chǎn)生的能量、用電設(shè)備所需的輸入電能和參與燃燒的空氣中包含的能量，而后兩者所占比例極小，通?？珊雎圆挥?jì)，實(shí)際計(jì)算時(shí)以消耗燃?xì)馔耆紵哪芰孔鳛榭傒斎肽芰俊?/p>

帶有余熱回收利用功能的大鍋灶，其主要使用性能——烹飪作用依然要求凸顯，滿足使用要求，在設(shè)計(jì)制造中需要充分考慮燃?xì)馀c空氣的匹配、燃燒器結(jié)構(gòu)、爐膛結(jié)構(gòu)、鍋體尺寸和結(jié)構(gòu)等，確保燃?xì)獬浞秩紵㈠侒w更多吸收熱量、損失熱量更少。增加煙氣余熱回收裝置，一方面是更加充分利用能源，減少損失，提供能源綜合利用效率，另一方面可以優(yōu)化環(huán)境，減少熱污染。因此，高溫?zé)煔庠倮糜蕊@重要，具有一定的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 大鍋灶熱效率

目前，商用燃?xì)庠罹咧写队萌細(xì)獯箦佋顟?yīng)符合現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 392-2012《炊用燃?xì)獯箦佋睢坊騁B 35848-2018《商用燃?xì)馊紵骶摺?，其中明確規(guī)定了熱效率指標(biāo)及試驗(yàn)檢測(cè)方法，產(chǎn)品的熱效率不低于45%，節(jié)能等級(jí)評(píng)價(jià)熱效率不低于55%。采用的是直接測(cè)定方法[3][5]，這里不再詳述。

2.2 余熱利用效率

在灶具使用過程中，煙氣余熱回收利用是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的模式，輸出熱水溫度可調(diào)，輸出形式可以是熱水也可以是熱蒸汽。燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^換熱器與冷水進(jìn)行熱交換，轉(zhuǎn)化為較高溫度的熱水甚至蒸汽輸出至下一級(jí)設(shè)備。余熱利用是熱量輸出累積的結(jié)果。如何更加有效、可靠評(píng)價(jià)煙氣余熱利用的效果呢？通過理論分析和多次實(shí)踐驗(yàn)證，余熱利用由于輸出量水溫度、水流量可調(diào)可控，試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)應(yīng)以穩(wěn)定的輸出熱水作為考核對(duì)象，試驗(yàn)結(jié)果更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，具有較好的可重復(fù)性。同時(shí)，為了保持與現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的一致性，借鑒現(xiàn)有燃?xì)馄骶邿嵝试囼?yàn)方法，輸入量仍然以燃?xì)獾臀粺嶂涤?jì)算總輸入的熱量，而輸出量則以專用的余熱轉(zhuǎn)換裝置輸出的熱水量所包含的累積熱量，并確保不改變?cè)邢到y(tǒng)熱量轉(zhuǎn)化的路徑參數(shù)。

商用燃?xì)馄骶甙惭b余熱利用裝置后，按照規(guī)定的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行連接，余熱利用熱量轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存在水箱內(nèi)水量的溫升熱量。

使用0-2燃?xì)恻c(diǎn)燃燃燒器，供水壓力為0.1 MPa，燃燒達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，開始試驗(yàn)。輸出熱水水溫t2 的測(cè)點(diǎn)采用多點(diǎn)布置，適當(dāng)攪拌均勻，以平均溫度為計(jì)算值。進(jìn)水溫度t1控制在20 ℃±5 ℃，輸出熱水水溫t2 控制在60 ℃±2 ℃[4]。輸出熱水量按試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)工作達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，記錄水初溫和終溫，并計(jì)量在此期間消耗的燃?xì)饬髁?，最后收集測(cè)量參與試驗(yàn)的水量。

余熱利用效率按如下公式計(jì)算：

式中：

η余—大鍋灶余回收裝置的熱效率，單位為百分?jǐn)?shù)（%）；

M—參與試驗(yàn)的水量，單位為千克（kg）；

t2 —實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)輸出水溫度，單位為攝氏度（℃）；

t1 —試驗(yàn)開始時(shí)進(jìn)水溫度，單位為攝氏度（℃）；

c —水的比熱，單位為兆焦耳每千克攝氏度[4.2*10-3MJ/（kg.℃）]

V—實(shí)測(cè)燃?xì)饬髁浚瑔挝粸榱⒎矫祝╩3）；

Q1—15 ℃,101.3 kPa 狀態(tài)下實(shí)測(cè)試驗(yàn)氣低熱值，單位為兆焦耳每立方米（MJ/m3）

tg—通過燃?xì)饬髁坑?jì)的燃?xì)鉁囟?，單位為攝氏度（℃）；

Pamb—試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，單位為千帕（kPa）；

Pg—灶前燃?xì)鈮毫?，單位為千帕（kPa）；

Pv—溫度為tg℃時(shí)的飽和水蒸汽壓力，單位為千帕（kPa）。

2.3 綜合熱效率

根據(jù)GB/T 2587-2009《用能設(shè)備能量平衡通則》規(guī)定，在輸出能量中，輸出的電能、輸出的機(jī)械能、能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的其它形式的能量和化學(xué)反應(yīng)吸熱屬于有效熱能[1]。按照此原則，由于采用相同的燃?xì)馊紵鳛橥惠斎肽茉戳?，具有余熱回收裝置的炊用燃?xì)獯箦佋?，其綜合熱效率可以用主灶有效熱效率與余熱利用效率之和進(jìn)行評(píng)價(jià)，可有效考察產(chǎn)品邊界范圍內(nèi)能量的利用效果。

式中：

η綜合—大鍋灶綜合熱效率，單位為百分?jǐn)?shù)（%）；

η—大鍋灶主灶熱效率，單位為百分?jǐn)?shù)（%）。

3 結(jié)論

熱效率是一項(xiàng)反映設(shè)備能量利用的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性的綜合指標(biāo)，用于衡量設(shè)備的能量有效利用程度，應(yīng)該從全面的角度、綜合利用的角度加以衡量和評(píng)價(jià)。新型炊用燃?xì)獯箦佋钪性黾訜煔庥酂峄厥昭b置能使高溫?zé)煔獾玫胶侠砝?，從而提高灶具整體能源利用的經(jīng)濟(jì)性，最后排煙溫度下降明顯，減少熱污染。目前，國(guó)家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)產(chǎn)品熱效率作出明確規(guī)定，而涉及產(chǎn)品余熱利用未作明確要求。系統(tǒng)綜合熱效率的研究應(yīng)高度重視，制定科學(xué)規(guī)范的評(píng)價(jià)方法對(duì)新技術(shù)新產(chǎn)品的推廣意義重大，不僅能夠做到節(jié)能減排，還會(huì)取得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。