儲水式電熱水器24 h固有能耗系數測試的不確定度評定

陸偉 王伯燕

1.中國家用電器研究院 北京 100037；

2.中家院（北京）檢測認證有限公司 北京 100176

0 引言

儲水式電熱水器是利用內膽中的加熱元件將電能轉化為熱能來加熱洗浴用水的固定式器具。儲水式電熱水器帶有溫控器和熱保護器控制溫度，具有安全性能較高、使用方便等優點。目前我國電熱水器市場趨向成熟，2021年我國電熱水器產品零售量為2067萬臺，同比下降5.62%；零售金額為254億元，同比下降2.7%。

隨著儲水式電熱水器的普及，作為常見的大功率家電產品，其能耗備受人們的關注。24 h固有能耗系數是儲水式電熱水器重要的能耗指標之一，是人們購買電熱水器產品關注的重要參數。本文對電熱水器的24 h固有能耗指數測試的不確定度進行分析，為提高電熱水器能效測試的準確度提供參考。

1 測量過程

儲水式電熱水器的24 h固有能耗指數依據GB 21519-2008《儲水式電熱水器能效限定值及能效等級》進行測試。試驗前，在被測電熱水器內膽布置溫度測試點，測試熱水器內部的出水溫度，共布置5個熱電偶。對于良好導熱材質內膽的電熱水器，熱電偶需要緊貼在內膽的外表面，熱電偶的布置不能影響溫度測量，也不能破壞被測電熱水器的保溫效果。對于采用塑料、搪塑等導熱不良材質內膽的電熱水器，在其出水口、陽極棒安裝口或排污口布置熱電偶。被測電熱水器的熱電偶放置位置如圖1所示。

圖1 電熱水器的熱電偶放置位置

圖1中，a) 和b) 為使用導熱良好的金屬內膽的電熱水器，c) 和d)為使用導熱不良內膽的電熱水器。如果電熱水器帶有兩個內膽，分別按照圖1要求在每個內膽上布置5個熱電偶。

熱水器24 h固有能耗系數在環境溫度為20℃±2℃，空氣流速不超過0.25 m/s的實驗室內測試。被測電熱水器應按照使用說明規定進行安裝，注滿15℃±2℃的水，關閉出水閥，在額定輸入功率下工作。調整被測熱水器的溫控裝置，使得熱水器內平均水溫保持在65℃±3℃范圍。從溫控裝置某次動作開始，直到經過48 h后，溫控裝置第一次動作為止，測量此期間熱水器消耗的電能。計算出被測熱水器24 h耗電量，與24 h固有能耗基準值比較即可得到24 h固有能耗系數。電熱水器24 h固有能耗測試方法示意圖如圖2所示。

圖2 電熱水器24 h固有能耗測試方法示意圖

2 建立測量模型

根據公式（1）計算被測熱水器的24 h固有能耗系數ε：

式中：

Qpr-電熱水器24 h固有能耗，單位為千瓦時（kW?h）；

Q-電熱水器24 h固有能耗基準值，單位為千瓦時（kW?h）。

根據公式（2）計算通過多次溫控裝置斷開時的被測熱水器內部的平均水溫θA：

式中：

θA-溫控裝置斷開被測熱水器加熱元件電源時的內膽平均水溫，單位為攝氏度（℃）；

θAij-溫控裝置某次斷開時某個熱電偶處的內膽水溫，單位為攝氏度（℃）；

n-測量次數；

m-測試點的個數。

根據公式（3）計算溫控裝置接通時的被測熱水器內部的平均水溫θE：

式中：

θE-溫控裝置接通時被測熱水器加熱元件電源的內膽平均水溫，單位為攝氏度（℃）；

θEij-溫控裝置某次接通時某個熱電偶處的內膽水溫，單位為攝氏度（℃）。

根據公式（4）計算被測熱水器內膽的平均水溫θM：

根據公式（5）計算被測電熱水器24 h耗電量E：

式中：

E-24 h的能量損耗，單位為千瓦時（kW?h）；

E1-溫控裝置某次斷開發熱元件電源開始，48 h后溫控裝置第一次斷開時的被測熱水器消耗的電能，單位為千瓦時（kW?h）；

t1-記錄耗電量E1對應的測試時間，單位為小時（h）。

調整實驗室環境或被測電熱水器的溫控器設定，以滿足40℃≤（θM-θamb）≤50℃的條件時，根據公式（6）計算被測電熱水器24 h固有能耗Qpr：

式中：

Qpr-被測電熱水器24 h固有能耗，單位為千瓦時（kW?h）；

θamb-試驗E1期間實驗室平均環境溫度，單位為攝氏度（℃）。

根據公式（7）計算電熱水器24 h固有能耗基準值Q：

式中：

a-電熱水器容量系數；

C-電熱水器的測試容積，單位為升（L）；

b-電熱水器能耗基準值常數。

根據公式（8）計算被測熱水器的容積：

式中：

m1-注滿水的被測電熱水器的質量，單位為千克（kg）；m0-被測電熱水器的質量，單位為千克（kg）；ρ-水的密度，單位為千克每立方米（kg/m3）。

將公式（2）～（8）代入公式（1），被測電熱水器24 h固有能耗系數ε的計算公式可改寫為：

3 電熱水器24 h固有能耗系數的A類不確定度評定

選取某品牌儲水式電熱水器產品進行24 h固有能耗測試，其規格參數為：220 V～50 Hz，2200 W，50 L。被測電熱水器額定容積為50 L，經查詢該電熱水器的容量系數a為0.015，能耗基準系數b為0.8，將a、b兩個系數代入公式（7）得到被測熱水器24 h固有能效系數ε的計算公式：

被測熱水器質量為17.651 kg，注滿15.1℃的水后總質量為64.108 kg，15.1℃時純水的密度為999.062 kg/m3，根據公式（8）計算得到其實測容積為46.50 L。24 h固有能耗測試時，實驗室環境平均溫度θamb為20.0℃，進水溫度為15.1℃，溫控器斷開時的熱水器內部平均水溫θA為69.1℃，溫控器接通時的熱水器內部平均水溫θE為63.2℃，根據公式（4）計算被測熱水器不排水時內膽的平均水溫θM為66.2℃，θM-θamb=46.2℃，滿足24 h固有能耗測試的條件，從溫控器某次斷開電源開始，經過48.24 h以后溫控器第一次斷開被測熱水器的耗電量E1為2.0693 kW?h，試驗過程曲線如圖3所示。

圖3 被測電熱水器24 h固有能耗測試曲線

對被測電熱水器進行10次24 h固有能耗測試，測試數據見表1。

表1 被測電熱水器24 h固有能耗測試數據

根據貝塞爾公式，可得到被測電熱水器24 h固有能耗系數測量重

復性引入的A類不確定度分量為：

4 電熱水器24 h固有能耗系數的B類不確定度評定

分析測試過程和計算公式，電熱水器24 h固有能耗系數的主要影響因素有：

（1）溫控裝置斷開時的被測電熱水器內部的平均水溫θA；

（2）溫控裝置接通時的被測電熱水器內部的平均水溫θE；

（3）溫控裝置某次斷開電源開始，48 h后溫控裝置第一次斷開時被測熱水器消耗的電能E1；

（4）耗電量E1對應的測試時間t1；

（5）測試耗電量E1期間實驗室平均環境溫度θamb；

（6）注滿水的被測電熱水器的質量m1；

（7）被測電熱水器的質量m0；

（8）水的密度ρ。

4.1 電熱水器平均水溫θA引入的B類不確定度分量

本次試驗使用熱電偶測試溫控器斷開時的被測電熱水器內部的平均水溫，由校準證書可知，熱電偶的擴展不確定度為0.072℃，包含因子k=2，被測電熱水器平均水溫θA測試的不確定度分量為：

靈敏系數為：

4.2 電熱水器平均水溫θE引入的B類不確定度分量

本次試驗使用熱電偶測試溫控器接通時的被測電熱水器內部的平均水溫，由校準證書可知，熱電偶的擴展不確定度為0.072℃，包含因子k=2，被測電熱水器平均水溫θE測試的不確定度分量為：

靈敏系數為：

4.3 實驗室平均環溫θamb引入的B類不確定度分量

實驗室使用橫河UT35A數字溫度控制器采集并控制環境溫度，由校準證書可知，電熱水器實驗室平均環境溫度的擴展不確定度為0.072℃，包含因子k=2，實驗室平均環溫θamb測試的不確定度分量為：

靈敏系數為：

4.4 被測電熱水器的耗電量E1引入的B類不確定度分量

本次試驗使用橫河WT310E數字電參數儀測量被測電熱水器消耗的電能，由校準證書可知，數字電參數儀電能測試的相對擴展不確定度為0.15%，包含因子k=2，被測電熱水器的耗電量E1測試的不確定度分量為：

靈敏系數為：

4.5 耗電量的測試時間t1引入的B類不確定度分量

本次試驗使用秒表記錄被電熱水器耗電量E1的時間，由校準證書可知，秒表的擴展不確定度為0.02 s，概率為矩形分布，耗電量E1測試時間t1測試的不確定度分量為：

靈敏系數為：

4.6 電熱水器質量m1引入的B類不確定度分量

本次試驗使用電子秤測試被測熱水器注滿水后質量m1，由校準證書可知，電子秤的擴展不確定度為0.05 g，概率為矩形分布，被測熱水器注滿水后質量m1測試的不確定度分量為：

靈敏系數為：

4.7 電熱水器質量m0引入的B類不確定度分量

本次試驗使用電子秤測試被測熱水器質量m0，由校準證書可知，電子秤的擴展不確定度為0.05 g，概率為矩形分布，被測熱水器質量m0測試的不確定度分量為：

靈敏系數為：

4.8 水的密度ρ引入的B類不確定度分量

本次試驗使用數字溫度計測試熱水器的進水溫度，通過溫度確定水電密度，水溫度和密度的對應關系見公式（26）：

由校準證書可知，數字溫度計的擴展不確定度為0.07℃，概率為矩形分布，被測熱水器進水溫度t測試的不確定度分量為：

靈敏系數為：

5 電熱水器24 h固有能耗系數不確定度

電熱水器24 h固有能耗系數各不確定度分量匯總見表2。電熱水器24 h固有能耗系數的合成不確定度為：

表2 電熱水器24 h固有能耗系數各不確定度分量

取包含因子k=2，電熱水器24 h固有能耗系數的擴展不確定度為：

6 結語

儲水式電熱水器24 h固有能耗系數是考核電熱水器保溫性能和電能利用率的重要指標。影響24 h固有能耗系數的主要因素有熱水器保溫層厚度以及熱水器維修蓋、掛架、進出水口和排污口處的保溫措施。通過分析電熱水器24 h固有能耗的測試過程和各相關因素得出，測試的重復性和實驗室環境溫度的控制是兩個主要因素。影響測試重復性的因素主要有內膽溫度的布點位置和溫控裝置的設置。實驗室可以從這幾個方面來提升實驗室的測試準確度。