電開(kāi)水器節(jié)能認(rèn)證試驗(yàn)分析

陳榮 崔海峰 劉洪

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200240）

近年來(lái)，各類電器能效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施以及能效標(biāo)識(shí)制度的實(shí)行，提高了產(chǎn)品節(jié)能技術(shù)門檻，同時(shí)，相應(yīng)的電器產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證也不斷向深度和廣度發(fā)展，促進(jìn)了相關(guān)電器行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。除了涵蓋多數(shù)家用電器以外，能效標(biāo)識(shí)和節(jié)能認(rèn)證有逐漸向商用器具和工業(yè)設(shè)備覆蓋的趨勢(shì)。

電開(kāi)水器（以下稱開(kāi)水器）是一種高能耗電器產(chǎn)品，使用量大，使用率高，能耗大，具有較大節(jié)能潛力。2011年中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心發(fā)布了電開(kāi)水器節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范(CQC 3133-2011)并開(kāi)展了相關(guān)產(chǎn)品的節(jié)能認(rèn)證。能效測(cè)試是對(duì)開(kāi)水器進(jìn)行能效評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，其中試驗(yàn)方法尤為重要，直接影響到測(cè)試數(shù)據(jù)能否客觀科學(xué)地反映被測(cè)產(chǎn)品的能效指標(biāo)。筆者在按CQC 3133-2011進(jìn)行開(kāi)水器能效試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，導(dǎo)致對(duì)同一樣品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異顯著。通過(guò)更為深入的試驗(yàn)分析，歸納總結(jié)了一些在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意的要點(diǎn)。以下將按試驗(yàn)項(xiàng)目為序，分別討論這些因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，以及如何提高開(kāi)水器節(jié)能認(rèn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)一致性。

1 耗能特點(diǎn)與能效指標(biāo)

普通儲(chǔ)水式開(kāi)水器的結(jié)構(gòu)一般都是外殼加儲(chǔ)水內(nèi)膽，并以電熱管為加熱元件，輔以控制部件。由于電加熱的效率相當(dāng)，各種開(kāi)水器之間的耗能差異主要還是看器具本身的熱容大小和保溫措施。圖1記錄了一臺(tái)普通開(kāi)水器的運(yùn)行曲線，從中可以看出普通開(kāi)水器典型的輸入功率與儲(chǔ)水溫度的運(yùn)行規(guī)律和特點(diǎn)。冷水加注完畢后，通過(guò)電熱元件將水加熱至設(shè)定溫度，然后進(jìn)入保溫階段，水溫下降達(dá)到設(shè)定值后，加熱元件再次啟動(dòng)，如此往復(fù)，呈現(xiàn)規(guī)律的周期性運(yùn)行特點(diǎn)。依據(jù)能量守恒的原理，進(jìn)入保溫階段后，器具的耗電量等于熱水通過(guò)器具結(jié)構(gòu)散失的熱量。

CQC 3133-2011中涉及能效的有兩個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目和相關(guān)指標(biāo)，分別為單位水量能耗試驗(yàn) 和保溫性能試驗(yàn)。其中，單位水量能耗是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，加熱1L水所消耗的電量，評(píng)價(jià)的是開(kāi)水器的加熱效率；保溫性能評(píng)價(jià)的是開(kāi)水器儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)對(duì)熱水溫度的保持能力，用4h內(nèi)的水溫降的高低來(lái)衡量開(kāi)水器的保溫性能。這兩個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的指標(biāo)分別對(duì)應(yīng)開(kāi)水器工作時(shí)的兩種狀態(tài)，比較切合開(kāi)水器的運(yùn)行和耗能特點(diǎn)。

2 單位水量能耗試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法分析

CQC 3133-2011中以單位水量能耗作為對(duì)開(kāi)水器加熱效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義和計(jì)算公式為：

式中，

Q——單位水量能耗，kW·h /L；

W——耗電量，kW·h；

V——注水量，L。

試驗(yàn)時(shí)，將23℃±1℃的水加熱至設(shè)定溫度后斷開(kāi)電源，記錄耗電量W。從定義式來(lái)看，影響單位水量能耗Q的量除了耗電量W，就是注水量V。注水量通過(guò)稱重法獲得，精度較高，那么，單位水量能耗的大小關(guān)鍵是看耗電量。而在注水量一定的情況下，影響耗電量W大小的主要是被加熱水的溫升。

根據(jù)上述對(duì)單位水量能耗定義及計(jì)算式的分析，可以得出一個(gè)推論，進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)，必須嚴(yán)格控制被加熱水的溫升，否則兩次試驗(yàn)間數(shù)據(jù)的一致性會(huì)受較大影響。CQC 3133-2011中對(duì)于該水的溫升并沒(méi)有明確規(guī)定，只是規(guī)定了初始水的溫度范圍和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水的溫度。暫不論水的終止溫度和測(cè)溫儀器的誤差，僅對(duì)初始水溫而言，極限的誤差可達(dá)近2℃，即一次試驗(yàn)時(shí)初始水溫為22℃，二次試驗(yàn)時(shí)初始水溫為24℃，假設(shè)終止水溫相同且以99℃計(jì)，那么單位水量吸收的熱能可相差約2.7%，這個(gè)誤差看似不大，但結(jié)合CQC 3133-2011中對(duì)于不同類型不同容量開(kāi)水器的能效限定值來(lái)講，這個(gè)誤差足以影響對(duì)開(kāi)水器節(jié)能效果的判定。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述推論，筆者選取了一臺(tái)額定容量為20L的普通型開(kāi)水器，按CQC 3133-2011規(guī)定的方法進(jìn)行了兩次驗(yàn)證試驗(yàn)，兩次試驗(yàn)條件僅進(jìn)水溫度不同（見(jiàn)表1），其余試驗(yàn)條件、方法、環(huán)境和儀器設(shè)備均相同。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，試驗(yàn)1單位水量能耗要比試驗(yàn)2的值高出3.1%，高于預(yù)期水平。

初始水溫對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響還不止于此，由于初始水溫不同，因此在開(kāi)水器電熱元件加熱功率一定的條件下，將水加熱至終止溫度的時(shí)間會(huì)有所不同。而在試驗(yàn)進(jìn)行期間，熱量不間斷地通過(guò)器具結(jié)構(gòu)向外散失，試驗(yàn)時(shí)間越長(zhǎng)，散熱越多，這部分能量最終都將體現(xiàn)在耗電量上，從而進(jìn)一步影響單位水量能耗的值。

2.3 試驗(yàn)建議

了解了單位水量能耗試驗(yàn)的特性以及初始水溫對(duì)試驗(yàn)的重要影響，要解決這個(gè)問(wèn)題從而提高試驗(yàn)的一致性，可以嘗試的途徑有：

(1)精確控制進(jìn)水溫度，將進(jìn)水溫度的允許范圍限制在±0.5℃或更小范圍之內(nèi)。這種方法能有效提高試驗(yàn)精度，但對(duì)試驗(yàn)供水設(shè)備的要求較高，意味著更大的試驗(yàn)成本，隨著試驗(yàn)條件門檻的提高，其通用性也會(huì)隨之降低。

圖1 開(kāi)水器運(yùn)行曲線

表1 單位水量能耗對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(2)將水的溫升納入到計(jì)算中去，可以有兩種方式，一是用熱效率 ，即水吸收熱量和耗電量的比，來(lái)取代單位水量能耗；二是繼續(xù)使用單位水量能耗這一指標(biāo)，但對(duì)耗電量進(jìn)行修正，修正按照實(shí)測(cè)溫升和標(biāo)準(zhǔn)溫升（如規(guī)定23℃至99℃之間的76℃為標(biāo)準(zhǔn)溫升）之間的關(guān)系來(lái)修正耗電量。

3 保溫性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法分析

CQC 3133-2011中以4h內(nèi)儲(chǔ)水溫度的下降值的大小來(lái)評(píng)價(jià)開(kāi)水器的保溫性能。從傳熱學(xué)的基礎(chǔ)理論來(lái)分析，影響傳熱的主要是冷熱源之間的溫差和介質(zhì)的導(dǎo)熱特性。從試驗(yàn)角度來(lái)講，對(duì)同一臺(tái)開(kāi)水器，其傳熱結(jié)構(gòu)一定，影響其降溫速度的因素主要是初始水溫和環(huán)境溫度。為此，CQC 3133-2011中規(guī)定了保溫性能試驗(yàn)在單位水量能耗試驗(yàn)后進(jìn)行，其初始水溫為98℃~99℃之間，環(huán)境溫度的要求參照SB/T 10640-2008，即23℃±2℃，但該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確指出這一溫度范圍的意義，是試驗(yàn)期間環(huán)境溫度波動(dòng)范圍不能超過(guò)規(guī)定范圍，還是試驗(yàn)期間的環(huán)境平均溫度值要在該范圍之內(nèi)。于是會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)，即環(huán)境溫度的差異，是否會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生影響。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述疑問(wèn)，筆者再次進(jìn)行了一組對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)在恒溫環(huán)境下進(jìn)行，兩次試驗(yàn)的環(huán)境溫度平均值分別為21.2℃和24.7℃，試驗(yàn)期間環(huán)境溫度的波動(dòng)都不超過(guò)0.5℃，其余試驗(yàn)條件完全一致。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，兩次試驗(yàn)所測(cè)得水溫降分別為17.23℃和15.84℃，相差1.39℃，這個(gè)差值雖然不大，但相對(duì)差值可達(dá)8%以上，即試驗(yàn)的一致性比較差。

圖2 保溫階段儲(chǔ)水溫度變化

表2 保溫性能對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 試驗(yàn)建議

通過(guò)上述保溫性能對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了環(huán)境溫度對(duì)該試驗(yàn)的重要影響，要解決這個(gè)問(wèn)題可以從以下方法入手：

(1)精確控制環(huán)境溫度，將試驗(yàn)期間環(huán)境溫度的平均值限制在23±0.2℃，且要求試驗(yàn)期間環(huán)境溫度的波動(dòng)范圍不超過(guò)平均值±0.5℃。這種方法能有效提高試驗(yàn)精度，但對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的要求較高，同樣意味著更大的試驗(yàn)成本投入，也使其通用性有所降低。

(2)將儲(chǔ)水溫度和環(huán)境溫度之間的溫差納入到計(jì)算中去，規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫差，比如75℃，然后將實(shí)測(cè)溫差與標(biāo)準(zhǔn)溫差之間的關(guān)系對(duì)實(shí)際測(cè)得的水溫降進(jìn)行修正。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了初始水溫和環(huán)境溫度對(duì)開(kāi)水器節(jié)能認(rèn)證試驗(yàn)中單位水量能耗和保溫性能兩個(gè)指標(biāo)的重要影響。建議中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心就上述參數(shù)對(duì)開(kāi)水器節(jié)能認(rèn)證試驗(yàn)規(guī)范中的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行論證和修正，同時(shí)組織相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展核驗(yàn)等活動(dòng)和手段，以提高開(kāi)水器節(jié)能認(rèn)證試驗(yàn)的一致性。從更高更廣泛的層面來(lái)講，標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)、認(rèn)證機(jī)構(gòu)、測(cè)試機(jī)構(gòu)，包括企業(yè)技術(shù)機(jī)構(gòu)，應(yīng)該更關(guān)注測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化 和以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中一些試驗(yàn)方法和指標(biāo)的驗(yàn)證工作 ，以不斷提高標(biāo)準(zhǔn)化水平。

[1]CQC 3133-2011，商用電開(kāi)水器節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范[S].2011.

[2]SB/T 10460-2008，商用電開(kāi)水器[S].2008.

[3]QB/T 4270-2011，商用電熱開(kāi)水器[S].2011.

[4]麥綠波.標(biāo)準(zhǔn)化方法和方法標(biāo)準(zhǔn)化[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化, 2012（3）：69-74.

[5]劉新建.標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證工作的思考[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化,2012（1）：81-84.