儲(chǔ)水式電熱水器測(cè)試環(huán)境濕度控制要求探討

李曉紅 江先明 黃遜青

廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 廣東順德 528300

0 引言

儲(chǔ)水式電熱水器是目前市場(chǎng)上產(chǎn)銷量最大的家用生活熱水加熱器具，在我國(guó)年銷售規(guī)模達(dá)到3000萬(wàn)臺(tái)以上，由于這種產(chǎn)品是利用電熱元件將電能轉(zhuǎn)換為熱能，屬于家庭中的主要耗電器具，對(duì)其能效性能的監(jiān)督管理是國(guó)家節(jié)能政策的重點(diǎn)工作之一。關(guān)于儲(chǔ)水式電熱水器的能效檢測(cè)方法研究近年一直受到關(guān)注[1,4]，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)24 h固有能耗系數(shù)和熱水輸出率等2項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行能效等級(jí)綜合判定，主要測(cè)試依據(jù)為GB 21519—2008《儲(chǔ)水式電熱水器能效限定值及能效等級(jí)》和GB/T 20289—2006《儲(chǔ)水式電熱水器》。在筆者多年的檢測(cè)工作實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)要求的合理性被不少人注意到，就是標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)測(cè)試環(huán)境濕度的要求十分寬松，為≤85%RH，但是對(duì)于濕度測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度要求卻相當(dāng)高，達(dá)到±1%RH[2-3]。針對(duì)該問(wèn)題，本文就現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于儲(chǔ)水式電熱水器測(cè)試環(huán)境濕度控制要求進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，通過(guò)能效測(cè)量原理的傳熱學(xué)分析、國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比以及計(jì)量管理分析等，討論濕度測(cè)量?jī)x表準(zhǔn)確度要求，并提出現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于濕度測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度要求應(yīng)予以放寬，與CTL PDSH 251F《關(guān)于測(cè)試實(shí)驗(yàn)室儀器準(zhǔn)確度范圍的決議》中規(guī)定要求同步。

1 測(cè)量環(huán)境濕度要求

1.1 環(huán)境濕度對(duì)測(cè)試的影響

家電產(chǎn)品測(cè)試需要考慮環(huán)境條件的影響，其中濕度對(duì)測(cè)試過(guò)程的影響主要體現(xiàn)為：

（1）環(huán)境濕度直接影響測(cè)量結(jié)果。空氣中水氣發(fā)生凝結(jié)釋放潛熱，導(dǎo)致器具的熱輸出發(fā)生變化，如熱泵、冷凝式燃?xì)鉄崴鞯取?/p>

（2）環(huán)境濕度間接影響測(cè)量結(jié)果。包括，濕度影響空氣的傳熱性能，導(dǎo)致與傳熱相關(guān)的測(cè)量結(jié)果發(fā)生變化，如溫升測(cè)量等；濕度作為狀態(tài)參數(shù)參與物理化學(xué)過(guò)程，如燃燒過(guò)程的助燃空氣。

（3）環(huán)境濕度影響測(cè)量設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度大于80%RH時(shí)稱為高濕，濕度過(guò)高時(shí)影響測(cè)量設(shè)備部件絕緣強(qiáng)度，導(dǎo)致霉菌生長(zhǎng)和金屬腐蝕；相對(duì)濕度小于30%RH時(shí)稱為低濕或干燥，濕度過(guò)低時(shí)會(huì)發(fā)生靜電，易損壞某些器件、干擾測(cè)量設(shè)備等。

（4）操作人員的舒適性。一般檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的濕度會(huì)控制在30%RH～70%RH，在這個(gè)濕度條件下，大部分人感覺(jué)最為舒適。

1.2 環(huán)境濕度影響分析

儲(chǔ)水式電熱水器受測(cè)量環(huán)境影響最大的項(xiàng)目是24 h固有能耗系數(shù)檢測(cè)，該指標(biāo)對(duì)應(yīng)了規(guī)定時(shí)間內(nèi)器具的表面熱損失指標(biāo)。在規(guī)定的測(cè)量條件下，器具外表面的熱量傳遞特性滿足集中參數(shù)法的適用條件，器具的24 h固有能耗系數(shù)與其外表面熱流密度之間存在線性關(guān)系[4]，在此前提下，環(huán)境濕度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響分析就演變?yōu)榄h(huán)境濕度對(duì)電熱水器表面熱損失的熱流密度影響分析，熱流密度q可以定量表達(dá)為：

式中：

q-熱流密度，W/m2；

α-空氣給熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Δt-熱水器外表面與空氣的溫差，K[4]。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，器具表面與環(huán)境空氣之間熱量傳遞以自然對(duì)流方式進(jìn)行，在環(huán)境溫度不變時(shí)，空氣濕度對(duì)熱流密度的影響體現(xiàn)為空氣導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)給熱系數(shù)的影響：

式中：

q0-相對(duì)濕度50%時(shí)的熱流密度，W/m2；

α0-相對(duì)濕度50%時(shí)的空氣給熱系數(shù)，W/(m2·K)。

空氣給熱系數(shù)α可使用式（3）表達(dá)：

式中：

C-取決于表面幾何形狀的參數(shù)；

L-熱流通道的長(zhǎng)度，ft；

β-體積膨脹，1/°R；

ρ-氣體的密度，l b/ft3；

g-重力加速度，4.17×108ft/h2；

Δt-溫差，℉；

μ-黏度，l b/(ft·h)；

CP-流體的比熱，Btu/(l b·℉)；

λ-濕空氣的導(dǎo)熱系數(shù)[4]，Btu/(l b·℉)[5]。

當(dāng)只考慮濕度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響時(shí)，實(shí)際給熱系數(shù)與基準(zhǔn)條件α0（相對(duì)濕度50%時(shí)）之間的比值，可以表達(dá)為：

式中：λ0-相對(duì)濕度50%時(shí)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，Btu/(l b·℉)。

由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)主要受空氣溫度和濕度的影響，定量計(jì)算依據(jù)式（5）：

式中：

λma-濕空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

λda-干空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

λv-水蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

d-濕空氣含濕量，g/kg(a)；

Mda-干空氣的分子量，28.97 kg/kmol；

Mv-水蒸汽的分子量，18.02 kg/kmol；

Ada,v-干空氣的結(jié)合因子；

Av,da-水蒸汽的結(jié)合因子。

其中：

式中：

μda-干空氣的動(dòng)力粘度，kg/(m·s)；

μv-水蒸氣的動(dòng)力粘度，kg/(m·s)[6]。

將以下擬合算式代入式（5）、式（6）、式（7）：

式中：t-干空氣或水蒸氣的溫度，K[6]。

計(jì)算可得表1，為實(shí)驗(yàn)室在溫度20℃，相對(duì)濕度30%RH～80%RH范圍，與溫度20℃，相對(duì)濕度50%RH的空氣給熱系數(shù)比較值匯總。

表1 環(huán)境溫度20℃時(shí)相對(duì)濕度對(duì)空氣給熱系數(shù)的影響

表1的計(jì)算結(jié)果顯示，在溫度20℃、相對(duì)濕度30%RH～80%RH變化范圍內(nèi)，空氣濕度導(dǎo)致空氣導(dǎo)熱系數(shù)變化對(duì)空氣給熱系數(shù)的影響幅度均小于0.5%，從式（1）可知熱流密度q和空氣給熱系數(shù)α成線性關(guān)系，因此對(duì)儲(chǔ)水式電熱水器24 h固有能耗系數(shù)測(cè)量值的影響幅度也小于測(cè)量值的0.5%?？紤]到一般電熱水器能效測(cè)量過(guò)程中24 h固有能耗系數(shù)項(xiàng)目的測(cè)量不確定度范圍在2%～4%之間，濕度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。

1.3 國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比

GB/T 20289—2006《儲(chǔ)水式電熱水器》對(duì)測(cè)量環(huán)境的溫濕度要求如表2所示[3]，表3為儲(chǔ)水式電熱水器能效相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境溫濕度要求對(duì)照，包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC、歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN、日本標(biāo)準(zhǔn)JIS和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB，從中可以了解相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)溫度要求是比較嚴(yán)格的，而對(duì)濕度的要求則十分寬松。

表2 儲(chǔ)水式電熱水器能效測(cè)試環(huán)境溫濕度要求

表3 儲(chǔ)水式電熱水器能效測(cè)試環(huán)境溫濕度要求對(duì)照

按照IEC的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室委員會(huì)（Committee of Testing Laboratories，CTL）決議CTL PDSH 251F《關(guān)于測(cè)試實(shí)驗(yàn)室儀器準(zhǔn)確度范圍的決議》規(guī)定，相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度±6%RH，適用測(cè)量范圍為30%RH～95%RH[10]。由于在儲(chǔ)水式電熱水器的能效測(cè)量過(guò)程中，相對(duì)濕度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略，所以準(zhǔn)確度±6%RH已經(jīng)可以滿足測(cè)量的要求。

GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.2條規(guī)定了按人體舒適性要求確定的溫度范圍是22℃～28℃，相對(duì)濕度范圍是30%RH～70%RH[11]。顯然，GB/T 20289對(duì)測(cè)量環(huán)境的濕度要求，比一般的舒適性空調(diào)環(huán)境還要寬松，如果按舒適性濕度范圍考慮，舒適區(qū)間為50%RH±20%RH。若按測(cè)量?jī)x表準(zhǔn)確度與測(cè)量值允許偏差之間滿足3倍以上的比值計(jì)算，用于濕度測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度優(yōu)于±6.67%RH即可。

在測(cè)試實(shí)踐中，由于對(duì)測(cè)試環(huán)境有明確的溫度要求，而且±2℃（K）的溫度變化范圍需要利用舒適性空氣調(diào)節(jié)措施實(shí)現(xiàn)，而更嚴(yán)格的±1 K（℃）的溫度變化范圍需要利用性能較高的工藝性空氣調(diào)節(jié)措施實(shí)現(xiàn)，這些空調(diào)措施在沒(méi)有特定濕度要求的情況下，一般可以按舒適性空調(diào)的濕度范圍對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，即相對(duì)濕度范圍在30%RH～70%RH之間，空調(diào)設(shè)備在該調(diào)節(jié)范圍內(nèi)運(yùn)行，通常不會(huì)由于濕度要求增加運(yùn)行費(fèi)用。

綜上所述。對(duì)于儲(chǔ)水式電熱水器的能效測(cè)試環(huán)境溫濕度要求，真正需要關(guān)注的是溫度為20℃±2℃的要求，而標(biāo)準(zhǔn)中濕度不超過(guò)85%RH的要求，在測(cè)試實(shí)踐中是被30%RH～70%RH之間的實(shí)際范圍所替代的。值得注意的是，在這樣的濕度變化范圍下，準(zhǔn)確度±6%RH已經(jīng)可以滿足對(duì)于濕度測(cè)量?jī)x表的性能要求，但是對(duì)照GB/T 20289—2006中規(guī)定的儀表準(zhǔn)確度為±1%，差異過(guò)大。

2 濕度測(cè)量?jī)x表選型

2.1 濕度測(cè)量

濕度計(jì)用于測(cè)定環(huán)境濕度，按照用途可分為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具和工作計(jì)量器具。工作計(jì)量器具按照測(cè)量方法可分為干濕球濕度計(jì)、電阻和電容性濕度傳感器、露點(diǎn)濕度計(jì)、毛發(fā)濕度計(jì)、庫(kù)倫濕度計(jì)、電化學(xué)濕度計(jì)和光學(xué)型濕度計(jì)等；按顯示方式可分為指針溫濕度計(jì)和數(shù)字溫濕度計(jì)；按精度級(jí)別可分為民用溫濕度計(jì)和工業(yè)溫濕度計(jì)。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室一般選用工作計(jì)量器具，常用類型為干濕球測(cè)濕法和電子式濕度傳感器測(cè)濕法。

2.2 干濕球測(cè)濕法

干濕球法準(zhǔn)確度取決于干球溫度計(jì)和濕球溫度計(jì)的準(zhǔn)確度，當(dāng)紗布水套、水質(zhì)和風(fēng)速滿足要求時(shí)，濕度準(zhǔn)確度一般為5%RH～7%RH。干濕球濕度計(jì)采用的是間接測(cè)量法，通過(guò)測(cè)量濕球和干球的溫度經(jīng)過(guò)計(jì)算得出濕度值，對(duì)使用溫度沒(méi)有過(guò)高要求，只要定期給濕球加水和更換紗布，就不會(huì)產(chǎn)生老化，更適合于高溫及惡劣環(huán)境中使用，一般使用在恒溫恒濕箱和焓差室內(nèi)。在國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 205—2005《機(jī)械式溫濕度計(jì)》第5.2條款規(guī)定濕度計(jì)的計(jì)量特性，相對(duì)濕度示值誤差不超過(guò)：

a) ±5%RH（40%RH～70%RH，20℃）；

b) ±7%RH（40%RH以下或70%RH以上，20℃）[12]。

用到的標(biāo)準(zhǔn)器具有兩種，精密露點(diǎn)儀或通風(fēng)干濕表法，要求如表4所示。

表4 機(jī)械式溫濕度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)器具技術(shù)指標(biāo)要求

2.3 電子式濕度傳感器測(cè)濕法

電子濕度傳感器隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的濕度敏感器件，具有使用簡(jiǎn)便、量程范圍大、準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是便于與電子信息系統(tǒng)連接，使之迅速?gòu)V泛取代傳統(tǒng)的濕度傳感器。雖然相對(duì)濕度電子濕度傳感器的準(zhǔn)確度出廠時(shí)標(biāo)稱可達(dá)到2%RH～3%RH，但是在實(shí)際使用過(guò)程中，由于塵土、油污以及有害氣體的影響導(dǎo)致其性能退化，所以電子式濕度傳感器濕度計(jì)的準(zhǔn)確度如需實(shí)際達(dá)到±3%RH受到的制約因素影響較多。在JJF（軍工）165—2017《數(shù)字溫濕度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》第3.2條款規(guī)定濕度計(jì)的計(jì)量特性：測(cè)量范圍10%RH～90%RH時(shí)，相對(duì)濕度示值最大允許誤差：±2%RH～±7%RH[13]。

2.4 濕度測(cè)量方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的對(duì)應(yīng)測(cè)試項(xiàng)目一般是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，環(huán)境相對(duì)潔凈、穩(wěn)定，在測(cè)試實(shí)踐中通常會(huì)選擇電子濕度傳感器用于測(cè)試環(huán)境的相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)。由于相對(duì)濕度是溫度的函數(shù)，溫度明顯影響特定空間的相對(duì)濕度，例如，在GB 21519—2008和GB/T 20289—2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度要求為20℃±2℃，雖然溫度變化僅為±2℃，但是溫度變化帶來(lái)的相對(duì)濕度變化約為-6%RH～＋4%RH，而且濕度變化對(duì)產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果的影響可以忽略，在此情況下提出過(guò)高的濕度測(cè)量精度要求存在明顯的不合理問(wèn)題。

我國(guó)計(jì)量器具實(shí)行三級(jí)傳遞，基準(zhǔn)的基本計(jì)量學(xué)參數(shù)以及單位量值，由國(guó)家基準(zhǔn)通過(guò)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具傳遞到工作計(jì)量器具。根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定系統(tǒng)JJG 2046—1990《濕度計(jì)量器具》的定義，將計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具分為濕度一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和濕度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。前者不確定度≤1%或≤3%，后者≤2%或≤5%[14]。參考JJG 2046—1990中濕度計(jì)量器具檢定系統(tǒng)框圖的要求，GB 21519和GB 20289所要求的濕度測(cè)量?jī)x表，需使用國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)器具進(jìn)行檢定，或特殊情況下使用一級(jí)濕度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。這對(duì)于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，尤其是企業(yè)實(shí)驗(yàn)室而言，其合理性值得推敲。首先濕度一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可選型號(hào)主要為精密露點(diǎn)濕度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)干濕表，前者價(jià)格昂貴，用作一般實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境測(cè)量并不符合經(jīng)濟(jì)性原則，后者受安裝體積大、適用溫度范圍小等因素影響，使用限制較多；其次只能通過(guò)濕度國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)進(jìn)行溯源，導(dǎo)致管理維護(hù)成本不合理的提高。

對(duì)現(xiàn)代常用的濕度測(cè)量的兩種方案進(jìn)行比對(duì)，這兩種類型工作用濕度計(jì)在溯源時(shí)，干濕球法濕度計(jì)最大允許誤差絕對(duì)值基本要不小于5.0%RH，電子式濕度計(jì)最大允許誤差絕對(duì)值基本要不小于2.0%RH，只有利用國(guó)家一級(jí)或二級(jí)濕度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其校準(zhǔn)才可以滿足量值傳遞要求。按照濕度的量值傳遞系統(tǒng)，對(duì)于一般工作用濕度測(cè)量器具均采用的是國(guó)家二級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，如工作用的濕度計(jì)相對(duì)濕度準(zhǔn)確度要求為±1%RH，只能選擇國(guó)家一級(jí)濕度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)作為工作器具，在企業(yè)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，GB 21519—2008和GB/T 20289—2006標(biāo)準(zhǔn)中提出測(cè)量環(huán)境相對(duì)濕度用儀表準(zhǔn)確度為±1%，存在明顯的不合理問(wèn)題。測(cè)量準(zhǔn)確度是濕度傳感器最重要的指標(biāo)，每提高一個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)濕度傳感器來(lái)說(shuō)，其制造成本就會(huì)相差很大，售價(jià)也相差甚遠(yuǎn)，同時(shí)，過(guò)高的性能要求導(dǎo)致儀表維護(hù)管理的成本也明顯增加。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于儲(chǔ)水式電熱水器的能效測(cè)試環(huán)境濕度要求，環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果的影響基本可以忽略，同時(shí)，在測(cè)試實(shí)踐中，GB 21519—2008和GB/T 20289—2006標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于環(huán)境相對(duì)濕度規(guī)定的不超過(guò)85%RH的要求，實(shí)際是被30%RH～70%RH之間的范圍替代的，在這樣的濕度變化范圍下，準(zhǔn)確度±6%RH的濕度測(cè)量?jī)x表已經(jīng)可以滿足測(cè)量要求，本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了論述：

（1）從傳熱學(xué)的熱量傳遞過(guò)程分析，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)，相對(duì)濕度變化對(duì)儲(chǔ)水式電熱水器24 h固有能耗系數(shù)測(cè)量值的影響，是基本可以忽略不計(jì)的；

（2）從國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對(duì)比可知，對(duì)溫度要求是比較嚴(yán)格的，而對(duì)濕度的要求則是十分寬松的；

（3）從濕度測(cè)量方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析可知，在濕度要求十分寬松的環(huán)境中，要求濕度儀表的準(zhǔn)確度達(dá)到±1%RH，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性是不合理的。

所以，在GB 21519—2008和GB/T 20289—2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定準(zhǔn)確度為±1%RH的要求，存在明顯的不合理問(wèn)題。在滿足使用要求的前提下，儀器設(shè)備的選型應(yīng)當(dāng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性的影響，對(duì)測(cè)量過(guò)程的分析以及CTL決議的相關(guān)要求可以作為今后修訂上述標(biāo)準(zhǔn)的重要參考。