电磁灶不同功率档位的热效率及能耗分析探讨

王 山 贾瑞婷 徐善伟

（中标能效科技（青岛）有限公司 青岛 266101）

背景

第一台家用电磁灶于1957年在德国诞生[1]，而自1972年美国西屋公司开始批量生产民用电磁灶以来，电磁灶的生产技术得到了快速发展。上世纪90年代初，电磁灶开始进入我国，并在1999年之后有了较大的发展，在家用炊具方面占有重要的席位。如今，家用电磁灶已经走进千家万户，其具有加热速度快、节能环保、多功能性、使用方便等特点。电磁灶作为重要的家用炊具，现在已经发展出了多档位、多功能的高热效率电磁灶。2015年1月1日起，修订后的GB 21456-2014 《家用电磁灶能效限定值及能效等级》正式实施[2]，消费者开始更加重视电磁灶的节能省电问题。然而，面对功能各异的电磁灶，不少消费者仍然对不同档位、功率的节能耗电问题了解较少。因此，本文通过对电磁灶不同档位进行能耗测定，分析了电磁灶不同功率档位烧水的能耗、热效率问题，对普通消费者电磁灶档位选择上有一定的认识作用。

1 实验方法

1.1 实验设备

1）电磁灶能效自动测试装置[3]（专利号：2013104619891）

①测试电源的电压总谐波失真不大于3 %；

②电能表能够在最小20 mW·h的水平上测量能耗；

③测量温度用的温度计，分辨率不大于0.1 ℃；

④质量测量分辨率不大于5 g；

⑤计时器的准确度为±2 s/h；

2）电磁灶能效测试锅标准样品（GSB 02-3356-2016）

采用B2锅；

3）电磁灶（苏泊尔 C21-SDHCB19）

4）夹子（固定测试装置的热电偶）

1.2 实验原理

按照GB 21456-2014 《家用电磁灶能效限定值及能效等级》规定的方法测量；

c1— 水的比热容，取4.18，单位为千焦每千克开尔文 [kJ/(kg·K)]；

m1— 水的质量，单位为千克(kg)；

c2— 锅身和锅盖的比热容，取0.46，单位为千焦每千克开尔文[kJ/(kg·K)]；

m2— 锅身和锅盖的总质量，单位为千克(kg)；

E— 耗电量，单位为千瓦时(kW·h)；

Δt— 温升，单位为开尔文 (K)，Δt=t2-t1。

E— 耗电量，单位为千瓦时(kW·h)；

Δt— 温升，单位为开尔文(K)，Δt=t2-t1.

m1— 水的质量，单位为千克(kg)；

1.3 实验步骤

1）选取苏泊尔电磁灶，放在电电磁灶能效自动测试装置指定的测试区；

2）按照设备要求接通相应的电源系统及进水系统；

3）选择600 W的功率烧水，并用测试设备自动测试、记录水质量、初始水温、最高水温、温升、能耗、热效率参数；

4）测试设备保存有效的测试数据；

5）待标准锅、电磁炉面板、冷却至标准规定范围内后，再依次选择800 W、1 000 W、1 200 W、1 400 W、1 600 W、1 800 W、2 100 W的使用功率重复上述步骤，并记录有效数据。

2 实验数据分析

2.1 不同功率档位的能耗、热效率分析

实验数据汇总记录见表1。

由图1可以看出，随着电磁灶烧水功率的逐渐增大，电磁灶烧水所需的耗电量整体呈下降趋势。当烧水功率小于1 400 W（800～1 200 W）时，整体耗电量较大；当在较大功率（1 400～2 100 W）加热时，电磁灶的耗电量较低，且此时不同档位的耗电量差异较小。而1 000 W档位与1 200 W档位的耗电量相似，通过表一可知，这是由于这两个档位的水温温升的差异较大，但均在标准要求范围内，导致实际的耗电量可比性不高，因此，需要对热效率及单位能耗进行进一步的分析。

由表1和图2可以看出，在该能效测试中，电磁灶的功率800 W时热效率为74.13 %，1 000 W时热效率为84.45 %，1 200 W时热效率为86.05 %，1 400 W时热效率为87.54 %，1 600 W时热效率为88.35 %，1 800 W时热效率为88.53 %，2 100 W时热效率为88.48 %。而从图3可以看出，随着电磁灶功率的逐渐增加，电磁灶单位能耗的变化趋势与其热效率变化趋势互相对应。当烧水功率小于1 400 W（800～1 200 W）时，电磁灶能源效率较低，单位能耗较高，且在此功率范围内，随着档位功率的逐渐增大，电磁灶能源效率迅速增加，单位能耗迅速降低。当档位功率高于1 200 W（1400～2 100 W）时，电磁灶能源效率仍然逐渐升高，单位能耗逐渐降低，但此档位范围与低功率档位范围相比，电磁灶能源效率以及单位能耗变化趋势十分微小；在功率高于1 600 W时，电磁灶能源效率以及单位能耗可以认为不再改变，达到最值。

表1 电磁灶不同档位实验数据

这是由于加热同样质量的水，使水的温升一致时，需要的能量是确定的。在理想的情况下（水与外界的热交换为零），无论选择大功率还是小功率，电磁灶都会耗费同样的电能。但是在实际条件下，需要考虑水和周围环境的热交换，热水会不断的向周围传递热量。当使用较大功率时，烧水使用的时间则越短，热交换损失的能量就会越少，也就越省电。

2.2 热效率及加热时间的拟合分析

2.2.1 热效率曲线的拟合

由表1及图2可知，热效率的曲线在形式上与指数增长的图像相似，其公式为：

基于上面的分析，用Origin (version 8.0)数据分析软件对数据进行拟合，拟合的过程如下：

1）在Origin 8.0中打开热效率及加热档位的数据，并绘制数据散点图Graph1；

2）在菜单中选择Analysis→Fitting→Nonlinear Curve Fit（见图 4）；

3）在弹出对话框中的Function功能处选择ExpDec1公式；

4）点击“1 Iteration”进行迭代，相对应的迭代曲线在Fit Curve中显示，使迭代曲线与数据点最大程度吻合，最后点击“Fit”进行拟合。

根 据 拟 合 结 果 可 知，y0=88.29，A=-1 430.24，t=173.10；

即热效率（%）y与电磁灶档位（W）x的关系为：

图1 电磁灶不同档位的耗电量趋势图

图2 电磁灶不同档位热效率趋势图

因此，随着加热档位的增大，电磁灶的热效率逐渐增大。当假设电磁灶的功率档位可以持续增大时，即x→∞时，此时ymax= 88.29，即在此实验条件下，电磁灶的热效率理论最大能达到88.29 %。

2.2.2 加热时间曲线的拟合

同样，按照上述拟合方法对表一中的加热时间数据进行曲线拟合，可得加热时间（min）y与电磁灶档位（W）x的关系为：

因此，由图6可以看出，随着电磁灶加热档位的增大，加热实验水所耗费的时间逐渐减少。当假设电磁灶的功率档位可以继续增大时，即x→∞时，ymax= 5.92，即在此实验条件下，由于存在热水和周围环境的热交换，电磁灶的加热时间理论最快能达到5.92 min。

图4 数据拟合参数设置界面

图5 热效率与档位拟合曲线

图6 加热时间与档位拟合曲线

3 结论