储水式电热水器24 h固有能耗系数测试的不确定度评定

陆伟 王伯燕

1.中国家用电器研究院 北京 100037；

2.中家院（北京）检测认证有限公司 北京 100176

0 引言

储水式电热水器是利用内胆中的加热元件将电能转化为热能来加热洗浴用水的固定式器具。储水式电热水器带有温控器和热保护器控制温度，具有安全性能较高、使用方便等优点。目前我国电热水器市场趋向成熟，2021年我国电热水器产品零售量为2067万台，同比下降5.62%；零售金额为254亿元，同比下降2.7%。

随着储水式电热水器的普及，作为常见的大功率家电产品，其能耗备受人们的关注。24 h固有能耗系数是储水式电热水器重要的能耗指标之一，是人们购买电热水器产品关注的重要参数。本文对电热水器的24 h固有能耗指数测试的不确定度进行分析，为提高电热水器能效测试的准确度提供参考。

1 测量过程

储水式电热水器的24 h固有能耗指数依据GB 21519-2008《储水式电热水器能效限定值及能效等级》进行测试。试验前，在被测电热水器内胆布置温度测试点，测试热水器内部的出水温度，共布置5个热电偶。对于良好导热材质内胆的电热水器，热电偶需要紧贴在内胆的外表面，热电偶的布置不能影响温度测量，也不能破坏被测电热水器的保温效果。对于采用塑料、搪塑等导热不良材质内胆的电热水器，在其出水口、阳极棒安装口或排污口布置热电偶。被测电热水器的热电偶放置位置如图1所示。

图1 电热水器的热电偶放置位置

图1中，a) 和b) 为使用导热良好的金属内胆的电热水器，c) 和d)为使用导热不良内胆的电热水器。如果电热水器带有两个内胆，分别按照图1要求在每个内胆上布置5个热电偶。

热水器24 h固有能耗系数在环境温度为20℃±2℃，空气流速不超过0.25 m/s的实验室内测试。被测电热水器应按照使用说明规定进行安装，注满15℃±2℃的水，关闭出水阀，在额定输入功率下工作。调整被测热水器的温控装置，使得热水器内平均水温保持在65℃±3℃范围。从温控装置某次动作开始，直到经过48 h后，温控装置第一次动作为止，测量此期间热水器消耗的电能。计算出被测热水器24 h耗电量，与24 h固有能耗基准值比较即可得到24 h固有能耗系数。电热水器24 h固有能耗测试方法示意图如图2所示。

图2 电热水器24 h固有能耗测试方法示意图

2 建立测量模型

根据公式（1）计算被测热水器的24 h固有能耗系数ε：

式中：

Qpr-电热水器24 h固有能耗，单位为千瓦时（kW•h）；

Q-电热水器24 h固有能耗基准值，单位为千瓦时（kW•h）。

根据公式（2）计算通过多次温控装置断开时的被测热水器内部的平均水温θA：

式中：

θA-温控装置断开被测热水器加热元件电源时的内胆平均水温，单位为摄氏度（℃）；

θAij-温控装置某次断开时某个热电偶处的内胆水温，单位为摄氏度（℃）；

n-测量次数；

m-测试点的个数。

根据公式（3）计算温控装置接通时的被测热水器内部的平均水温θE：

式中：

θE-温控装置接通时被测热水器加热元件电源的内胆平均水温，单位为摄氏度（℃）；

θEij-温控装置某次接通时某个热电偶处的内胆水温，单位为摄氏度（℃）。

根据公式（4）计算被测热水器内胆的平均水温θM：

根据公式（5）计算被测电热水器24 h耗电量E：

式中：

E-24 h的能量损耗，单位为千瓦时（kW•h）；

E1-温控装置某次断开发热元件电源开始，48 h后温控装置第一次断开时的被测热水器消耗的电能，单位为千瓦时（kW•h）；

t1-记录耗电量E1对应的测试时间，单位为小时（h）。

调整实验室环境或被测电热水器的温控器设定，以满足40℃≤（θM-θamb）≤50℃的条件时，根据公式（6）计算被测电热水器24 h固有能耗Qpr：

式中：

Qpr-被测电热水器24 h固有能耗，单位为千瓦时（kW•h）；

θamb-试验E1期间实验室平均环境温度，单位为摄氏度（℃）。

根据公式（7）计算电热水器24 h固有能耗基准值Q：

式中：

a-电热水器容量系数；

C-电热水器的测试容积，单位为升（L）；

b-电热水器能耗基准值常数。

根据公式（8）计算被测热水器的容积：

式中：

m1-注满水的被测电热水器的质量，单位为千克（kg）；m0-被测电热水器的质量，单位为千克（kg）；ρ-水的密度，单位为千克每立方米（kg/m3）。

将公式（2）～（8）代入公式（1），被测电热水器24 h固有能耗系数ε的计算公式可改写为：

3 电热水器24 h固有能耗系数的A类不确定度评定

选取某品牌储水式电热水器产品进行24 h固有能耗测试，其规格参数为：220 V～50 Hz，2200 W，50 L。被测电热水器额定容积为50 L，经查询该电热水器的容量系数a为0.015，能耗基准系数b为0.8，将a、b两个系数代入公式（7）得到被测热水器24 h固有能效系数ε的计算公式：

被测热水器质量为17.651 kg，注满15.1℃的水后总质量为64.108 kg，15.1℃时纯水的密度为999.062 kg/m3，根据公式（8）计算得到其实测容积为46.50 L。24 h固有能耗测试时，实验室环境平均温度θamb为20.0℃，进水温度为15.1℃，温控器断开时的热水器内部平均水温θA为69.1℃，温控器接通时的热水器内部平均水温θE为63.2℃，根据公式（4）计算被测热水器不排水时内胆的平均水温θM为66.2℃，θM-θamb=46.2℃，满足24 h固有能耗测试的条件，从温控器某次断开电源开始，经过48.24 h以后温控器第一次断开被测热水器的耗电量E1为2.0693 kW•h，试验过程曲线如图3所示。

图3 被测电热水器24 h固有能耗测试曲线

对被测电热水器进行10次24 h固有能耗测试，测试数据见表1。

表1 被测电热水器24 h固有能耗测试数据

根据贝塞尔公式，可得到被测电热水器24 h固有能耗系数测量重

复性引入的A类不确定度分量为：

4 电热水器24 h固有能耗系数的B类不确定度评定

分析测试过程和计算公式，电热水器24 h固有能耗系数的主要影响因素有：

（1）温控装置断开时的被测电热水器内部的平均水温θA；

（2）温控装置接通时的被测电热水器内部的平均水温θE；

（3）温控装置某次断开电源开始，48 h后温控装置第一次断开时被测热水器消耗的电能E1；

（4）耗电量E1对应的测试时间t1；

（5）测试耗电量E1期间实验室平均环境温度θamb；

（6）注满水的被测电热水器的质量m1；

（7）被测电热水器的质量m0；

（8）水的密度ρ。

4.1 电热水器平均水温θA引入的B类不确定度分量

本次试验使用热电偶测试温控器断开时的被测电热水器内部的平均水温，由校准证书可知，热电偶的扩展不确定度为0.072℃，包含因子k=2，被测电热水器平均水温θA测试的不确定度分量为：

灵敏系数为：

4.2 电热水器平均水温θE引入的B类不确定度分量

本次试验使用热电偶测试温控器接通时的被测电热水器内部的平均水温，由校准证书可知，热电偶的扩展不确定度为0.072℃，包含因子k=2，被测电热水器平均水温θE测试的不确定度分量为：

灵敏系数为：

4.3 实验室平均环温θamb引入的B类不确定度分量

实验室使用横河UT35A数字温度控制器采集并控制环境温度，由校准证书可知，电热水器实验室平均环境温度的扩展不确定度为0.072℃，包含因子k=2，实验室平均环温θamb测试的不确定度分量为：

灵敏系数为：

4.4 被测电热水器的耗电量E1引入的B类不确定度分量

本次试验使用横河WT310E数字电参数仪测量被测电热水器消耗的电能，由校准证书可知，数字电参数仪电能测试的相对扩展不确定度为0.15%，包含因子k=2，被测电热水器的耗电量E1测试的不确定度分量为：

灵敏系数为：

4.5 耗电量的测试时间t1引入的B类不确定度分量

本次试验使用秒表记录被电热水器耗电量E1的时间，由校准证书可知，秒表的扩展不确定度为0.02 s，概率为矩形分布，耗电量E1测试时间t1测试的不确定度分量为：

灵敏系数为：

4.6 电热水器质量m1引入的B类不确定度分量

本次试验使用电子秤测试被测热水器注满水后质量m1，由校准证书可知，电子秤的扩展不确定度为0.05 g，概率为矩形分布，被测热水器注满水后质量m1测试的不确定度分量为：

灵敏系数为：

4.7 电热水器质量m0引入的B类不确定度分量

本次试验使用电子秤测试被测热水器质量m0，由校准证书可知，电子秤的扩展不确定度为0.05 g，概率为矩形分布，被测热水器质量m0测试的不确定度分量为：

灵敏系数为：

4.8 水的密度ρ引入的B类不确定度分量

本次试验使用数字温度计测试热水器的进水温度，通过温度确定水电密度，水温度和密度的对应关系见公式（26）：

由校准证书可知，数字温度计的扩展不确定度为0.07℃，概率为矩形分布，被测热水器进水温度t测试的不确定度分量为：

灵敏系数为：

5 电热水器24 h固有能耗系数不确定度

电热水器24 h固有能耗系数各不确定度分量汇总见表2。电热水器24 h固有能耗系数的合成不确定度为：

表2 电热水器24 h固有能耗系数各不确定度分量

取包含因子k=2，电热水器24 h固有能耗系数的扩展不确定度为：

6 结语

储水式电热水器24 h固有能耗系数是考核电热水器保温性能和电能利用率的重要指标。影响24 h固有能耗系数的主要因素有热水器保温层厚度以及热水器维修盖、挂架、进出水口和排污口处的保温措施。通过分析电热水器24 h固有能耗的测试过程和各相关因素得出，测试的重复性和实验室环境温度的控制是两个主要因素。影响测试重复性的因素主要有内胆温度的布点位置和温控装置的设置。实验室可以从这几个方面来提升实验室的测试准确度。