储水式电热水器测试环境湿度控制要求探讨

李晓红 江先明 黄逊青

广东万和新电气股份有限公司 广东顺德 528300

0 引言

储水式电热水器是目前市场上产销量最大的家用生活热水加热器具，在我国年销售规模达到3000万台以上，由于这种产品是利用电热元件将电能转换为热能，属于家庭中的主要耗电器具，对其能效性能的监督管理是国家节能政策的重点工作之一。关于储水式电热水器的能效检测方法研究近年一直受到关注[1,4]，现行标准通过24 h固有能耗系数和热水输出率等2项指标进行能效等级综合判定，主要测试依据为GB 21519—2008《储水式电热水器能效限定值及能效等级》和GB/T 20289—2006《储水式电热水器》。在笔者多年的检测工作实践中，发现有一个要求的合理性被不少人注意到，就是标准中对测试环境湿度的要求十分宽松，为≤85%RH，但是对于湿度测量仪表的准确度要求却相当高，达到±1%RH[2-3]。针对该问题，本文就现行技术标准关于储水式电热水器测试环境湿度控制要求进行简要的分析，通过能效测量原理的传热学分析、国内外技术标准要求对比以及计量管理分析等，讨论湿度测量仪表准确度要求，并提出现行标准中关于湿度测量仪表的准确度要求应予以放宽，与CTL PDSH 251F《关于测试实验室仪器准确度范围的决议》中规定要求同步。

1 测量环境湿度要求

1.1 环境湿度对测试的影响

家电产品测试需要考虑环境条件的影响，其中湿度对测试过程的影响主要体现为：

（1）环境湿度直接影响测量结果。空气中水气发生凝结释放潜热，导致器具的热输出发生变化，如热泵、冷凝式燃气热水器等。

（2）环境湿度间接影响测量结果。包括，湿度影响空气的传热性能，导致与传热相关的测量结果发生变化，如温升测量等；湿度作为状态参数参与物理化学过程，如燃烧过程的助燃空气。

（3）环境湿度影响测量设备状态。当环境相对湿度大于80%RH时称为高湿，湿度过高时影响测量设备部件绝缘强度，导致霉菌生长和金属腐蚀；相对湿度小于30%RH时称为低湿或干燥，湿度过低时会发生静电，易损坏某些器件、干扰测量设备等。

（4）操作人员的舒适性。一般检测实验室的湿度会控制在30%RH～70%RH，在这个湿度条件下，大部分人感觉最为舒适。

1.2 环境湿度影响分析

储水式电热水器受测量环境影响最大的项目是24 h固有能耗系数检测，该指标对应了规定时间内器具的表面热损失指标。在规定的测量条件下，器具外表面的热量传递特性满足集中参数法的适用条件，器具的24 h固有能耗系数与其外表面热流密度之间存在线性关系[4]，在此前提下，环境湿度对检测结果的影响分析就演变为环境湿度对电热水器表面热损失的热流密度影响分析，热流密度q可以定量表达为：

式中：

q-热流密度，W/m2；

α-空气给热系数，W/(m2·K)；

Δt-热水器外表面与空气的温差，K[4]。

实验过程中，器具表面与环境空气之间热量传递以自然对流方式进行，在环境温度不变时，空气湿度对热流密度的影响体现为空气导热系数对给热系数的影响：

式中：

q0-相对湿度50%时的热流密度，W/m2；

α0-相对湿度50%时的空气给热系数，W/(m2·K)。

空气给热系数α可使用式（3）表达：

式中：

C-取决于表面几何形状的参数；

L-热流通道的长度，ft；

β-体积膨胀，1/°R；

ρ-气体的密度，l b/ft3；

g-重力加速度，4.17×108ft/h2；

Δt-温差，℉；

μ-黏度，l b/(ft·h)；

CP-流体的比热，Btu/(l b·℉)；

λ-湿空气的导热系数[4]，Btu/(l b·℉)[5]。

当只考虑湿度变化对实验结果的影响时，实际给热系数与基准条件α0（相对湿度50%时）之间的比值，可以表达为：

式中：λ0-相对湿度50%时空气的导热系数，Btu/(l b·℉)。

由于空气导热系数主要受空气温度和湿度的影响，定量计算依据式（5）：

式中：

λma-湿空气的导热系数，W/(m·K)；

λda-干空气的导热系数，W/(m·K)；

λv-水蒸汽的导热系数，W/(m·K)；

d-湿空气含湿量，g/kg(a)；

Mda-干空气的分子量，28.97 kg/kmol；

Mv-水蒸汽的分子量，18.02 kg/kmol；

Ada,v-干空气的结合因子；

Av,da-水蒸汽的结合因子。

其中：

式中：

μda-干空气的动力粘度，kg/(m·s)；

μv-水蒸气的动力粘度，kg/(m·s)[6]。

将以下拟合算式代入式（5）、式（6）、式（7）：

式中：t-干空气或水蒸气的温度，K[6]。

计算可得表1，为实验室在温度20℃，相对湿度30%RH～80%RH范围，与温度20℃，相对湿度50%RH的空气给热系数比较值汇总。

表1 环境温度20℃时相对湿度对空气给热系数的影响

表1的计算结果显示，在温度20℃、相对湿度30%RH～80%RH变化范围内，空气湿度导致空气导热系数变化对空气给热系数的影响幅度均小于0.5%，从式（1）可知热流密度q和空气给热系数α成线性关系，因此对储水式电热水器24 h固有能耗系数测量值的影响幅度也小于测量值的0.5%。考虑到一般电热水器能效测量过程中24 h固有能耗系数项目的测量不确定度范围在2%～4%之间，湿度变化对测量结果的影响可以忽略。

1.3 国内外技术标准要求对比

GB/T 20289—2006《储水式电热水器》对测量环境的温湿度要求如表2所示[3]，表3为储水式电热水器能效相关标准的环境温湿度要求对照，包括国际标准IEC、欧盟标准EN、日本标准JIS和中国标准GB，从中可以了解相关标准对温度要求是比较严格的，而对湿度的要求则十分宽松。

表2 储水式电热水器能效测试环境温湿度要求

表3 储水式电热水器能效测试环境温湿度要求对照

按照IEC的检测实验室委员会（Committee of Testing Laboratories，CTL）决议CTL PDSH 251F《关于测试实验室仪器准确度范围的决议》规定，相对湿度测量仪表的准确度±6%RH，适用测量范围为30%RH～95%RH[10]。由于在储水式电热水器的能效测量过程中，相对湿度对测量结果的影响可以忽略，所以准确度±6%RH已经可以满足测量的要求。

GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第3.0.2条规定了按人体舒适性要求确定的温度范围是22℃～28℃，相对湿度范围是30%RH～70%RH[11]。显然，GB/T 20289对测量环境的湿度要求，比一般的舒适性空调环境还要宽松，如果按舒适性湿度范围考虑，舒适区间为50%RH±20%RH。若按测量仪表准确度与测量值允许偏差之间满足3倍以上的比值计算，用于湿度测量仪表的准确度优于±6.67%RH即可。

在测试实践中，由于对测试环境有明确的温度要求，而且±2℃（K）的温度变化范围需要利用舒适性空气调节措施实现，而更严格的±1 K（℃）的温度变化范围需要利用性能较高的工艺性空气调节措施实现，这些空调措施在没有特定湿度要求的情况下，一般可以按舒适性空调的湿度范围对环境进行调节，即相对湿度范围在30%RH～70%RH之间，空调设备在该调节范围内运行，通常不会由于湿度要求增加运行费用。

综上所述。对于储水式电热水器的能效测试环境温湿度要求，真正需要关注的是温度为20℃±2℃的要求，而标准中湿度不超过85%RH的要求，在测试实践中是被30%RH～70%RH之间的实际范围所替代的。值得注意的是，在这样的湿度变化范围下，准确度±6%RH已经可以满足对于湿度测量仪表的性能要求，但是对照GB/T 20289—2006中规定的仪表准确度为±1%，差异过大。

2 湿度测量仪表选型

2.1 湿度测量

湿度计用于测定环境湿度，按照用途可分为计量标准器具和工作计量器具。工作计量器具按照测量方法可分为干湿球湿度计、电阻和电容性湿度传感器、露点湿度计、毛发湿度计、库伦湿度计、电化学湿度计和光学型湿度计等；按显示方式可分为指针温湿度计和数字温湿度计；按精度级别可分为民用温湿度计和工业温湿度计。检测实验室一般选用工作计量器具，常用类型为干湿球测湿法和电子式湿度传感器测湿法。

2.2 干湿球测湿法

干湿球法准确度取决于干球温度计和湿球温度计的准确度，当纱布水套、水质和风速满足要求时，湿度准确度一般为5%RH～7%RH。干湿球湿度计采用的是间接测量法，通过测量湿球和干球的温度经过计算得出湿度值，对使用温度没有过高要求，只要定期给湿球加水和更换纱布，就不会产生老化，更适合于高温及恶劣环境中使用，一般使用在恒温恒湿箱和焓差室内。在国家计量检定规程JJG 205—2005《机械式温湿度计》第5.2条款规定湿度计的计量特性，相对湿度示值误差不超过：

a) ±5%RH（40%RH～70%RH，20℃）；

b) ±7%RH（40%RH以下或70%RH以上，20℃）[12]。

用到的标准器具有两种，精密露点仪或通风干湿表法，要求如表4所示。

表4 机械式温湿度计标准器具技术指标要求

2.3 电子式湿度传感器测湿法

电子湿度传感器随着电子技术的发展，近年来得到越来越广泛的应用，相对于传统的湿度敏感器件，具有使用简便、量程范围大、准确度较高等优点，尤其是便于与电子信息系统连接，使之迅速广泛取代传统的湿度传感器。虽然相对湿度电子湿度传感器的准确度出厂时标称可达到2%RH～3%RH，但是在实际使用过程中，由于尘土、油污以及有害气体的影响导致其性能退化，所以电子式湿度传感器湿度计的准确度如需实际达到±3%RH受到的制约因素影响较多。在JJF（军工）165—2017《数字温湿度计校准规范》第3.2条款规定湿度计的计量特性：测量范围10%RH～90%RH时，相对湿度示值最大允许误差：±2%RH～±7%RH[13]。

2.4 湿度测量方法的技术经济性分析

产品标准中的对应测试项目一般是在实验室中进行，环境相对洁净、稳定，在测试实践中通常会选择电子湿度传感器用于测试环境的相对湿度监测。由于相对湿度是温度的函数，温度明显影响特定空间的相对湿度，例如，在GB 21519—2008和GB/T 20289—2006标准中规定实验时环境温度要求为20℃±2℃，虽然温度变化仅为±2℃，但是温度变化带来的相对湿度变化约为-6%RH～＋4%RH，而且湿度变化对产品测试结果的影响可以忽略，在此情况下提出过高的湿度测量精度要求存在明显的不合理问题。

我国计量器具实行三级传递，基准的基本计量学参数以及单位量值，由国家基准通过计量标准器具传递到工作计量器具。根据国家计量检定系统JJG 2046—1990《湿度计量器具》的定义，将计量标准器具分为湿度一级标准和湿度二级标准。前者不确定度≤1%或≤3%，后者≤2%或≤5%[14]。参考JJG 2046—1990中湿度计量器具检定系统框图的要求，GB 21519和GB 20289所要求的湿度测量仪表，需使用国家计量基准器具进行检定，或特殊情况下使用一级湿度标准进行比对。这对于检测实验室，尤其是企业实验室而言，其合理性值得推敲。首先湿度一级标准可选型号主要为精密露点湿度计和标准干湿表，前者价格昂贵，用作一般实验室的环境测量并不符合经济性原则，后者受安装体积大、适用温度范围小等因素影响，使用限制较多；其次只能通过湿度国家计量基准进行溯源，导致管理维护成本不合理的提高。

对现代常用的湿度测量的两种方案进行比对，这两种类型工作用湿度计在溯源时，干湿球法湿度计最大允许误差绝对值基本要不小于5.0%RH，电子式湿度计最大允许误差绝对值基本要不小于2.0%RH，只有利用国家一级或二级湿度测量标准对其校准才可以满足量值传递要求。按照湿度的量值传递系统，对于一般工作用湿度测量器具均采用的是国家二级计量标准，如工作用的湿度计相对湿度准确度要求为±1%RH，只能选择国家一级湿度测量标准作为工作器具，在企业实验室的测量实践中难以实现。

综上所述，GB 21519—2008和GB/T 20289—2006标准中提出测量环境相对湿度用仪表准确度为±1%，存在明显的不合理问题。测量准确度是湿度传感器最重要的指标，每提高一个百分点，对湿度传感器来说，其制造成本就会相差很大，售价也相差甚远，同时，过高的性能要求导致仪表维护管理的成本也明显增加。

3 结束语

综上所述，对于储水式电热水器的能效测试环境湿度要求，环境相对湿度对产品测量结果的影响基本可以忽略，同时，在测试实践中，GB 21519—2008和GB/T 20289—2006标准中对于环境相对湿度规定的不超过85%RH的要求，实际是被30%RH～70%RH之间的范围替代的，在这样的湿度变化范围下，准确度±6%RH的湿度测量仪表已经可以满足测量要求，本文从以下几个方面进行了论述：

（1）从传热学的热量传递过程分析，在实验室环境内，相对湿度变化对储水式电热水器24 h固有能耗系数测量值的影响，是基本可以忽略不计的；

（2）从国内外技术标准要求进行对比可知，对温度要求是比较严格的，而对湿度的要求则是十分宽松的；

（3）从湿度测量方法的技术经济性分析可知，在湿度要求十分宽松的环境中，要求湿度仪表的准确度达到±1%RH，其技术经济性是不合理的。

所以，在GB 21519—2008和GB/T 20289—2006标准中规定准确度为±1%RH的要求，存在明显的不合理问题。在满足使用要求的前提下，仪器设备的选型应当充分考虑经济性和可靠性的影响，对测量过程的分析以及CTL决议的相关要求可以作为今后修订上述标准的重要参考。