家用電磁灶不同檔位間熱效率與能耗的擬合分析

趙克芝

（深圳市鑫匯科股份有限公司，廣東 深圳518000）

隨著國民經濟的發展和人民生活水平的日益提高，電磁灶已經走進千家萬戶，成為生活中的常見電器。針對中國現階段能源結構和產品設備能耗的特點等，對電磁灶系統進行效率以及能耗的關系分析十分必要。

1 實驗方法

1.1 設備及相關參數

實驗活動開展前，充分準備所需設備，以便為實驗分析提供有力支撐，最終獲得真實、可靠的實驗結果，具體設備如下：電磁灶能效自動測試裝置（電源電壓總諧波失真小于3%、分度計分辨率小于0.1 ℃、質量測量分辨率小于5 g、計時器精準度為±2 s/h、能耗測量前提條件即電能表維持在20 mW·h、電磁灶能效測試鍋標準樣品（GSB02-3356—2016）、B2 鍋、某品牌電磁灶（C21-SDHCB19）熱電偶。

1.2 操作原理

參照GB 21456—2014《家用電磁灶能效限定值及能效等級》相關方法進行實驗分析，同時，根據熱效率、單位能耗等公式獲知測量數據。

1.3 操作步驟

在測試區域準備電磁灶樣機，參照設備使用要求進行系統連接，確保電源常態啟動，加入標準要求的水量，初始水溫要在要求范圍內。

水加熱期間，控制功率為600 W，自動測試、準確記錄水溫、質量、能耗等參數；存儲測試數據，通過調節功率值逐項記錄相關數據。

2 數據分析

2.1 不同功率檔位的能耗、熱效率分析

根據電磁爐應用特征，家用電磁灶燒水功率加大的同時，耗電量逐漸遞減。其中，最高、最低耗電量對應的燒水功率范圍分別為800～1 200 W 和1 400～2 100 W。電磁爐1 000 W 檔位與1 200 W 檔位耗電量接近，分別為218.87 和219.13，即便不同單位水溫存在差異，但并未超出標準范圍，所以不同檔位耗電量的比較價值偏低。

基于此，分析熱效率和單位能耗，800 W、1 000 W 和1 200 W 檔位對應的熱效率值分別為74.12%、84.46%、86.04%，對應的能耗值分別為245.62 Wh、218.87 Wh 以及219.13 Wh?？煽闯鰴n位功率增加的同時，熱效率和能耗隨之增加，但單位能耗逐漸降低（由1.668～1.464 Wh/℃·kg，降為1.437 Wh/℃·kg）。

檔位功率處于1 400～2 100 W 時，電磁灶能源效率與單位能耗成反比，如表1 所示。與1 000～1 200 W 區間的能源效率相比，其變化差異甚微。當功率為1 600 W 時，能源效率及單位能耗處于最值狀態。

2.2 熱效率及加熱時間的擬合分析

2．2．1 熱效率曲線的擬合

擬合熱效率曲線的過程中，利用Origin（version 8.0）獲取熱效率數據及加熱檔位數據，根據數據信息繪制散點圖，具體設置情況如圖1 所示，具體程序即Analysis→Fitting→Nonlinear Curve Fit。

于Function 功能處選擇ExpDecl 公式，接下來單擊“1 Iteration”，實現迭代曲線擬合目的，確保迭代曲線與數據點相一致，最后單擊“Fit”。求得y0=88.29，A=-1 430.24，t=173.10，即熱效率y 與電磁灶檔位x 的關系為：

當加熱檔位增大，意味著電磁灶熱效率相應增加，二者成正比。

如果電磁灶的功率檔位持續增大，即x 接近∞時，此時ymax=88.29，即在此實驗條件下，電磁灶的熱效率理論值最大能達到88.29%。

表1 電磁灶1 400～2 100 W 檔位實驗數據

圖1 數據擬合參數設置界面

2．2．2 加熱時間曲線的擬合

根據熱效率曲線擬合方法繪制加熱時間曲線，其中加熱時間y 與電磁灶檔位x 的關系為：

電磁灶加熱時，先由電能轉變為磁能再轉變為熱能，在轉化成熱能過程中會有損耗，電磁灶加熱檔位增大，加熱實驗水所耗費的時間就逐漸縮短[3]。

3 實驗結論

家用電磁爐能耗控制情況對電能資源節約效果有關鍵性影響，要想實現電能資源節約目的，應客觀分析熱效率與能耗間的關系，這對家用電磁爐性能提升、使用壽命延長有重要意義。目前提升能效的方法大多聚焦在線圈盤上，而線圈盤的線圈大部分采用銅材料和鋁材料。金屬材料的電阻溫度系數k，指金屬材料在不同的溫度下，其阻值也不同。根據其特性又分為正溫度系數和負溫度系數，正溫度系數材料溫度越高，其阻值越大；負溫度系數材料溫度越高，其阻值越小。金屬的電阻溫度系數k 與溫度的關系如下：

K 為常數，銅材料K=234.5，鋁材料K=228.1，注意這是大寫的K，小寫的k 為電阻溫度系數，T 為線的溫度，金屬的電阻溫度系數通常都是以20 ℃為參照給出參數，計算公式里面有個“20”。例如銅線的電磁爐線圈盤，20 ℃時的直流阻值R=100 mΩ，此時電阻溫度系數為1，如果功率為2 200 W 時通過的電流為10 A，則損耗在線圈盤上的功率P=I2R=10 A×10 A×0.1 Ω=10 W。

如果線圈的溫度達到100 ℃時，電阻溫度系數k=1+[（100-20）/234.5]=1.34，此時的電阻R=1.34×100 mΩ=134 mΩ，則損耗在線圈盤上的固有功率為P=I2R=10 A×10 A×0.134 Ω=13.4 W，功耗多增加了3.4 W。所以在低頻情況下金屬材料的阻值與溫度相關，而在高頻情況下，金屬材料的阻值還與頻率相關，導線中電流的頻率越高，其阻值就越小，損耗功率就越高。

4 結束語

綜上所述，以家用電磁爐1 400 W 檔位來分界，當功率小于1 400 W 時，電磁爐檔位功率與電器的單位能耗成反比，檔位功率降低，則電磁爐能耗增加；當家用電磁爐功率高于1 400 W 時，熱效率與單位能耗間差異甚微，基于此，首選中高功率檔位電磁爐。

為驗證上述結論，本文以實驗探究的方式對實驗數據擬合分析，即從熱效率曲線擬合、加熱時間曲線擬合兩方面予以闡述，所添加介質相一致，獲知電磁灶的熱效率及加熱時間存在一個理論值，并借助公式予以描述。

對于家用電磁爐購買者及使用者來說，在享用電磁爐便利優勢的同時，了解電磁灶不同功率檔位燒水的能耗，減少電能資源浪費，可大大提高電能資源利用率。