儲水式電熱水器測試環境濕度控制要求探討

李曉紅 江先明 黃遜青

廣東萬和新電氣股份有限公司 廣東順德 528300

0 引言

儲水式電熱水器是目前市場上產銷量最大的家用生活熱水加熱器具，在我國年銷售規模達到3000萬臺以上，由于這種產品是利用電熱元件將電能轉換為熱能，屬于家庭中的主要耗電器具，對其能效性能的監督管理是國家節能政策的重點工作之一。關于儲水式電熱水器的能效檢測方法研究近年一直受到關注[1,4]，現行標準通過24 h固有能耗系數和熱水輸出率等2項指標進行能效等級綜合判定，主要測試依據為GB 21519—2008《儲水式電熱水器能效限定值及能效等級》和GB/T 20289—2006《儲水式電熱水器》。在筆者多年的檢測工作實踐中，發現有一個要求的合理性被不少人注意到，就是標準中對測試環境濕度的要求十分寬松，為≤85%RH，但是對于濕度測量儀表的準確度要求卻相當高，達到±1%RH[2-3]。針對該問題，本文就現行技術標準關于儲水式電熱水器測試環境濕度控制要求進行簡要的分析，通過能效測量原理的傳熱學分析、國內外技術標準要求對比以及計量管理分析等，討論濕度測量儀表準確度要求，并提出現行標準中關于濕度測量儀表的準確度要求應予以放寬，與CTL PDSH 251F《關于測試實驗室儀器準確度范圍的決議》中規定要求同步。

1 測量環境濕度要求

1.1 環境濕度對測試的影響

家電產品測試需要考慮環境條件的影響，其中濕度對測試過程的影響主要體現為：

（1）環境濕度直接影響測量結果?？諝庵兴畾獍l生凝結釋放潛熱，導致器具的熱輸出發生變化，如熱泵、冷凝式燃氣熱水器等。

（2）環境濕度間接影響測量結果。包括，濕度影響空氣的傳熱性能，導致與傳熱相關的測量結果發生變化，如溫升測量等；濕度作為狀態參數參與物理化學過程，如燃燒過程的助燃空氣。

（3）環境濕度影響測量設備狀態。當環境相對濕度大于80%RH時稱為高濕，濕度過高時影響測量設備部件絕緣強度，導致霉菌生長和金屬腐蝕；相對濕度小于30%RH時稱為低濕或干燥，濕度過低時會發生靜電，易損壞某些器件、干擾測量設備等。

（4）操作人員的舒適性。一般檢測實驗室的濕度會控制在30%RH～70%RH，在這個濕度條件下，大部分人感覺最為舒適。

1.2 環境濕度影響分析

儲水式電熱水器受測量環境影響最大的項目是24 h固有能耗系數檢測，該指標對應了規定時間內器具的表面熱損失指標。在規定的測量條件下，器具外表面的熱量傳遞特性滿足集中參數法的適用條件，器具的24 h固有能耗系數與其外表面熱流密度之間存在線性關系[4]，在此前提下，環境濕度對檢測結果的影響分析就演變為環境濕度對電熱水器表面熱損失的熱流密度影響分析，熱流密度q可以定量表達為：

式中：

q-熱流密度，W/m2；

α-空氣給熱系數，W/(m2·K)；

Δt-熱水器外表面與空氣的溫差，K[4]。

實驗過程中，器具表面與環境空氣之間熱量傳遞以自然對流方式進行，在環境溫度不變時，空氣濕度對熱流密度的影響體現為空氣導熱系數對給熱系數的影響：

式中：

q0-相對濕度50%時的熱流密度，W/m2；

α0-相對濕度50%時的空氣給熱系數，W/(m2·K)。

空氣給熱系數α可使用式（3）表達：

式中：

C-取決于表面幾何形狀的參數；

L-熱流通道的長度，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-濕空氣的導熱系數[4]，Btu/(l b·℉)[5]。

當只考慮濕度變化對實驗結果的影響時，實際給熱系數與基準條件α0（相對濕度50%時）之間的比值，可以表達為：

式中：λ0-相對濕度50%時空氣的導熱系數，Btu/(l b·℉)。

由于空氣導熱系數主要受空氣溫度和濕度的影響，定量計算依據式（5）：

式中：

λma-濕空氣的導熱系數，W/(m·K)；

λda-干空氣的導熱系數，W/(m·K)；

λv-水蒸汽的導熱系數，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-干空氣的結合因子；

Av,da-水蒸汽的結合因子。

其中：

式中：

μda-干空氣的動力粘度，kg/(m·s)；

μv-水蒸氣的動力粘度，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]。

計算可得表1，為實驗室在溫度20℃，相對濕度30%RH～80%RH范圍，與溫度20℃，相對濕度50%RH的空氣給熱系數比較值匯總。

表1 環境溫度20℃時相對濕度對空氣給熱系數的影響

表1的計算結果顯示，在溫度20℃、相對濕度30%RH～80%RH變化范圍內，空氣濕度導致空氣導熱系數變化對空氣給熱系數的影響幅度均小于0.5%，從式（1）可知熱流密度q和空氣給熱系數α成線性關系，因此對儲水式電熱水器24 h固有能耗系數測量值的影響幅度也小于測量值的0.5%。考慮到一般電熱水器能效測量過程中24 h固有能耗系數項目的測量不確定度范圍在2%～4%之間，濕度變化對測量結果的影響可以忽略。

1.3 國內外技術標準要求對比

GB/T 20289—2006《儲水式電熱水器》對測量環境的溫濕度要求如表2所示[3]，表3為儲水式電熱水器能效相關標準的環境溫濕度要求對照，包括國際標準IEC、歐盟標準EN、日本標準JIS和中國標準GB，從中可以了解相關標準對溫度要求是比較嚴格的，而對濕度的要求則十分寬松。

表2 儲水式電熱水器能效測試環境溫濕度要求

表3 儲水式電熱水器能效測試環境溫濕度要求對照

按照IEC的檢測實驗室委員會（Committee of Testing Laboratories，CTL）決議CTL PDSH 251F《關于測試實驗室儀器準確度范圍的決議》規定，相對濕度測量儀表的準確度±6%RH，適用測量范圍為30%RH～95%RH[10]。由于在儲水式電熱水器的能效測量過程中，相對濕度對測量結果的影響可以忽略，所以準確度±6%RH已經可以滿足測量的要求。

GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》第3.0.2條規定了按人體舒適性要求確定的溫度范圍是22℃～28℃，相對濕度范圍是30%RH～70%RH[11]。顯然，GB/T 20289對測量環境的濕度要求，比一般的舒適性空調環境還要寬松，如果按舒適性濕度范圍考慮，舒適區間為50%RH±20%RH。若按測量儀表準確度與測量值允許偏差之間滿足3倍以上的比值計算，用于濕度測量儀表的準確度優于±6.67%RH即可。

在測試實踐中，由于對測試環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節措施實現，而更嚴格的±1 K（℃）的溫度變化范圍需要利用性能較高的工藝性空氣調節措施實現，這些空調措施在沒有特定濕度要求的情況下，一般可以按舒適性空調的濕度范圍對環境進行調節，即相對濕度范圍在30%RH～70%RH之間，空調設備在該調節范圍內運行，通常不會由于濕度要求增加運行費用。

綜上所述。對于儲水式電熱水器的能效測試環境溫濕度要求，真正需要關注的是溫度為20℃±2℃的要求，而標準中濕度不超過85%RH的要求，在測試實踐中是被30%RH～70%RH之間的實際范圍所替代的。值得注意的是，在這樣的濕度變化范圍下，準確度±6%RH已經可以滿足對于濕度測量儀表的性能要求，但是對照GB/T 20289—2006中規定的儀表準確度為±1%，差異過大。

2 濕度測量儀表選型

2.1 濕度測量

濕度計用于測定環境濕度，按照用途可分為計量標準器具和工作計量器具。工作計量器具按照測量方法可分為干濕球濕度計、電阻和電容性濕度傳感器、露點濕度計、毛發濕度計、庫倫濕度計、電化學濕度計和光學型濕度計等；按顯示方式可分為指針溫濕度計和數字溫濕度計；按精度級別可分為民用溫濕度計和工業溫濕度計。檢測實驗室一般選用工作計量器具，常用類型為干濕球測濕法和電子式濕度傳感器測濕法。

2.2 干濕球測濕法

干濕球法準確度取決于干球溫度計和濕球溫度計的準確度，當紗布水套、水質和風速滿足要求時，濕度準確度一般為5%RH～7%RH。干濕球濕度計采用的是間接測量法，通過測量濕球和干球的溫度經過計算得出濕度值，對使用溫度沒有過高要求，只要定期給濕球加水和更換紗布，就不會產生老化，更適合于高溫及惡劣環境中使用，一般使用在恒溫恒濕箱和焓差室內。在國家計量檢定規程JJG 205—2005《機械式溫濕度計》第5.2條款規定濕度計的計量特性，相對濕度示值誤差不超過：

a) ±5%RH（40%RH～70%RH，20℃）；

b) ±7%RH（40%RH以下或70%RH以上，20℃）[12]。

用到的標準器具有兩種，精密露點儀或通風干濕表法，要求如表4所示。

表4 機械式溫濕度計標準器具技術指標要求

2.3 電子式濕度傳感器測濕法

電子濕度傳感器隨著電子技術的發展，近年來得到越來越廣泛的應用，相對于傳統的濕度敏感器件，具有使用簡便、量程范圍大、準確度較高等優點，尤其是便于與電子信息系統連接，使之迅速廣泛取代傳統的濕度傳感器。雖然相對濕度電子濕度傳感器的準確度出廠時標稱可達到2%RH～3%RH，但是在實際使用過程中，由于塵土、油污以及有害氣體的影響導致其性能退化，所以電子式濕度傳感器濕度計的準確度如需實際達到±3%RH受到的制約因素影響較多。在JJF（軍工）165—2017《數字溫濕度計校準規范》第3.2條款規定濕度計的計量特性：測量范圍10%RH～90%RH時，相對濕度示值最大允許誤差：±2%RH～±7%RH[13]。

2.4 濕度測量方法的技術經濟性分析

產品標準中的對應測試項目一般是在實驗室中進行，環境相對潔凈、穩定，在測試實踐中通常會選擇電子濕度傳感器用于測試環境的相對濕度監測。由于相對濕度是溫度的函數，溫度明顯影響特定空間的相對濕度，例如，在GB 21519—2008和GB/T 20289—2006標準中規定實驗時環境溫度要求為20℃±2℃，雖然溫度變化僅為±2℃，但是溫度變化帶來的相對濕度變化約為-6%RH～＋4%RH，而且濕度變化對產品測試結果的影響可以忽略，在此情況下提出過高的濕度測量精度要求存在明顯的不合理問題。

我國計量器具實行三級傳遞，基準的基本計量學參數以及單位量值，由國家基準通過計量標準器具傳遞到工作計量器具。根據國家計量檢定系統JJG 2046—1990《濕度計量器具》的定義，將計量標準器具分為濕度一級標準和濕度二級標準。前者不確定度≤1%或≤3%，后者≤2%或≤5%[14]。參考JJG 2046—1990中濕度計量器具檢定系統框圖的要求，GB 21519和GB 20289所要求的濕度測量儀表，需使用國家計量基準器具進行檢定，或特殊情況下使用一級濕度標準進行比對。這對于檢測實驗室，尤其是企業實驗室而言，其合理性值得推敲。首先濕度一級標準可選型號主要為精密露點濕度計和標準干濕表，前者價格昂貴，用作一般實驗室的環境測量并不符合經濟性原則，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；其次只能通過濕度國家計量基準進行溯源，導致管理維護成本不合理的提高。

對現代常用的濕度測量的兩種方案進行比對，這兩種類型工作用濕度計在溯源時，干濕球法濕度計最大允許誤差絕對值基本要不小于5.0%RH，電子式濕度計最大允許誤差絕對值基本要不小于2.0%RH，只有利用國家一級或二級濕度測量標準對其校準才可以滿足量值傳遞要求。按照濕度的量值傳遞系統，對于一般工作用濕度測量器具均采用的是國家二級計量標準，如工作用的濕度計相對濕度準確度要求為±1%RH，只能選擇國家一級濕度測量標準作為工作器具，在企業實驗室的測量實踐中難以實現。

綜上所述，GB 21519—2008和GB/T 20289—2006標準中提出測量環境相對濕度用儀表準確度為±1%，存在明顯的不合理問題。測量準確度是濕度傳感器最重要的指標，每提高一個百分點，對濕度傳感器來說，其制造成本就會相差很大，售價也相差甚遠，同時，過高的性能要求導致儀表維護管理的成本也明顯增加。

3 結束語

綜上所述，對于儲水式電熱水器的能效測試環境濕度要求，環境相對濕度對產品測量結果的影響基本可以忽略，同時，在測試實踐中，GB 21519—2008和GB/T 20289—2006標準中對于環境相對濕度規定的不超過85%RH的要求，實際是被30%RH～70%RH之間的范圍替代的，在這樣的濕度變化范圍下，準確度±6%RH的濕度測量儀表已經可以滿足測量要求，本文從以下幾個方面進行了論述：

（1）從傳熱學的熱量傳遞過程分析，在實驗室環境內，相對濕度變化對儲水式電熱水器24 h固有能耗系數測量值的影響，是基本可以忽略不計的；

（2）從國內外技術標準要求進行對比可知，對溫度要求是比較嚴格的，而對濕度的要求則是十分寬松的；

（3）從濕度測量方法的技術經濟性分析可知，在濕度要求十分寬松的環境中，要求濕度儀表的準確度達到±1%RH，其技術經濟性是不合理的。

所以，在GB 21519—2008和GB/T 20289—2006標準中規定準確度為±1%RH的要求，存在明顯的不合理問題。在滿足使用要求的前提下，儀器設備的選型應當充分考慮經濟性和可靠性的影響，對測量過程的分析以及CTL決議的相關要求可以作為今后修訂上述標準的重要參考。