储水式电热水器的性能检测装置的设计

过峰，赵介军，聂义，俞建峰

（1.无锡出入境检验检疫局，江苏无锡214174；2.江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）

储水式电热水器的性能检测装置的设计

过峰1，赵介军1，聂义1，俞建峰2

（1.无锡出入境检验检疫局，江苏无锡214174；2.江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）

根据质检单位、实验室和生产企业所参照的储水式电热水器的性能检测标准，设计了一台基于物联网技术的储水式电热水器的性能检测装置。基于相关国家标准中的24 h固有能耗和出水率等性能检测指标，最终设计了一个储水式电热水器性能检测装置的检测流程与测试平台。该性能检测装置能够大大地提高检测效率，降低劳动强度，节省检测成本，因此，其具有一定的推广使用价值。

储水式电热水器；性能检测；固有能耗；出水率；检测流程；测试平台

0 引言

随着储水式电热水器的发展，对其性能的自动检测便成为了一个亟待解决的技术难题。这在客观上要求能够尽快地设计、生产出一种自动检测储水式电热水器性能的装置，以达到既方便厂家、检验部门安检工作的展开，又让顾客放心地使用自己购买的热水器产品的目的。

1 性能检测的指标

本文所设计的基于物联网技术的储水式电热水器的性能检测装置，其检测的理论依据是按照国家标准的具体规定，通过检测热水器的24 h固有能耗来衡量热水器的质量。在储水式电热水器销售之前，必须在电热水器的明显位置上粘贴“中国能效标识”，注明耗能的高低与等级、24 h固有能耗系数（ε）和热水输出率（μ）等性能参数[1]。

1.2 24 h固有能耗测试

24 h固有能耗是指在不使用热水器的条件下，将水温维持在设置温度时平均每24 h所需要的实际能量。能耗值是衡量热水器性能的一个重要参数，决定着使用性能的优劣等级。

1.1.1 测试点的布置

本设计系统是以单工位（即单容器）为例，因此，这里的测试点的布置也是针对单容器进行的。为了使检测温度合理且具有普遍性，温度测试点应该结合筒体的结构特点合理地分布于整个筒体，所以温度测试点的位置应当选择电热水器筒体的两端和中间位置。在储水式电热水器筒体布置测温点的位置上，开好便于热电偶插入的孔，对单容器的电热水器需要在指定的位置上布置5点热电偶进行测温。在本系统中，电热水器是水平放置的，其温度测试点的分布如图1所示，图中“×”表示热电偶的放置位置，D为容器直径，L为容器长度。

图1 储水式电热水器的温度测试点分布示意图

1.1.2 检测不排水时储水器的平均温度θM

a）将温度控制器每次断开电源时所检测的储水温度设为θAij，求出多次所测温度值θAij的平均值，即可得到温度控制器断开电源时的储水平均温度，设为θA[2]，按式（1）计算:

式（1）中:θA——温度控制器在断开电源时的储水均温，℃；

θAij——温度控制器某测温点在某次断开时的储水均温，℃；

m——测量次数；

n——测试点的个数。

b）将温度控制器每次接通电源时所检测的储水温度设为θEij，求出多次所测温度值θEij的平均值，即可得到温度控制器接通电源时的储水均温，设为θE，按式（2）计算:

式（2）中:θE——温度控制器接通电源时的储水均温，℃；

θEij——温度控制器某测温点在某次接通电源时的储水温度，℃；

m——测量次数；

n——测试点的个数。

c）将热水器不排水时内胆中的平均水温设为θM，按式（3）计算:

式（3）中:θM——排水停止时，内胆中的平均水温，℃。

1.1.3 温度控制器设定

向电热水器中注入温度为（15±2）℃的水，先关闭出水阀，再打开进水阀，在额定功率下接通电源开始工作。调整温度控制器到设定的储水温度后，电热水器在接通-断开-接通的往复周期里运行，直到趋于稳定后停止运行，此时内胆不排水的储水均温θM在62～68℃之间。

1.1.4 24 h固有能耗测试方法

按照1.1.3节介绍的方法，在温度控制器中设置预定的温度，使内胆不排水时的储水均温θM在62～68℃之间，并处于稳定状态。从某次断开温度控制器的电源时开始算起，再经过48 h以后，直到温度控制器的电源再次断开时为止。通过功率计可以测定出此期间电能的损耗量E1，并记录这一检测期间所耗的时间t1。根据以上给出的方案，计算所记录的温度值，可以得出这一检测期间，内胆不排水时具体的储水均温θM。24 h固有能耗测试方法的示意图如图2所示。

图2 24 h固有能耗与热水输出率的测试方法示意图

24 h固有能耗E的计算公式为:

式（4）中:E——24 h的能量损耗，kW·h；

E1——从某次断开温度控制器的电源开始算起，经过48 h后直到温度控制器的电源再次断开为止，在这一检测期间所消耗的能量，结果要保留到小数点后两位，kW·h；

t1——计量电能损耗量E1时的测量时间，h。

改变环境温度或调节温度控制器，使之符合40℃≤θM-θamb≤50℃的要求。在这一要求下，24 h固有能耗Qpr的计算公式为:

式（5）中:Qpr——24 h固有能耗，kW·h；

θamb——测定E1期间的环境均温，℃。

1.2 热水输出率测试

热水输出率，也可以简称为出水率。出水率同样也是影响储水式电热水器的能量效率的两项重要参数指标之一，是衡量热水器连续提供热水的最重要的参数指标[3]。

1.2.1 温度设定

通过调节温度控制器，使之符合以下条件后，随即断开电源并开始检测电热水器的出水率:向电热水器中注入一般容量的冷水后，电热水器开始加热；若电热水器未开始工作，就接着输水，一直到它开始工作后才停止注水；电热水器一直工作到温度控制器首次断开为止，此时储水均温θA1应处于62～68℃之间。

θA1的计算公式为:

式（6）中:θA1——温度控制器第一次断开电源时的储水均温，℃；

θA1j——温度控制器第一次断开电源时，某测温点的水温，℃；

m——测试点的个数。

1.2.2 热水输出率测试本文所选的实验对象——储水式电热水器的额定容积为50 L，则根据相关标准需调节进水口的阀门开度来保证排水流量为10 L/min。

检测排出的热水温度的具体方法为:在热水器排出热水期间，每5 s记录一次；在热水排出15 s后，开始记录进水温度θci和出水温度θpi，并记录在排水期间内的最高出水温度θmax；持续排放热水，直到出水温度比最高出水温度θmax低20℃时，停止排水。计算平均出水温度θp、平均进水温度θc和排出水的质量mp，并按（7）式来计算出水率:

式（7）中:μ——热水输出率，%；

θp——平均出水温度，℃；

θc——平均进水温度，℃；

ρ——平均出水温度θp下水的密度，kg/cm3；

mp——排放出热水的质量，kg；

cR——储水式电热水器的额定容积，L；

θA1——温控器首次断开时的储水平均温度，℃。

2 机械系统的设计

2.1 测试环境

2.1.1 概述

本设计中所需的测试房是指为检测储水式电热水器的工作性能提供空间且满足其具体要求的环境试验房。

测试房内置有测试台架、空调和风道等设备与水路管道。这些设备按照设计的具体要求，通过管道或线路与测试房外的工控箱、泵、恒温水箱、空调外机和冷水机组外机等设备连接在一起[4]。

2.1.2 测试房的设计

为了保证检测系统的准确性，测试房须满足下列具体的要求:

1）测试房内的空气流速不大于0.25 m/s；

2）测试房内的环境温度应为（20±2）℃；

3）测试房内的相对湿度不超过85%RH；

4）测试房的尺寸:4 500 mm（宽）×1 800 mm（深）×2 415 mm（高）；

5）根据一般经验，测试房宜采用方形钢管的框架结构，表面焊接单面拉丝304#不锈钢板进行封闭，并且在测试房正面开一扇门。

2.2 空气处理系统

空气处理系统是指通过设备的集中设置，采用风管来分配空气的强制式冷热风调节和通风系统。本文所设计的空气处理系统是为储水式电热水器的性能检测装置而服务的，需要满足测试房内的各项要求，并采用风管（或风道）来分配空调所产生的新风，使之更加均匀、合理，进而调节室内的空气。

2.2.1 主要组成及要求

a）风道箱体

箱板外部材质:厚度≥0.8 mm的静电喷涂钢板（或彩钢板）；

箱板内部材质:厚度≥0.5 mm的不锈钢；

填充材料:阻燃性聚氨酯；

箱板热阻:≥0.86 m2·K/W；

箱板刚性指标:2 mm/m；

箱体:采用无冷桥结构设计[5]。

b）风机

型号:选用YWFF160型号单进风离心风机，该型风机具有空气动力特性优越、运行点准确、振动小和噪音低等特点；

电动机:选用Y112M-4型号三相异步电动机，可以变频调速使用[6]；

防护等级:IP54；

绝缘等级:B级。

c）冷却器

主要结构是表面冷却器，一般采用翅片结构，利于散热、冷却，可以保持表面清洁度，保证冷却与换热的性能。

d）过滤段

粗效过滤:过滤精度为G4（美埃过滤器）；

中效过滤:过滤精度为F8（科林过滤器）；

过滤段附件:指针式压差计。

2.2.2 制冷功率计算与空调选型

a）空调制冷量

空气处理系统中空调的选型，必须要以测试房所需的制冷功率为基础。选择合适的空调制冷量是十分重要的，既可以避免因匹数过小而造成的效果不佳的问题，也可以避免因匹数过大而造成的浪费问题。

测试房室内的冷、热负荷和湿负荷是选择空调系统的风量、空调装置的容量等重要指标。房间主要的冷热负荷和湿负荷有:

1）通过墙体、屋顶和门窗等围护结构传热；

2）从窗外摄入的太阳辐射热；

3）设备、器具散热、散湿；

4）照明散热。

因为本系统所处的测试房是在实验室中，所以只需考虑室内设备的热负荷和环境热负荷的问题。

b）制冷量的计算

测试房内空调制冷量的计算方法如下所示:

式（8）中:Q1——室内设备的总负荷，这里即为电热水器的热负荷，Q1=2 000 W×0.8=1 600 W；

Q2——环境热负荷（0.14～0.18 kW/m2×测试房面积），因为测试房的面积为:4.5 m×1.8 m= 8.1m2，所以Q2=0.16 kW/m2×8.1m2=1 296 W。

因此，总制冷量Qt=1 600 W+1 296 W=2 896 W。

c）空调的选型

由于空调器的实际制冷量比名义值低8%，因此所选空调器的名义制冷量必须大于:2 896÷ 0.92=3 147.83 W，则可以将空调器的名义制冷量设置为3 200 W。因此，经过等价换算后发现选择1.5匹制冷量的空调即可满足要求[7]。

按照规定，一般单位、企业在采购空调时要尽量地选择节能型空调。节能型空调是指其能效比大于等于3的空调。与定频式空调相比，变频空调的优点更加明显，例如:制热较快、感觉舒适、更加人性化，而且启动变频空调时，电路的电流冲击相对较小。

综合上述因素，选择变频空调来调节平衡制冷制热，使温度达到可控。在房间内，控温方式采用循环式。在测试房室内的顶部安装风管，使空调出风均匀，并使风速符合要求。根据计算所得到的制冷功率，结合测试房的实际情况（例如:房间高度、保温和密封性能）和一般经验，选择KFR-51LW/WPAA3型号的美的空调。

2.2.3 风道设计

a）风道设计

在所选空调的顶部开孔，改变出风口位置，并加装风管的弯头、封头和大小头，使空调中的新风从空调顶部的开口处出来，经过风管弯头，进入到由钢管支撑而水平挂置的风管中，并从通道的正面上的小窗子处出风，以使空气更加流通，从而保证测试房内的环境温度在18～22℃之间，并且保持相对湿度不超过85%RH、空气流速不大于0.25 m/s。

b）风道设计

依据风道设计的一般原则，并结合测试房的容积，以及空调的高度、功率和风速等数据，进行风道设计。

2.3 供水系统

2.3.1 供水系统概述

a）供水系统的组成

供水系统的组成设备包括压力罐、水泵机、传感器及其一些辅件。本文所研究的供水系统是以储水式电热水器的供水管道为基础，为了实现电热水器的性能检测，结合相关检测仪表所建立的供水线路。

本供水系统的组成部件包括:冷水箱组、水泵、卡箍式安全阀、手动阀（卡箍式直通球阀）、电磁阀、流量计、软水管和不锈钢水管等。

b）供水系统的要求

为了实现以上要求，供水系统需满足以下几个具体的要求。

1）供水水源:不锈钢多级泵，水压为0.1～0.8 MPa，显示精度达到0.001 MPa；

2）冷水机水箱采用不锈钢内循环泵，时刻保证水箱内的水温均匀，通过冷水机组系统的PID控制来实现温度的精确控制，从而始终供应（15± 2）℃的恒温水；

3）每个工位的供水流量在2～20 L/min之间；

4）在停止排水时，水压应始终保持在0.28～0.8 MPa之间，并且可以直接保存温度数据，水压波动在±0.05 MPa的范围以内；

5）供水系统的进出水管路基本上采用304#不锈钢卫生管或软管。

2.3.2 冷水机的选择

a）冷水机概述

冷水机由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀4个主要部分组成，其工作原理与空气调节系统类似。按照设计要求，为了保证实现冷却水设备的温度恒定、流速恒定和压力恒定，冷水机需要通过制冷剂循环、水循环和电器自控这3个紧密相连的系统来运行。本系统要满足的条件是通过制冷功率压缩机，使试验用水在1.5～2 h内可以从35℃降到15℃。冷水机组制冷量与空调类似，冷水机的选型也需要首先知道额定制冷量，例如:一般风冷9.07 kW的制冷量的话，选择用3P的冷水机正好。

b）制冷量的计算

在本系统中，冷水机组的总制冷量的计算公式如下所示:

式（9）中:Q0——冷却水的流量，因为要求规定供水流量在2～20 L/min之间，所以冷却水的流量取Q0=20 L/min=1/3 L/s；

4.187 ——水的基本比热容为4 187 J/（kg·℃）；

Δt——冷水机进水与出水之间的温度差，根据要求，通常选择温差为20℃；

f——风冷式冷水机的制冷系数，通常取f= 1.3。

所以，总制冷量Qt=1/3×4.187×20×1.3= 36.29 W。根据计算所得的制冷量来选择合适的冷水机组。

c）冷水机的选型

知道了冷水机所需的总制冷量后，再根据设计要求与电热水器的容积（50 L），本设计系统选择的冷水机组的型号为:ALS36G-160，制冷量为270 W，功率为0.1匹，非常适合160 L以下的电热水器供水使用。

2.3.3 压力泵的选择

在本设计中，系统要求供水流量在2～20 L/min之间，供水水压在0.28～0.8 MPa之间，并且始终可以供应（15±2）℃的恒温水。因此，要求增压泵必须可以保证供水流量能够达到20 L/min以上，供水水压能够达到0.8 MPa以上。综上所述，本设计的系统选择使用1 WG—280 A压力泵。

2.3.4 进水管道的设计

在本设计系统中，通过冷水机组可以源源不断地为热水器提供恒温冷水，保证随时可以进水。在供水系统中，冷水箱内（15±2）℃的冷却水在增压泵的作用下，输送至热水器中。进水管道在泵机增压之后，还需要设置安全阀，以防止管道内的压力过高而导致供水流量远远地超过20 L/min或供水水压在0.8 MPa之上。

2.4 测试台架

本系统的测试台架，是由多种型号的方形钢管焊接而成的。台架外形根据电热水器的一般型号定制而成，并且只适用于卧式电热水器的安放测试。测试台架的外形如图3所示。

图3 电热水器的测试台架

3 测控系统的设计

本系统设计的储水式电热水器的性能检测装置，主要包含以下几个重要部件:压力传感器、温湿度传感器、电磁阀、工控机和控制器等。因此，储水式电热水器的性能检测装置主要是由数据采集系统和自动控制系统这两部分组成[8]。测控系统的示意图如图4所示。

图4 测控系统示意图

3.1 数据采集系统

3.1.1 系统功能

实现水温、电流、流量和流速等性能参数的自动检测和采集。

3.1.2 系统组成

a）在进水管路与出水管路中，采用K型热电偶来检测进出水的温度。

b）在筒体两端和筒身中部布置5路热电偶来检测热水器的温度，并布置1路热电偶来检测环境温度。

c）在出水管路中布置流量计来检测出水流速。

d）8路热电偶所测定的温度数据输入到安捷伦多通道数据记录仪中，并输入到工控机中；流量计、温控器和功率仪的数据也都输入至工控机中。

3.2 自动控制系统

3.2.1 系统功能

a）系统可以显示数据、输出查询检测数据和曲线。

b）可以输入被测样的编号、测试日期等，提供查询功能。

c）可对测试样品自动编号，并且可将温度、电量、流量、24 h固有能效损失、热水输出率和环境温湿度等数据存入系统内的数据库中。

d）设备具有电安全保护报警功能。

3.2.2 系统操作流程

a）根据标准规定的能效试验，自动地开始测试。

b）在设定条件下，记录所有的相关数据。

c）自动地判断温控器的接通或断开，采集并计算不排水时的储水平均温度所需的基础数据，自动地绘制测试曲线，计算检测结果，并导出测试数据文件。

d）通过电磁阀来调节进出水的流速，通过工控机接收已检测到的数据，并进行处理，最终得到测试结果[9]。

4 结束语

本文根据储水式电热水器的相关检测标准，利用物联网技术，设计开发了一台储水式电热水器的性能检测装置，对储水式电热水器的相关参数指标进行监测分析。依托于标准，分析、处理所采集到的数据，并绘制出各个参数的数据曲线，最后输出检测结果，以便检测人员对储水式电热水器的性能进行分析和判断，能够大大地提高检测效率，降低劳动强度，同时也在一定程度上节省了检测成本。

[1]中国标准化委员会.家用和类似用途电器的安全储水式热水器的特殊要求:GB 4706.12-2006[S].北京:中国质检出版社，2006.

[2]全国能源基础与管理标准化技术委员会.储水式电热水器能效限定值及能效等级:GB 21519-2008[S].北京:中国标准出版社，2008.

[3]全国家用电器标准化技术委员会（SAC/TC 46）.储水式电热水器:GB/T 20289-2006[S].北京:中国标准出版社，2006.

[4]陈敏，李瑛，王芳，等.储水式电热水器性能测试实验室的设计[J].家电技科，2012，34（12）:81-83.

[5]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社，2006.

[6]成大先.机械设计手册（第5版）[M].北京:化学工业出版社，2010.

[7]吴业正.制冷原理及设备[M].西安:西安交通大学出版社，2010.

[8]季海峰.基于虚拟仪器测试系统的PCI-GPIB控制器的设计和研究[D].南京:南京理工大学，2007.

[9]钱建明.中美储水式电热水器能耗测试比较[J].家电科技，2011，30（4）:73-75.

Design of Performance Testing Device for Electrical Storage Water Heater

GUO Feng1，ZHAO Jiejun1，NIE Yi1，YU Jianfeng2
（1.Wuxi Entry-exit Inspection&Quarantine Bureau，Wuxi 214174，China；2.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

According to the performance testing standards consulted by the quality inspection units，laboratories and production enterprises，a performance testing device for electrical storage water heater based on Internet of whings technology is designed.Based on the performance index of inherent energy consumption within 24 h and effluent rate in the the relevant national standards，the test process and test platform of the performance testing device for electrical storage water heater are designed.The testing device can greatly improve the detection efficiency，reduce labor intensity，and save test cost，therefore，it is worth popularizing and applying.

electrical storage water heater；performance testing；inherent energy consumption；effluent rate；test process；test platform

TM 925.32；TP 274+.5

A

：1672-5468（2017）02-0056-07

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.013

2016-09-06

2016-12-06

过峰（1978-），男，江苏无锡人，无锡出入境检验检疫局高级工程师，主要从事机电产品检测技术研究工作。