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基于洗碗機能效指數(shù)測試結(jié)果不確定度評定的研究

發(fā)表時間:2020-11-09 13:51:58

1、前言

隨著生活水平的提高以及家電行業(yè)的快速發(fā)展，洗碗機正逐漸走入越來越多的家庭。洗碗機在歐美國家起步比較早，發(fā)展的也比較成熟。因為洗碗機不僅可以解放雙手使人們從洗碗的手工勞動中解放出來，還具有除菌消毒、去除水果、蔬菜中的殘留農(nóng)藥等附加性能。今年的新冠肺炎疫爆發(fā)情期間，我國消費者越來越注重洗碗機的健康特性，因此在家電銷售市場萎靡態(tài)勢下，反而有了明顯的增長?？深A(yù)測在未來幾年，洗碗機作為家電的中堅力量迅速為消費者所接受。為了保證質(zhì)量水平，以及節(jié)電、節(jié)水能力，2019年12月17日，國家市場監(jiān)督管理總局，發(fā)布了強制國家標準GB 38383-2019《洗碗機能效水效限定值及等級》，為洗碗機檢測和消費者選購提供了新依據(jù)。標準針對消費者關(guān)心的是否洗得干凈、耗水量、耗電量等幾個方面提出了技術(shù)要求和測試方法。其中能效指數(shù)反映了能源（耗電）的利用效率，是能效測試中一個重要的參數(shù)。

150年前在地球上測量光的速度時，在給出的測量結(jié)果中同時還給出了測量誤差。但是由于誤差的評定方法不一致，使得不同的測量結(jié)果之間缺乏可比性，這與當(dāng)今全球化進程是不適應(yīng)的。用測量不確定度來統(tǒng)一評價測量的質(zhì)量就是在這種情況下產(chǎn)生的。測量不確定的度評定和表示方法是統(tǒng)一的，方便各個國家、各個實驗室間的相互比較和相互承認。[1]

GB 38383-2019中能效指數(shù)的相關(guān)內(nèi)容，是與現(xiàn)行國家標準GB/T 20290-2016《家用電動洗碗機性能測試方法》，相比引入了中式餐具的污染方法、測試方法，以及小套數(shù)餐具能效指數(shù)和水效指數(shù)的計算方法，這部分調(diào)整使得洗碗機性能檢測更加符合國情。

2、洗碗機能效指數(shù)測量不確定度的評定方法

能效指數(shù)是在洗凈性能達到標準要求的前提下，反映整機能源的利用效率，無論對洗碗機制造商，對于消費者來說是重要的指標，其測試結(jié)果的準確性直接影響到質(zhì)量的評價結(jié)果。

2.1 洗碗機能效指數(shù)的檢測方法以及步驟

計算能效指數(shù)需要測量耗電量、待機功率、關(guān)機功率以及程序時間等。現(xiàn)在市場上的洗碗機多種多樣，有的沒有電源管理模塊，程序結(jié)束后會一直處于待機狀態(tài)需要手動進行控制；有的帶有電源管理模塊結(jié)束后進入待機狀態(tài)一段時間自動進入關(guān)機狀態(tài)；有的則程序結(jié)束后直接進入關(guān)機狀態(tài)。在標準中針對是否具有電源管理模塊規(guī)定了不同的計算方法。針對額定容量大于等于10套的洗碗機、6套~9套的洗碗機、小于6套的洗碗機，標準中也規(guī)定了不同容量范圍的標準年耗電量的不同的計算方法。雖然計算方法不同，但是對于不確定度的評定方法卻大同小異。本文使用一臺5套的且?guī)в须娫垂芾砟K的洗碗機來進行能效指數(shù)不確定度的評定。

根據(jù)GB 38383-2019中6.2的要求，能效指數(shù)與清潔指數(shù)試驗同時進行，測得每個完整循環(huán)的耗電量。近幾年的洗碗機絕大部分都不需要外部加熱，因此使用冷水供水，如果冷水水溫不是15.0℃，應(yīng)該進行冷水耗電量的修正[2~3]。再通過QB/T 1520-2013中的方法計算出能效指數(shù)。

2.2 試驗?zāi)Ｐ?/span>

根據(jù)GB 38383-2019中6.2的要求進行能效指數(shù)的計算，其計算公式如式（2.1）所示。

（2.1）

式中：

EEI——能源效率指數(shù)，圓整至1位小數(shù)。

AEc——年耗電量，kW·h/年。

SAEc——標準年耗電量，kW·h/年。

因為待測洗碗機裝有電源管理模塊，程序結(jié)束后可自動轉(zhuǎn)入關(guān)機模式，則年耗電量根據(jù)式（2.2）進行計算：

（2.2）

式中：

AEc——年耗電量，kW·h/年。

Et——標準洗滌程序循環(huán)耗電量，kW·h。

280——一年標準洗滌程序的運行循環(huán)數(shù)。

P1——標準洗滌程序待機功率，W。

T1——標準洗滌程序待機模式的時間，min。

P0——標準洗滌程序關(guān)機功率，W。

525600——一年的時間常數(shù)，min。

Tt——標準洗滌程序周期，min。[3]

因為待測洗碗機額定容量為5套，因此標準年耗電量按（2.3）進行計算：

（2.3）

式中：

SAEc——標準年耗電量，kW·h/年。

Ps——個人餐具套數(shù)。[4]

2.3 不確定度因素確定

根據(jù)能效指數(shù)計算公式，影響能效指數(shù)的主要為標準年耗電量SAEc和年耗電量AEc。由于在套數(shù)確定的情況下標準年耗電量為一個確定值，所以沒有不確定度。此次測試用的洗碗機為5套根據(jù)公式計算SAEc=287.5。

因為測試樣機是有電源管理模塊而且沒有待機模式，對年耗電量AEc進行簡化如（2.4）所示：

（2.4）

根據(jù)以上簡化公式對年耗電量AEc進行不確定度的評定。

能效指數(shù)是洗碗機套數(shù)、耗電量、關(guān)機功率以及待機功率和程序時間綜合體現(xiàn)的一個指標。其中耗電量對能效指數(shù)的影響比較大，在耗電量的測試過程中發(fā)現(xiàn)電量除了跟樣機自身程序耗電與測量設(shè)備準確度有很大關(guān)系外，也與測試設(shè)備的進水口溫度以及環(huán)境溫度有關(guān)。因為現(xiàn)在的洗碗機中大多有溫度控制，加熱到設(shè)定溫度會停止加熱。如果入水口溫度過高或過低以及室溫不在標準范圍內(nèi)在加熱功率恒定的情況下，加熱時間會大大縮短，導(dǎo)致耗電量減少。因此，我們需要一個符合標準且穩(wěn)定的測試環(huán)境。耗電量的多少也與餐具數(shù)量與溫度以及污染物的量有直接關(guān)系，如果把污染好的餐具從烘箱拿出而不放置至環(huán)境溫度就放入洗碗機進行測試，餐具會有較高的溫度，從而對耗電量有一定的影響。餐具的材料多為陶瓷或不銹鋼，在洗碗機進行加熱的過程中也會吸收一定的熱量，餐具數(shù)量的多少也對耗電量有一定的影響。針對這些對耗電量的影響因素，標準中做了一些規(guī)定來避免或者盡量減小其造成的影響。標準中規(guī)定了環(huán)境溫度為（23±2）℃，濕度為（55±5）%RH減小了環(huán)境因素對耗電量的影響。規(guī)定了冷水進水口溫度為15℃，不為15℃時給出了電量修正公式利用這種方法減小了進水口溫度的不同對耗電量的影響。規(guī)定了洗碗機的套數(shù)組成、污染方法以及每次都是用洗碗機額定套數(shù)進行測試避免了餐具數(shù)量以及污染物對洗碗機耗電量的影響。還對洗碗機烘箱干燥法完成后要冷卻到室溫再進行測試做出了規(guī)定。根據(jù)以上分析以及本試驗室的實際情況，對耗電量測量的不確定度主要從測量設(shè)備準確度、進水口水溫的修正值、穩(wěn)壓電源供電幾個方面進行評定。

根據(jù)以上公式，還需要測量關(guān)機功率時以及測量程序時間時的不確定度進行分析。

不確定度的主要來源如下：

（1）由重復(fù)測量引入的不確定度，用A類方法進行評定；

（2）由電參數(shù)測量系統(tǒng)的測量準確度引入的測量不確定度，此類不確定度可用該儀器的校準證書的信息進行評定；

（3）對于洗碗機，當(dāng)水溫不為15℃時需要引入用電量的修正值，用電量的修正值引入的不確定度進行評定；

（4）被測樣機通過穩(wěn)壓電源供電，電壓的波動范圍在±1%以內(nèi)，由電壓的波動所引起的單位用電量測量的不確定度進行評定；

（5）測關(guān)機功率時由待機能耗綜合測試系統(tǒng)引入的不確定度，該不確定度可根據(jù)儀器的校準證書進行評定；

（6）測量標準洗滌周期時由秒表引入的不確定度，該不確定度可根據(jù)校準證書進行評定；

（7）本試驗室環(huán)境存在波動，溫度波動在（22±1）℃內(nèi)波動，濕度在50％RH-60％RH之間波動，環(huán)境波動帶來的不確定可忽略不計。

2.4 不確定度分量的分析與量化

對洗碗機進行5次耗電量的測量并計算年耗電量，測量結(jié)果如下：

表2.1 洗碗機進行5次耗電量的測量

2.4.1 由重復(fù)測量引入的不確定度

用貝塞爾公式計算可得，測量重復(fù)性引入的不確定度如（2.5）所示：

（2.5）

2.4.2 由電參數(shù)測量系統(tǒng)的測量準確度引入的測量不確定度

耗電量作為影響能效指數(shù)的主要參數(shù)，其不確定度的評定是非常重要的。其中電參數(shù)測量系統(tǒng)的測量準確度作為影響耗電量的一個因素，我們先對它進行分析。

電參數(shù)測量系統(tǒng)的校準證書中給出了電能的擴展不確定度：Urel=0.30%（k=2）；因此由電參數(shù)測量系統(tǒng)引入的不確定度分量如（2.6）所示：

（2.6）

靈敏系數(shù)c2如（2.7）所示：

（2.7）

2.4.3 當(dāng)水溫不為15.0℃時，電量修正值引入的不確定度

經(jīng)過我們的大量的檢測工作中發(fā)現(xiàn)，進水水溫對耗電量的影響也是比較大的，因此在GB/T20290-2016標準里引入了如果水溫不為15℃時的電量修正公式如（2.8）所示：

（2.8）

式中：

Ec——冷水耗電量修正值，單位為kWh,對于每個循環(huán)，洗碗機是使用需加熱的水，或者外部熱水。

tc——冷水入水口測量的平均值，單位為℃，對于每個循環(huán)，洗碗機使用的需加熱的水，或外部熱水；

Qc——洗碗機一個循環(huán)所用熱水量，單位為L，洗碗機使用的需加熱的水，或者外部熱水。

冷水水源溫度為13.0℃~17.0℃時取修正值，不在此溫度范圍時，不作為試驗值。每次的運行值Ec可以是正數(shù)或者負數(shù)。

本試驗室水溫在14.8℃-15.4℃之間波動，因此本試驗室水溫在此范圍內(nèi)。

由上述模型可知不確定度主要由溫度測量與耗水量的測量引入的，下面我們從這兩個方面來分析不確定度分量。

（1）由數(shù)字溫度計測量準確度引起的不確定度

數(shù)字溫度計的校準證書可以得知：U=0.07℃(k=2)，由數(shù)字溫度計準確度不確定度分量如（2.9）所示：

（2.9）

靈敏系數(shù)c31如（2.10）所示：

（2.10）

（2）由電磁流量計的測量準確度引起的不確定度

由AXF015G電磁流量計的檢定證書可以得知其不確定度為0.2%，按矩形分布估計。

標準不確定度如（2.11）所示：

（2.11）

靈敏系數(shù)c32如（2.12）所示：

（2.12）

（3）合成標準不確定度，如（2.13）所示：

（2.13）

靈敏系數(shù)c3如（2.14）所示：

（2.14）

2.4.4 由電壓波動引入的不確定度

穩(wěn)壓源的波動也是影響耗電量的一個因素，根據(jù)穩(wěn)壓電源的校準證書可得220V輸出電壓下：Urel=0.5%（k＝2）。所以電壓的相對標準不確定度為0.25%。

由于電能的計算公式如（2.15）所示：

（2.15）

所以由穩(wěn)壓電源引入的不確定度如（2.16）所示：

（2.16）

靈敏系數(shù)c4如（2.17）所示：

（2.17）

2.4.5 測關(guān)機功率時由待機能耗綜合測試系統(tǒng)引入的不確定度

測關(guān)機功率時待機能耗綜合測試系統(tǒng)根據(jù)校準證書功率的擴展不確定度不大于0.3%為：Urel=0.30%（K=2）；

因此關(guān)機功率引入的不確定度分量如（2.18）所示：

（2.18）

靈敏系數(shù)c5如（2.19）所示：

（2.19）

2.4.6 測量標準洗滌周期時由秒表引入的不確定度

在能效指數(shù)的計算中洗滌周期時間參與計算，在本次測試中使用秒表來測量洗滌周期時間。秒表的擴展不確定度由校準證書可得：UT=0.02s（K=2）。

由秒表引入的不確定度分量如（2.00）所示：

（2.00）

靈敏系數(shù)c6如（2.21）所示：

（2.21）

2.5 不確定度分量匯總表

表2.2 不確定度分量匯總表

2.6 合成標準不確定度

年耗電量AEc的合成標準不確定度如（2.22）所示：

（2.22）

其靈敏系數(shù)cAEC如（2.23）所示：

（2.23）

因此能源效率指數(shù)的合成標準不確定度如（2.24）所示：

（2.24）

2.7 擴展不確定度

取包含因子k=2，則擴展不確定度U(EEI)如（2.25）所示：

（2.25）

2.8 不確定度報告

按照GB 38383-2019所規(guī)定測試方法，被測樣品的能效指數(shù)為：EEI=57.4。其擴展不確定度為：U(EEI)=0.944它是由標準不確定度0.472包含因子k=2的乘積得到的。

3、小結(jié)

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，進水溫度對能效指數(shù)的影響是比較大的。針對不同的進水溫度我們標準中規(guī)定了修正公式，但近年來的洗碗機中有一些引入了水管理模塊，可以存儲或者再利用水，來降低水效指數(shù)和能效指數(shù)。也正是水管理模塊的引入使我們很難判斷進水時間以及進水水量，從而難以判斷有哪些水是被加熱的需要被修正。對于擁有比較復(fù)雜的水管理系統(tǒng)的洗碗機的能效指數(shù)的不確定度還要進行更深入的研究。

本文作者

中家院（北京）檢測認證有限公司梁興然孫路平秦雅偉袁紅月

參考文獻

[1] 倪育才.實用測量不確定度評定[M].北京：中國質(zhì)檢出版社、中國質(zhì)量出版社,2016:2.

[2] GB/T 20290-2016,家用電動洗碗機性能測試方法[S].2016.

[3] IEC 60436:2015, Electric dishwashers for household use – Methods for measuring the performance[S].

[4] QB/T 1520-2013,家用和類似用途電動洗碗機[S].2013.

[5] GB 38383-2019,洗碗機能效水效限定值及等級[S].2019.

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