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基于洗碗機(jī)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(jī)正逐漸走入越來越多的家庭。洗碗機(jī)在歐美國家起步比較早，發(fā)展的也比較成熟。因為洗碗機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)制國家標(biāo)準(zhǔn)GB 38383-2019《洗碗機(jī)能效水效限定值及等級》，為洗碗機(jī)檢測和消費者選購提供了新依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(rèn)。[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(biāo)準(zhǔn)GB/T 20290-2016《家用電動洗碗機(jī) 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(jī)性能檢測更加符合國情。

2、洗碗機(jī)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，反映整機(jī)能源的利用效率，無論對洗碗機(jī)制造商，對于消費者來說是重要的指標(biāo)，其測試結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響到質(zhì)量的評價結(jié)果。

2.1 洗碗機(jī)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(jī)功率、關(guān)機(jī)功率以及程序時間等?，F(xiàn)在市場上的洗碗機(jī)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(jī)狀態(tài)需要手動進(jìn)行控制；有的帶有電源管理模塊結(jié)束后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)一段時間自動進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)；有的則程序結(jié)束后直接進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。在標(biāo)準(zhǔn)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(jī)、6套~9套的洗碗機(jī)、小于6套的洗碗機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了不同容量范圍的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)來進(jìn)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(jìn)行，測得每個完整循環(huán)的耗電量。近幾年的洗碗機(jī)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)年耗電量，kW·h/年。

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

（2.2）
式中：
AEc——年耗電量，kW·h/年。
Et——標(biāo)準(zhǔn)洗滌程序循環(huán)耗電量，kW·h。
280——一年標(biāo)準(zhǔn)洗滌程序的運行循環(huán)數(shù)。
P1——標(biāo)準(zhǔn)洗滌程序待機(jī)功率，W。
T1——標(biāo)準(zhǔn)洗滌程序待機(jī)模式的時間，min。
P0——標(biāo)準(zhǔn)洗滌程序關(guān)機(jī)功率，W。
525600——一年的時間常數(shù)，min。
Tt——標(biāo)準(zhǔn)洗滌程序周期，min。[3]

因為待測洗碗機(jī)額定容量為5套，因此標(biāo)準(zhǔn)年耗電量按（2.3）進(jìn)行計算：
（2.3）
式中：
SAEc——標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)年耗電量SAEc和年耗電量AEc。由于在套數(shù)確定的情況下標(biāo)準(zhǔn)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(jī)為5套根據(jù)公式計算SAEc=287.5。

因為測試樣機(jī)是有電源管理模塊而且沒有待機(jī)模式，對年耗電量AEc進(jìn)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(jìn)行不確定度的評定。

能效指數(shù)是洗碗機(jī)套數(shù)、耗電量、關(guān)機(jī)功率以及待機(jī)功率和程序時間綜合體現(xiàn)的一個指標(biāo)。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(jī)自身程序耗電與測量設(shè)備準(zhǔn)確度有很大關(guān)系外，也與測試設(shè)備的進(jìn)水口溫度以及環(huán)境溫度有關(guān)。因為現(xiàn)在的洗碗機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)中做了一些規(guī)定來避免或者盡量減小其造成的影響。標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)水口溫度的不同對耗電量的影響。規(guī)定了洗碗機(jī)的套數(shù)組成、污染方法以及每次都是用洗碗機(jī)額定套數(shù)進(jìn)行測試避免了餐具數(shù)量以及污染物對洗碗機(jī)耗電量的影響。還對洗碗機(jī)烘箱干燥法完成后要冷卻到室溫再進(jìn)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(zhǔn)確度、進(jìn)水口水溫的修正值、穩(wěn)壓電源供電幾個方面進(jìn)行評定。

根據(jù)以上公式，還需要測量關(guān)機(jī)功率時以及測量程序時間時的不確定度進(jìn)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(jìn)行評定；
（2）由電參數(shù)測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)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(zhǔn)證書的信息進(jìn)行評定；
（3）對于洗碗機(jī)，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(jìn)行評定；
（4）被測樣機(jī)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(jìn)行評定；
（5）測關(guān)機(jī)功率時由待機(jī)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(zhǔn)證書進(jìn)行評定；
（6）測量標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)證書進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)確度作為影響耗電量的一個因素，我們先對它進(jìn)行分析。

電參數(shù)測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)證書中給出了電能的擴(kuò)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(jìn)水水溫對耗電量的影響也是比較大的，因此在GB/T20290-2016標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)使用的需加熱的水，或外部熱水；
Qc——洗碗機(jī)一個循環(huán)所用熱水量，單位為L，洗碗機(jī)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(fù)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(zhǔn)確度引起的不確定度
數(shù)字溫度計的校準(zhǔn)證書可以得知：U=0.07℃(k=2)，由數(shù)字溫度計準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)證書可得220V輸出電壓下：Urel=0.5%（k＝2）。所以電壓的相對標(biāo)準(zhǔn)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(jī)功率時由待機(jī)能耗綜合測試系統(tǒng)引入的不確定度
測關(guān)機(jī)功率時待機(jī)能耗綜合測試系統(tǒng)根據(jù)校準(zhǔn)證書功率的擴(kuò)展不確定度不大于0.3%為：Urel=0.30%（K=2）；

因此關(guān)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展不確定度由校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度
年耗電量AEc的合成標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度如（2.24）所示：
（2.24）

2.7 擴(kuò)展不確定度
取包含因子k=2，則擴(kuò)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(kuò)展不確定度為：U(EEI)=0.944它是由標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)水溫度對能效指數(shù)的影響是比較大的。針對不同的進(jìn)水溫度我們標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了修正公式，但近年來的洗碗機(jī)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(jìn)水時間以及進(jìn)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(jī)的能效指數(shù)的不確定度還要進(jìn)行更深入的研究。


本文作者
中家院（北京）檢測認(rèn)證有限公司 梁興然 孫路平 秦雅偉 袁紅月

參考文獻(xiàn)
[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(jī) 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(jī)[S].2013.
[5] GB 38383-2019,洗碗機(jī)能效水效限定值及等級[S].2019.