對電磁灶熱效率試驗方法的探討

崔海峰

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 200233）

對電磁灶熱效率試驗方法的探討

崔海峰

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 200233）

文章分析了電磁灶熱效率試驗方法，研究影響熱效率計算的若干問題，特別是鍋蓋和鍋體實際溫升、測溫點布置等問題，并針對商用電磁灶熱效率試驗方法提出改進方案。

電磁灶；熱效率；試驗方法

1 引言

電磁灶按照使用對象可以分為家用電磁灶和商用電磁灶，按照結(jié)構(gòu)類型可分為平面灶、凹灶、一體灶（將鍋體直接制作在器具上）等。目前家用電磁灶多為平面灶，少量為凹灶。商用電磁灶多為凹灶和一體灶。

目前針對電磁灶熱效率的檢測方法主要有針對家用電磁灶的GB 21456-2014《家用電磁灶能效限定值及能效等級》，以及中國質(zhì)量認證中心《商用電磁灶節(jié)能認證實施規(guī)則》所引用的SB/T 10548-2009《商用電磁灶》。

由于商用電磁灶尚未有國家能效標準，商用電磁灶熱效率試驗方法也沒有統(tǒng)一的標準，本項目作為國家質(zhì)檢總局科技計劃項目（2013QK142），主要研究商用電磁灶能效等級試驗方法，分析研究目前電磁灶熱效率試驗方法的特點，形成一種科學有效的評價指標和相應可行的試驗方法。

2 電磁灶熱效率試驗方法分析

目前家用電磁灶熱效率試驗方法見GB 21456-2014附錄B，商用電磁灶熱效率試驗方法一般引用SB/T 10548-2009，分析這兩個標準的試驗方法，可以看出二者試驗方法基本相同，熱效率的計算都是通過測量試驗鍋、試驗鍋蓋、試驗水三者溫升以及耗電量，然后計算吸熱量和耗電量的比。二者的熱效率計算方法為：

式（1）中：c1為水的比熱容，m1為水的質(zhì)量，c2為鍋身和鍋蓋的比熱容，m2為鍋身和鍋蓋的總質(zhì)量，E為消耗的電能量， t為溫升。

式（2）中：c2為配鍋的比熱容，m2為配鍋的質(zhì)量，c3為鍋蓋的比熱容，m3為鍋蓋的質(zhì)量，其余和公式(1)相同。

公式（1）是GB 21456-2014種家用電磁灶熱效率計算方法，公式（2）為SB/T 10548-2009商用電磁灶熱效率計算方法。

比較二者試驗方法和熱效率計算方法，可以看出，二者主要的區(qū)別有以下兩點：

第一，SB/T 10548-2009考慮到凹灶的問題，由于凹灶無法使用標準鍋進行試驗，因此取消標準鍋，統(tǒng)一使用廠家標配的鍋進行試驗。

第二，GB 21456-2014水的最終溫度確定為“關(guān)閉電磁灶，讀取1min后的最高溫度讀數(shù)”，而SB/T 10548-2009水的最終溫度為“關(guān)閉電磁灶，讀取1min內(nèi)的最高溫度讀數(shù)”。

3 電磁灶熱效率試驗中存在的幾點問題探討

3.1 試驗鍋、試驗鍋蓋溫升對熱效率的影響

從式（1）和式（2）可知，GB 21456-2014和SB/T 10548-2009這兩個標準的電磁灶熱效率的試驗方法，都將試驗鍋和試驗鍋蓋的溫升等同視作水的溫升。在實際的電磁灶加熱中，試驗鍋和鍋蓋溫升是無法和水溫升保持一致的，我們將針對這種情況進行分析。

圖1為一個加熱周期內(nèi)鍋身、鍋蓋的溫升曲線，TC21到TC24為鍋身溫度點，測溫點在試驗鍋從上往下等距布置，TC25到TC28為鍋蓋溫度點，從鍋蓋中心往鍋蓋邊緣等距布置。曲線可以分為四個階段：

①試驗前，鍋蓋、鍋放置在環(huán)境中，溫度都保持在20℃。

②鍋內(nèi)加入15℃的水，此時鍋身與水直接接觸的部分溫度迅速降低，鍋蓋溫度降低緩慢。

③開始電磁加熱，此時鍋體隨溫度水溫迅速上升，越靠近電磁灶加熱面，溫度升高越迅速，鍋蓋溫度也同時上升。

④電磁加熱關(guān)閉，鍋身、鍋蓋溫度持續(xù)上升一段時間后開始回落。

分析加熱過程可知，主要問題有兩點：

第一，電磁灶熱效率試驗，加入15℃的水到開始電磁加熱這段時間間隔長短對鍋體和鍋蓋的初始溫升有影響，鍋蓋的初始溫度在短時間內(nèi)無法達到與水溫一致。

第二，電磁加熱關(guān)閉后，在水溫達到最高點時，試驗鍋鍋體、鍋蓋的溫度還在繼續(xù)上升，同樣無法和水的溫升保持一致。

圖1 鍋身、鍋蓋溫升曲線

圖2 水的溫升曲線

針對以上問題，選取家用電磁灶中最具代表性的平面灶，商用電磁灶中最具代表性的凹灶進行試驗，1#為家用平面電磁灶，最大功率2500W，2#為商用凹面電磁灶，最大功率15kW，試驗數(shù)據(jù)如下：

試驗一：1#家用電磁灶，選擇GB 21456-2014附錄A中代號B2鍋身和代號B2鍋蓋，加入2kg的水進行試驗，鍋身重920.2g，鍋蓋重262.0g。同時在鍋體（側(cè)面）和鍋蓋上布置測溫點，鍋體、鍋蓋的溫度取平均值，試驗進行三次，平均測試數(shù)據(jù)如表1。

水的實際溫升為75.4K，符合標準規(guī)定。

依照GB 21456-2014，可以計算出熱效率ηB=88.17%。

鍋蓋溫升按照實際溫升單獨計算，熱效率ηG=87.84%。鍋蓋引起的熱效率測量偏差：

鍋身溫升情況復雜，鍋底與加熱面接觸的部分，溫升超過水的溫升，鍋身側(cè)面與水接觸部分的溫升與水的溫升相差5K以內(nèi)，鍋身側(cè)面不與水接觸的部分與水的溫升相差10K，分別加以計算得出的熱效率偏差約為0.1%，

試驗二：2#商用電磁灶，依據(jù)SB/T 10548-2009進行試驗，選用廠家配鍋，配鍋尺寸選擇附錄A直徑為450mm的標準鍋蓋，加入70%容積質(zhì)量，7kg的水進行試驗，配鍋重2.320kg，鍋蓋重1.318kg。由于鍋體大多被加熱面覆蓋，故僅在鍋蓋上布置測溫點，試驗進行三次，平均測試數(shù)據(jù)如表2。

依照SB/T 10548-2009，可以計算出熱效率ηB=85.67%。

鍋蓋溫升按照實際溫升單獨計算，熱效率ηG=84.93%。鍋蓋引起的熱效率測量偏差：

分析上述試驗，可以看出，鍋蓋實際溫升和水溫升不會保持一致，現(xiàn)行熱效率計算方法會引起的熱效率偏差，對于加熱功率小的家用電磁灶，偏差比較小，對于鍋蓋重量比較大，加熱功率大的商用電磁灶，熱效率測量偏差會接近1%。

3.2 水溫測點位置對熱效率的影響

GB 21456-2014和SB/T 10548-2009，兩個標準的電磁灶熱效率的試驗方法中都規(guī)定，水溫的測點為“距鍋底10mm”處。實際的電磁灶加熱中，加熱源位于試驗鍋底部，鍋內(nèi)底層水首先被加熱，試驗鍋內(nèi)水溫必然存在溫度分布不均勻情況，我們將針對這種情況進行分析。

表1 1#家用電磁灶三次試驗平均測試數(shù)據(jù)

表2 2#商用電磁灶三次試驗平均測試數(shù)據(jù)

表3 1#家用電磁灶關(guān)閉后各測溫點數(shù)據(jù)

表4 2#商用電磁灶關(guān)閉后各測溫點數(shù)據(jù)

圖2為試驗鍋內(nèi)水的溫升曲線。在試驗鍋內(nèi)，沿鍋底向上布置測溫點，其中TC02布置在距鍋底10mm處，TC03布置在水深1/4，TC04布置在水深1/2中心處，TC05布置在水深3/4處，TC06布置在距水面10mm處。圖2中溫升曲線可分為三個階段：

①試驗前，國內(nèi)注入15℃的水，此時各點溫度基本相同。

②開始電磁加熱，此時鍋內(nèi)水溫持續(xù)上升。

③電磁加熱關(guān)閉，鍋身、鍋蓋溫度持續(xù)上升一段時間后開始回落。

同樣選取家用電磁灶中最具代表性的平面灶，商用電磁灶中最具代表性的凹灶進行試驗。1#為家用平面電磁灶，最大功率2500W，2#為商用凹面電磁灶，最大功率15kW。試驗前對各測溫點在0℃～100℃內(nèi)進行校準，最大偏差0.1℃。

試驗三：1#家用電磁灶，試驗條件同試驗一，試驗鍋內(nèi)布置測溫點，依據(jù)GB 21456-2014試驗要求，關(guān)閉電磁灶后，取1min后的TC02的最高溫度讀數(shù)點，數(shù)據(jù)如表3。

標準規(guī)定的測溫點TC02的溫升△tB為75.32K，五個測溫點平均溫升△tp為75.46K。以△tB和△tp分別計算熱效率的偏差為：

試驗四：2#商用電磁灶，試驗條件同試驗一，試驗鍋內(nèi)布置測溫點，依據(jù)SB/T 10548-2009試驗要求，關(guān)閉電磁灶后，取1min內(nèi)的TC02的最高溫度讀數(shù)點，數(shù)據(jù)如表4。

標準規(guī)定的測溫點TC02的溫升△tB為75.83K，五個測溫點平均溫升△tp為73.86K，以△tB和△tp分別計算熱效率的偏差為：

對試驗三、試驗四這兩個試驗數(shù)據(jù)進行分析，對于GB 21456-2014中家用電磁灶熱效率試驗方法，溫度測點布置在距離鍋底10mm處，得出的溫度值與實際鍋內(nèi)水溫相差很小，分析原因有以下幾點：

試驗鍋的影響：

GB 21456-2014僅適用于平面灶，使用標準鍋進行試驗，標準鍋內(nèi)水為圓柱形，底部加熱，溫度分布較均勻。對于商用器具常見的凹灶，試驗鍋內(nèi)水類似底面小上面大的梯形結(jié)構(gòu)，底部水容易被加熱，而傳熱速度相對較慢。

加熱功率的影響：

家用電磁灶一般為2kW左右，而商用電磁灶多為十幾kW，雖然試驗鍋大小有區(qū)別，但是比較而言，商用電磁灶加熱速率更快，水溫上下分層比較明顯。

綜上，對于商用電磁灶，測溫點布置在水深1/2中心處比布置在距鍋底10mm處更加能更好地代表試驗鍋內(nèi)水溫。

3.3 水最終溫度的確定對熱效率計算的影響

GB 21456-2014水的最終溫度確定為“關(guān)閉電磁灶，讀取1min后的最高溫度讀數(shù)”，而SB/T 10548-2009水的最終溫度為“關(guān)閉電磁灶，讀取1min內(nèi)的最高溫度讀數(shù)”。

GB 21456-2014之所以對水終溫確定進行修改，是因為電磁加熱存在熱沖擊，即電磁加熱停止后，電磁灶面溫度、鍋體底部溫度、鍋內(nèi)水溫分布不均等情況的存在，因而水溫會有一個上升然后下降的過程（見圖2）。對不同家用電磁灶和商用電磁灶進行過一些試驗，發(fā)現(xiàn)水溫繼續(xù)上升然后下降的時間無法統(tǒng)一確定，時間有長有短，但開始下降的時間基本小于1min。

在實際試驗過程中，SB/T 10548-2009“關(guān)閉電磁灶，讀取1min內(nèi)的最高溫度讀數(shù)”，有存在虛假溫度的因素，由于電磁線圈面積一般小于試驗鍋面積，存在鍋內(nèi)中心水溫上升快，四周水溫上升慢，因而電磁加熱關(guān)閉后，水溫沖擊到最高溫度和會迅速下降。1min內(nèi)最高水溫無法代表鍋內(nèi)試驗水水溫，使得計算出的熱效率大于實際熱效率。

GB 21456-2014將水最終溫度值改為“關(guān)閉電磁灶，讀取1min后的最高溫度讀數(shù)”，避免了虛假溫度的情況，試驗鍋內(nèi)水溫分布情況比較均勻，但是同樣存在問題。90℃左右的鍋身、鍋蓋、水，放置在20℃的環(huán)境中，1min的散熱損失無法避免，使得計算出的熱效率小于實際熱效率。

4 商用電磁灶熱效率試驗方法探討

通過以上試驗分析，可以看出，對于目前電磁灶熱效率試驗，存在以下幾點問題：

（1）在環(huán)境20℃的條件下，用初始溫度15℃的水進行試驗，將試驗用水加入試驗鍋到電磁加熱開始這段時間記做△t1，從圖1可以看出，試驗鍋和試驗鍋蓋的初始溫度和△t1相關(guān)， t1時間越長，試驗鍋和試驗鍋蓋與水溫之間溫差越小，目前標準對△t1無明確要求。

（2）通過試驗一、試驗二可以看出，目前電磁灶熱效率試驗中，試驗鍋蓋、試驗鍋的溫升被視作等同試驗用水的溫升，與實際溫升不符。其中僅試驗鍋蓋的實際溫升導致的偏差就可能達到1%。

（3）通過試驗三、試驗四可以看出，對于商用電磁灶熱效率試驗，相對于現(xiàn)有標準測溫點布置在距鍋底10mm處，測溫點布置在水深1/2處可以更好地代表試驗鍋內(nèi)水的溫升。

（4）對于商用電磁灶，由于常見的型式為凹面灶和一體灶（鍋體直接制作在器具上），無法使用標準鍋進行試驗，只能使用廠家的配鍋，不同的配鍋重量、材質(zhì)不同，對熱效率的計算存在影響。

（5）由文中3.3可知，水最終溫度的確定同樣會對熱效率的計算存在影響。

分析以上幾點問題，結(jié)合實際試驗中存在的問題，我們提出了一種可以避免以上問題的商用電磁灶熱效率試驗方法。

在環(huán)境溫度為20±3℃條件下，使用廠家標配的鍋作為試驗鍋，當存在多種配鍋時，則選擇可以覆蓋加熱區(qū)域的最小規(guī)格配鍋作為試驗鍋進行試驗。

在試驗鍋中加入其70%容積的水，對凹灶和一體灶，水量同時應至少覆蓋加熱區(qū)域，兩者中取大者，水的質(zhì)量記做m。水溫測點應在試驗鍋中心水深1/2的位置。啟動電磁灶并迅速調(diào)節(jié)到最大功率檔，水初溫t1取室溫加5℃，當溫度達到水初溫時，開始記錄耗電量。水終溫t2取水初溫加60℃，溫升 t在（60±1）K范圍內(nèi)有效。當溫度到達水終溫時，關(guān)閉電磁灶，同時記錄此時消耗的電能量E。并根據(jù)式（3）計算出電磁灶熱效率。

熱效率計算方法：

式（3）中：

η——熱效率，%；

c——水的比熱容，取4.18，單位為千焦每千克開爾文（kJ/(kg·K)）；

m——水的質(zhì)量，單位為千克（kg）；

E——消耗的電能量，單位為千瓦時（kW·h）；

△t——溫升，單位為開爾文（K），

△t=t2-t1。

5 結(jié)束語

本研究項目分析不同類型的商用電磁灶的特點，對不同的熱效率檢測方法和評價指標進行比較和修正，形成一種科學有效的評價指標和相應的可行的試驗方法。

我們將繼續(xù)對商用電磁灶熱效率相關(guān)問題進行研究分析，以完善熱效率試驗方法，為商用電磁灶能效標準化、節(jié)能認證、上海市地方能效標準的制定做一些基礎(chǔ)性的工作。

國家質(zhì)檢總局科技計劃項目（2013QK142）

[1]GB 21456-2014《家用電磁灶能效限定值及能效等級》

[2]SB/T 10548-2009《商用電磁灶》

Discussion on heat efficiency test methods of induction cooker

CUI Haifeng
（Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research Shanghai 200233）

Heat efficiency test methods of induction cooker are analyzed in this paper, research on some problems influence of thermal efficiency calculation, especially like the actual temperature rise of the test pot and the lid and the distribution of temperature measurement position. The improved scheme is put forward to the test method of the heat efficiency of the commercial induction cooker.

Induction cooker; Heat efficiency; Test methods