电热水器性能测试实验室的研制

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.52MB 69 页 15积分
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摘 要
电热水器是人们在生活当中不可或缺的家电之一，因其使用方便，快速，越来
越受到人们的欢迎。随着市场上的热水器产品越来越多，其质量问题也逐渐引起
了人们的密切关注。因而需要从热水器的外壳美观，稳固，内胆材质、搪瓷粉质
量到产品电气安全，使用寿命以及能效高低，是否节能等各方面都作出相应的标
准，来检测其是否合格。
电热水器的检测，涉及到材料，物理性能，电子电气，热传导性，保温效果等
多学科多领域，测试过程繁琐，复杂，经历时间长。传统的测试方法对操作人员
的专业素质，工作强度等都有较高的要求，且测试效果并不十分理想。本文正是
基于此，设计了一套储水式电热水器性能测试实验台。该实验台参照 GB/T20289
《储水式电热水器》和 GB21519《储水式电热水器能效限定值及能效等级》，从额
定容积，24 小时固有能耗，热水输出率三个指标来对电热水器作出性能和节能评
价。在测试过程中，测试人员只需要设定实验室工况，输入储水式电热水器的基
本参数，实验台即可进入自动测试模式，判断实验过程和结果是否符合国家标准，
并直接给出测试报告。尤其在 24 小时能耗测试过程中，有效避免了因为人为因素
造成的数据记录的误差，提高了测试精度。
在测试控制方面，针对储水式电热水器自身特点，对其需要测量和控制的温度，
压力，流量，时间，容积等参数选取了合理的测量仪器。通过设计了如切换双通
道输入，切换双通道输出，冷热同时控制输出等先进的 PID 控制方案，将房间温
度，供水压力，供水流量等关键参数在长时间运行的状况下始终控制在相当高的
精度上。在数据通信方面，采用了网络通信，RS232，RS485，GPIB 等多样化的
方式，用较合理的成本实现较高的通信效益。
经过验收审核，该储水式电热水器性能测试实验台测试精度满足作为国家检测
机构评定使用，自动化程度高，使用简单。
关键词：24 小时固有能耗 热水输出率 自动控制
ABSTRACT
Electrical storage of water heater is more and more popular，it is a necessary to
have a method and an automatic lab to test the materil ，electrical performance ，
substance and power comsuption of water heater.
The triditional test method cost too much labour and the efficiency is low. So refer
to the standard GB/T20289 《Electrical storage water heater》and GB21519《Minimun
allowable values of energy efficiency and energy efficiency grades for electrical storage
water heater》，we design an water heater laborary with total automation system. The
main function of the lab is to judge the rated capacity，standing loss per 24 hour and
hot-water output rate weather achieve the standards above. In test process ，all the
technician need to do is to put some base parameters and launch the start mode. The
system will complete condition-setting，performance judge，report printing. Specially，
in the test process of standing loss per 24 hour，the automatic system can effectively
avoid the offset due to the human operation.
In electric control and data acquisition aspects，the system collects the temperater，
pressure ，flow and capacity with proper instrucments. The lab can keep the key
parameters in high accurary by designing some advanced PID control methods such as
dual-channel input swiching，dual-channel output swiching and heat-cold simultaneous
control.In communication aspect，network，RS232，RS485 and GPIB are selected.
By the final verify，the electrical storage water heater lab has advanced and reliable
control method and high accuary data acquisition，the whole design of the lab meet the
demands.
Keywords: Standing loss per 24 hour hot-water, output rate,
antomation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 家电测试现状和意义 .......................................................................................... 1
§1.2 电热水器测试标准 ............................................................................................... 1
§1.3 测控系统与现代实验室 ....................................................................................... 2
§1.4 课题来源及技术要求 .......................................................................................... 3
第二章 电热水器性能测试实验台设计 .........................................................................5
§2.1 电热水器的试验台 ............................................................................................... 5
§2.1.1 电热水器测试台模型 .....................................................................................5
§2.1.2 电热水器的类型及安装 .................................................................................5
§2.2 热水器的主要测试项目 ....................................................................................... 6
§2.2.1 24 小时固有能耗测试方法 ............................................................................6
§2.2.2 热水输出率测试方法 .....................................................................................6
§2.3 主要测量参数及要求 ........................................................................................... 7
§2.3.1 温度 ................................................................................................................7
§2.3.2 压力 ................................................................................................................9
§2.3.3 容量 ................................................................................................................9
§2.3.4 参数测量仪器及精度要求 ............................................................................9
§2.4 储水式电热水器能效限定及能效等级 ............................................................ 10
第三章 制冷系统的设计 .............................................................................................11
§3.1 库体的设计 ......................................................................................................... 11
§3.2 空气处理系统与气流组织形式的设计 ............................................................. 11
§3.2.1 空气温湿度控制 ..........................................................................................11
§3.2.2 气流组织设计 ..............................................................................................16
§3.4 制冷系统的设计 ................................................................................................ 17
§3.4.1 恒温水系统的设计 .......................................................................................17
§3.4.2 冷水机制冷循环设计 ...................................................................................19
§3.4.3 制冷系统部件 ..............................................................................................21
§3.4.5 制冷管路的分析与设计 ..............................................................................23
第四章 数据采集与控制系统 .......................................................................................25
§4.1 数据采集系统 ..................................................................................................... 25
§4.1.1 仪表的技术指标 ..........................................................................................26
§4.1.2 传感器介绍 ...................................................................................................27
§4.1.3 仪表介绍 .......................................................................................................30
§4.1.4 采集方案的设计 ..........................................................................................35
§4.2 过程控制系统 ..................................................................................................... 35
§4.2.1 PID 控制技术与原理 ................................................................................... 35
§4.2.2 PID 控制中使用的电气设备介绍 ............................................................... 37
§4.2.3 PID 技术的实际应用 ................................................................................... 39
§4.3 电气控制系统与 PLC .........................................................................................41
第五章 上位机程序编写 ...............................................................................................49
§5.1 上位机通信简介 ................................................................................................. 49
§5.2 程序设计关键技术 ............................................................................................ 50
§5.3 上位机软件中组件介绍 ..................................................................................... 53
§5.4 报表模板制作 ..................................................................................................... 54
第六章 实验台性能测试与结果分析 ...........................................................................56
§6.1 容积测试 ............................................................................................................. 56
§6.2 24 小时固有能耗验证 ........................................................................................ 56
§6.3 热水输出率 ........................................................................................................ 58
§6.3 结论 .................................................................................................................... 61
文章中使用的符号 .........................................................................................................62
参考文献 .........................................................................................................................64
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................66
致谢 .................................................................................................................................67
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 家电测试现状和意义
近年来，随着经济的快速发展，居住环境要求的提高，人们对空调，冰箱，
电热水器等家电产品有了更高的要求。这主要包含两个方面，产品功能和性能。
在产品功能方面，操作简单化和运行自动化是最近家电的趋势，人们希望用较少
的操作来实现其对家电产品的控制而发挥其较多的作用，因此家电产品的智能化
变的越来越重要。例如家用空调，许多厂商设计了一键操作而能满足不同气温要
求的功能。而在性能方面，家电产品的质量好坏关系到广大用户的切身利益，安
全保护措施好，能源消耗少的家电越来越受到人们的欢迎。因此家电产品出厂前
必须经过严格性能测试：能力，电气安全，老化试验，节能试验等[1]。
热水器是我国近年来产量增长最快的家电产品之一，目前国内热水器市场潜
力巨大、需求旺盛、竞争激烈。但是电热水器由于完全消耗电能，而如今节能减
排已经成了各种家电产品最闪亮的卖点，绿色能源已成为如今的主旋律。能源是
发展国民经济、改善人民生活的重要物质基础。随着我国经济发展，人民生活水
平的提高，全国能耗呈稳步上升的趋势，加大了我国能源压力，制约着国民经济
的持续发展，因此提倡和使用低能耗的家电设备便便得十分重要。
而很多热水器生产企业尚未建立相应自动化水平较高的的检测设备。而沿用
传统的方法则会导致工作任务繁重、测试周期长、试验效率低下，且会因为较多
的人为操作因素而影响测试结果。因此，研制一套储水式电热水器性能实验台已
成为电热水器生产厂家，各级检测部门和监督部门在对储水式电热水器的性能作
出评价时的一种刚性需求，其测试精度，测试效率直接影响了电热水器的质量与
生产规模[2]。故加强对热水器性能测试台的研究，提高其测试精度，缩短其工况
稳定时间，具有巨大的现实意义和经济利益。电热水器性能测试实验室由于行业
的特点，会对实验室有特别要求，本文主要通过对实验室的各项技术进行深入分
析研究，来研制一套储水式电热水器性能测试实验室。
§1.2 电热水器测试标准
随着热水器行业的不断发展，电热水器的产品品种和型号逐渐增加，应用的场
合也越来越广泛，电热水器的从安装，到能效标准，节能标准都相继有标准出台。
国外多数国家采用 24 小时固有能耗来考核储水式电热水器能效，澳大利亚除了
电热水器性能测试实验台的研制
2
24 小时固有能耗外，还同时考核电热水器的热水输出率；美国的测试方法则是经
过六次的排放水来模拟储水式电热水器在测试期间所消耗的电能。在能耗测试方
面，世界上的很多国家在 24 小时固有能耗上都参照了 IEC60379《Methods for
Measuring the performance of electric storage water-heater for household purposes 》，
温度升降和测试点的位置选择也有很多的差别[3]。美国的测试方法较独特，能模
拟出使用状态下的能耗，但是测量复杂，耗时长，测试费用高。在其他细节方面，
各个国家的要求也有所不同。例如美国的储水式电热水器标准额定压力以磅/平方
英寸标志，出口敞开式电热水器不要求额定压力，而且铠装发热原件的器具不要
求具有金属外壳但额定功率要限制在 12KW 以下，丹麦，芬兰，挪威，瑞典等欧
洲国家规定最小额定压力为 1MPa，在最高水温规定方面，澳大利亚，新西兰规
定的是 90℃，日本，挪威，葡萄牙，英国和美国规定的是 99℃[3]。
我国的储水式电热水器标准参考了 IEC 60379。
2006 年出台了推荐性国标 GB/T
20289-2006 《储水式电热水器》，从产品定义，命名，术语，符号到结构要求，
安全年限，性能要求，试验方法，制造检验规则，包装，存储都进行了阐述。2006
年，电气规格与安全方面更新了 GB4706.12《家用和类似用途电器的安全储水式
电热水器特殊要求》，对储水式电热水器中涉及到电的部件进行更加详细，更符合
新产品的规定。2008 年，出台了 GB 21519《储水式电热水器能效限定值及能效
等级》，对能效限定值及能效等级进行了强制性规定，规定能效等级分为 5级，5
级为能效限定值，2级为节能评价值。并且在 2年后（2010 年），能效限定值改为
4级[4] [5]。
§1.3 测控系统与现代实验室
电热水器性能测试实验室制造的难点之一就是在试验过程中，对系统的各项
参数（温度，压力，流量）以及环境工况的进行高精度的控制与测量。目前世界
上如美国的 intertek，德国的 TUV，法国的 BV 等第三方检测公司，以及日本的大
西，佐竹等实验室建造公司对这些方面都有比较成熟的理论和实践经验。这些第
三方检测公司可以从电气安全，性能等提供较为专业的电热水器测试和认证。在
国内，对家电的检测实验室研究有比较深入研究的单位主要有中国家用电器研究
所、广州电器科学研究所、合肥通用机械研究所、上海通用机械技术研究所等。
由于自动化技术和网络技术的不断应用与成熟，生产和实验数据共享的概念
和与之相应的系统，数据管理系统便随之产生[6]。数据管理系统将研发实验室，
生产现场的在线测试，以及成品性能测试的数据等所有相关信息都将自动记录到
一个数据库内并实时上传至服务器的数据库内。如图 1-1 为数据管理系统的原理
第一章 绪论
3
图，主要分为服务器（数据中心），ERP 系统，生产在线检测系统，实验室测试
系统，售后服务系统等。
图1-1 数据管理系统原理图
每次测试的产品或者零件都有一个特定的条形码或者序列号。用户只需输入
所要查询的产品，甚至是某个单件零件的序列号，即可通过数据管理系统调出所
有与之相关的实验数据。如果某个产品存在质量缺陷或者需要改进，系统会自动
提醒管理者作出相应的措施来应对，如图 1-2 所示。
图1-2 缺陷处理流程图
§1.4 课题来源及技术要求
受上海市质量监督检验技术研究院委托，依据 GB21519 《储水式电热水器能
效限定值及能效等级》，研制一个 6工位储水式电热水器能效试验实验室，进行
24 小时固有能耗和热水输出率测试。
结合国家标准中的规定，以及结合上海市质量监督检验技术研究院的实际需
求，本储水式电热水器能效测试台满足以下条件：
1.气流条件：自然通风的房间，风速不大于 0.25m/s；
2.温度：环境温度为 20±2℃；
3.湿度：相对湿度不超过 85％；
生产在线测试
ERP 系统
实验室系统
售后服务系统
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处理
删除该产品
缺陷记录
记录修正后
产品缺陷
摘要：

摘要电热水器是人们在生活当中不可或缺的家电之一，因其使用方便，快速，越来越受到人们的欢迎。随着市场上的热水器产品越来越多，其质量问题也逐渐引起了人们的密切关注。因而需要从热水器的外壳美观，稳固，内胆材质、搪瓷粉质量到产品电气安全，使用寿命以及能效高低，是否节能等各方面都作出相应的标准，来检测其是否合格。电热水器的检测，涉及到材料，物理性能，电子电气，热传导性，保温效果等多学科多领域，测试过程繁琐，复杂，经历时间长。传统的测试方法对操作人员的专业素质，工作强度等都有较高的要求，且测试效果并不十分理想。本文正是基于此，设计了一套储水式电热水器性能测试实验台。该实验台参照GB/T20289《储水式电...

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