淋浴器水效檢測試驗裝置的研究與實現

劉 明

（天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192）

為全面提升水資源利用效率，形成節水型生產生活方式，國家先后制定了《國家節水行動方案》和《“十四五”節水型社會建設規劃》。水利部、國家發改委和市場監管總局聯合制定的《水效標識管理辦法》中規定對使用范圍廣、節水潛力大的用水產品實施水效標識管理制度，作為居民生活必需品的淋浴器，由于生產、銷售、使用數量巨大，其節水效能的提升對水資源的節約利用意義重大，因此在《中華人民共和國實行水效標識的產品目錄》第三批中明確要求淋浴器產品自2022 年7 月1 日其實施水效標識管理制度，在此之前出廠或進口的產品過渡期至2023 年7 月1 日。

據相關部門統計，目前市場上有1/4 左右的淋浴器沒有按實施規則的要求加施水效標識，同時噴射力、噴射流量等性能參差不齊，甚至存在不合格產品。當前水效標識制度的實施、監督和管理機制尚不完善，相關技術機構尚不具備完備的水效檢測技術，實驗裝置的建設能力和水平不能滿足市場監管需求，對市場上流通的淋浴器產品水效等級缺乏技術上的判斷。為了推動水表標識制度的順利實施，本文致力于研究一套淋浴器水效檢測的標準試驗裝置，以更好地評價淋浴器的節水性能。裝置完成后能夠依據國家標準的要求實現淋浴器噴射力的測量、噴射流量和流量均勻性的測量，為規范淋浴器產品的性能參數、進一步提升產品質量、提高節水性能提供技術依據。

1 裝置的結構設計

裝置的設計原理和技術參數應能夠滿足國家標準GB 28378-2019《淋浴器水效限定值及水效等級》[1]中對淋浴器水效性能檢測試驗的具體要求，其結構功能主要包括噴射力測量裝置溫度控制系統和管道動壓力的調節與顯示功能。

1.1 噴射力測量裝置的設計

噴射力的大小是評價淋浴器水效性能最重要的參數，淋浴器在保證節水性能的同時，應具備足夠的噴射力以滿足消費者需求，提升用戶體驗感，因此準確測量其噴射力的大小是評價淋浴器性能優劣的重要參考，國家標準中規定淋浴器手持式花灑的平均噴射力的最小值為0.85 N。

為模擬實際使用場景，接收淋浴器水流的受力裝置設計為有一定弧度的噴灑圓盤，出水平面噴射出的水流經過一段距離后到達噴灑圓盤，安裝時盡量保證出水平面與受力圓盤中心對齊，以保證圓盤最大限度的接收淋浴器出水量。噴灑圓盤的結構和參數如圖1 所示。

圖1 噴灑圓盤的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the spraying disc

為使不同廠家、不同型號的淋浴器噴射力測量結果具有可比較性，淋浴器安裝時出水平面與噴灑圓盤之間的距離固定選取400～405 mm，同時，此距離也符合大多數實際應用場景，基本相當于正常淋浴條件下出水平面與人體之間的距離。

噴射力測量裝置選用精度0.03%、分辨率為0.01 N，測量范圍0～30 N 帶現場顯示的稱重測力傳感器實現，具備自動零位跟蹤以及多點非線性修正功能，采集速度可達200 次/s，能夠實時顯示力值大小，完全滿足國家標準對噴射力測量精度的要求。噴灑圓盤設計時底部留有圓形凹槽，可與重力傳感器配合安裝，結構示意圖如圖2 所示。

圖2 噴射力測量試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of spray force measurement device

1.2 流量與流量均勻性測量的實現方案

衡量淋浴器水效性能的另外一個關鍵指標是噴射流量與流量均勻性，為了盡可能準確地評價淋浴器的性能，檢測過程應盡量模擬不同的使用場景，由于不同場所、不同樓層、不同管網中水壓不盡相同，因此試驗過程中需要將管道壓力調整到不同的動壓狀態下測量，分別選取0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 三個壓力下進行試驗。

為了能夠準確地調節管道壓力以滿足試驗需求，裝置設計了標準化的供水系統[2]，選取合適的穩壓容器來平均、緩沖、吸收脈動以實現管路動壓力的穩定。裝置所用穩壓容器內部采用橫隔板和豎擋板的結構，其中豎擋板為可防止進、出口水流直通造成水流脈動過大，橫隔板上用來減弱水流波動，降低罐內水流速度，再配合密閉罐內空氣的壓縮性達到穩定流量的作用。

淋浴器安裝好并調整到不同的工作模式后，需依次完成0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 管路動壓下的流量測量和流量均勻性的測量，采用流量調節閥和水泵頻率聯動調節的方式實現，調節時需根據壓力傳感器所顯示的壓力值適當調節水泵頻率以及閥門的開度，直至達到試驗所需的動壓力，此時通過高精度電磁流量計讀取的流量值即為當前壓力下淋浴器的噴射流量。

1.3 介質的溫度控制

實驗過程中要求水溫為20±5℃，因此裝置水箱帶溫度控制功能，當介質溫度較低超出允許范圍時，啟動加熱絲進行加熱，當水溫上升到所要求的范圍內時停止加熱；當介質溫度過高時，啟動風冷系統開始降溫直至達到標準要求的溫度范圍。

1.4 裝置的結構組成

根據上述分析過程繪制裝置的結構示意圖，如圖3 所示，主要由溫控水箱、循環水泵、穩壓容器、標準電磁流量計、流量調節閥、重力傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器[3]等部分構成。

圖3 淋浴器水效檢測裝置結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of shower water efficiency detection device

2 試驗驗證

為了進一步驗證裝置設計的合理性和有效性以及水效檢測的試驗效果，選取一個符合GB 28378要求、標稱水效等級1 級、標稱流量4.2 L/min 的手持式花灑進行試驗，用本文研制的試驗裝置分別測量其噴射流量、噴射力以及流量均勻性。試驗裝置如圖4 所示。

圖4 淋浴器噴射力測量試驗裝置Fig.4 Shower spray force measurement test device

試驗過程如下：將淋浴器花灑安裝在支架上，將噴灑圓盤和測力傳感器安裝在底座上，調整支架以及底座使花灑出水面保持水平，出水面與噴灑圓盤之間的距離保持400～405 mm，將淋浴器開關打開至最大出水流量處，運行水泵使管道充滿水，調節水泵頻率以及閥門開度使管道動壓升至0.5 MPa 并保持運行60 s；關閉水流，然后逐漸打開水流，先后將管道動壓調至0.3 MPa、0.2 MPa、0.1 MPa，每個壓力狀態穩定后至少保持10 s，分別讀取噴射力值p1、p2、p3，以3 個壓力下力值的平均值作為此次噴射力試驗的結果；同時在每個動壓力下計讀取3 次流量值，計算各壓力下的流量平均值F1、F2、F3，以3 個流量平均值的極差值作為此淋浴器的流量均勻性；以動壓0.1 MPa 時讀取的標準流量值作為該淋浴器流量。試驗結果如表1 所示。

表1 淋浴器流量、噴射力、流量均勻性試驗記錄Tab.1 Shower flow rate，spray force and flow uniformity test records

由試驗結果可知，被測淋浴器的流量為4.152 L/min，噴射力為1.20 N，流量均勻性為1.697 L/min，試驗結果與國家標準要求相符，裝置試驗結果可靠。

3 結語

本文設計了一種用于淋浴器水效檢測的標準實驗裝置，可用于淋浴器的流量、噴射力、流量均勻性的測量，能夠從技術角度甄別淋浴器的水效性能的優劣，為確保淋浴器水效等級和水效限定值符合國家標準要求提供技術支撐，有利于持續提升淋浴器的產品質量，同時也能夠進一步促進國家和主管部門對水效標識制度實施情況的監督和管理，加快節水型社會的建設。