陳憶喆， 李征濤， 高聯(lián)斌， 黃 超， 廖李平， 章曉龍

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.珠海格力電器股份有限公司機(jī)電研究院，珠海 519070）

高精度熱泵熱水器制熱量測(cè)試方法的實(shí)驗(yàn)研究

陳憶喆1， 李征濤1， 高聯(lián)斌1， 黃 超1， 廖李平2， 章曉龍1

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.珠海格力電器股份有限公司機(jī)電研究院，珠海 519070）

通過對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T23137—2008與GB／T 21362—2008中循環(huán)加熱式及靜態(tài)加熱式熱泵熱水器制熱量的測(cè)試方法的分析，發(fā)現(xiàn)制熱量的測(cè)量存在誤差，影響機(jī)組性能的判定.現(xiàn)提出另一種測(cè)試方法——排水法.待熱泵熱水器將水箱內(nèi)的水加熱至設(shè)定溫度55℃后，從排水口將熱水排出，同時(shí)進(jìn)水口進(jìn)入15℃的水，至排水溫度與進(jìn)水溫度相差小于等于0.5℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)束.繪制排水曲線圖，計(jì)算出熱泵熱水器的制熱量.結(jié)果表明，排水法較國標(biāo)法測(cè)得的循環(huán)加熱式的制熱量平均增加了10.2%，性能系數(shù)COP增加了10.2%；靜態(tài)加熱式的制熱量增加了12%，COP增加了12%.研究表明，排水法在熱泵熱水器性能測(cè)試中具有較高的精度.

熱泵熱水器；排水法；制熱量；性能系數(shù)；國標(biāo)

熱泵熱水器是一種利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、采用蒸汽壓縮循環(huán)將低溫?zé)嵩吹臒崃哭D(zhuǎn)移到被加熱的水中來制取生活熱水和采暖熱水的設(shè)備.從節(jié)能環(huán)保來看，熱泵熱水器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)及市場(chǎng)前景［1］.但由于熱泵熱水器在我國發(fā)展時(shí)間短，仍存在很多問題［2］.其中，熱泵熱水器制熱量的測(cè)量方法就存在不足，使得熱泵熱水器制熱量的測(cè)試精度不高，影響性能系數(shù)COP的準(zhǔn)確計(jì)算.

目前熱泵熱水器的性能測(cè)試均采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T23137-2008與GB／T 21362—2008［3-4］來測(cè)試（以下簡稱國標(biāo)法）.但是，在實(shí)際測(cè)量過程中，水箱內(nèi)的水溫不是均勻分布，溫度高的水，密度低，往水箱上部走，而溫度低的水就會(huì)出現(xiàn)在水箱下部，出現(xiàn)了水箱溫度分層現(xiàn)象［5-6］，影響實(shí)驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性.為了讓水箱內(nèi)的水混合均勻，許多學(xué)者提出了采用循環(huán)泵或擋板等來幫助水箱內(nèi)的水混合.雖然此法有助于水溫均勻，但是，循環(huán)水泵的參與勢(shì)必會(huì)造成部分熱量損失，且漏熱［7］和蓄熱難以精確計(jì)算，水箱的平均溫度仍然是難以精確測(cè)量，甚至增加額外能量消耗.針對(duì)這一問題，本文提出了排水法，很好地解決了溫度分層問題，使制熱量測(cè)量更準(zhǔn)確，也更具合理性.

1 排水法的基本定義及計(jì)算公式

本實(shí)驗(yàn)的排水法是借鑒國家標(biāo)準(zhǔn)［8］中的熱量測(cè)試方法而提出的，此法操作簡單，不考慮儲(chǔ)熱水箱中的溫度分層問題，測(cè)得的制熱量更接近機(jī)組實(shí)際制熱量.

待熱泵熱水器運(yùn)行后，將水箱內(nèi)的水加熱至設(shè)定溫度55℃后停止，參考文獻(xiàn)［9］，水箱排水口將熱水以400～600 L／h的恒定流量排出，同時(shí)由進(jìn)水口補(bǔ)入進(jìn)水溫度Tb=15℃的冷水，直到排水溫度與進(jìn)水溫度相差小于等于0.5℃，且排出的水總流量大于3倍水箱容積V時(shí)，排水測(cè)試結(jié)束，并認(rèn)為水箱中的熱量被全部排出，且此熱量即為熱泵熱水器的制熱量.

此排水法實(shí)驗(yàn)要求至少每15 s測(cè)量一次排水溫度Td，至少每放出水箱容積的1／10時(shí)記錄一個(gè)平均值，且進(jìn)入水箱的冷水溫度的波動(dòng)不超過±0.25 K，漂移不超過0.2 K.然后利用所測(cè)得的溫度作如圖1所示的排水曲線圖.

水箱內(nèi)所含的制熱量Qc與排水溫度Td曲線和進(jìn)口水溫Tb曲線之間的面積成正比.假設(shè)mi為第i次的排水質(zhì)量，Tdi，Tbi分別為第i次的排水溫度及進(jìn)水溫度，cp為水的比定壓熱容.采用排水法測(cè)得的制熱量

從式（1）中可以看出，在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量時(shí)間間隔越短，即測(cè)量次數(shù)i值越大，實(shí)驗(yàn)誤差就越小，所測(cè)得的制熱量就越接近真實(shí)值.此排水法應(yīng)用數(shù)學(xué)微積分原理，記錄并計(jì)算制熱量，該法減少了溫度分層引起的誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確.

圖1 排水曲線圖Fig.1 Drainage curve diagram

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用國家標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試，包括室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)和控制室.主要由空氣處理系統(tǒng)、環(huán)境實(shí)驗(yàn)室水處理系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，自動(dòng)化程度較高，能準(zhǔn)確控制相關(guān)變化，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.實(shí)驗(yàn)采用空氣源熱泵熱水器分別對(duì)循環(huán)加熱式及靜態(tài)加熱式進(jìn)行制熱量的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量儀表主要有電磁流量計(jì)AXF025G，鉑電阻Pt100，安捷倫數(shù)據(jù)采集器Agilent34970A.實(shí)驗(yàn)裝置及所需測(cè)點(diǎn)如圖2和圖3所示（見下頁）.

循環(huán)加熱式熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)時(shí)采用儲(chǔ)水容積為300 L的承壓標(biāo)準(zhǔn)水箱，制冷劑為R22，循環(huán)熱水流量為2.4 m3／h.靜態(tài)加熱式熱泵熱水器采用水箱容積為150 L，制冷劑為R22.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及條件

分別對(duì)循環(huán)加熱式及靜態(tài)加熱式進(jìn)行制熱量的測(cè)試.在循環(huán)加熱式實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉閥門5，21，28，即可采用國標(biāo)法來進(jìn)行制熱量的測(cè)量.實(shí)驗(yàn)中記錄溫度、流量及功率等相關(guān)數(shù)據(jù).機(jī)組停止后，打開閥門5，13，21，28，即可采用排水法進(jìn)行制熱量的測(cè)量.由PID控制器（比例-積分-微分控制器）調(diào)節(jié)控制進(jìn)水流量，記錄相關(guān)數(shù)據(jù).在本裝置中考慮了熱泵熱水器與測(cè)試水箱連接管中的熱量，增設(shè)了閥門21和 28.在排水法測(cè)試中，熱泵熱水器與標(biāo)準(zhǔn)水箱間存在高落差，可由重力作用將此熱量排出.

圖2 循環(huán)加熱式熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Test system for the cyclic heating type of heat pump water heater

圖3 靜態(tài)加熱式熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Test system for the static heating type of heat pump water heater

在靜態(tài)加熱式實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需關(guān)閉閥門5，即可進(jìn)行國標(biāo)法測(cè)試.機(jī)組停止后，打開閥門5和13，進(jìn)行排水法測(cè)試.由PID控制進(jìn)水流量，直到排水與進(jìn)水溫差小于0.5℃時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

循環(huán)加熱式及靜態(tài)加熱式排水法實(shí)驗(yàn)時(shí)均進(jìn)行4次排水測(cè)量，它們均在名義工況基礎(chǔ)上進(jìn)行，如表1所示.

表1 排水法測(cè)量名義工況Tab.1 Normal condition of the measurement by drainage method

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 循環(huán)加熱式排水法測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖4中可以看出，起始排水溫度要高于設(shè)定值55℃，這是由于水箱水溫度分層原因引起的，且隨著排水量的增加，排水溫度逐漸降低，在排水量大約為100～300 L時(shí)，排水溫度近似呈線性降低，其后平緩減少，至到排水與進(jìn)水溫差小于0.5℃.由式（1）可以計(jì)算出4次排水的制熱量分別為29.32，29.31，29.35，29.29 kW，則平均制熱量為29.32 kW，消耗功率為6.82 kW，COP為4.3.而國標(biāo)法測(cè)得制熱量為26.6 kW，COP為3.9.可見排水法較國標(biāo)法測(cè)得的制熱量提高了10.2%，COP提高了10.2%.

圖4 循環(huán)加熱式排水量與排水溫度曲線圖Fig.4 Displacement and drainage temperature graph of cyclic heating

3.2 靜態(tài)加熱式排水法測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5（見下頁）是靜態(tài)加熱式熱泵熱水器按照排水法測(cè)得的排水溫度曲線圖，同樣由于溫度分層問題，剛開始排水時(shí)溫度高于55℃.隨著排水量的增加，排水溫度逐漸降低，在排水量約為50～150 L時(shí)，排水溫度近似呈線性降低.由式（1）可計(jì)算出4次排水的制熱量為2.67，2.65，2.62，2.60 kW，平均制熱量為2.63 kW，且消耗功率為0.56 kW，COP為 4.7，而國標(biāo)法測(cè)得的制熱量為2.35 kW，COP為4.1.排水法較國標(biāo)法測(cè)得的制熱量提高了近12%，COP也提高了近12%.

4 排水法與國標(biāo)法的比較

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，排水法測(cè)得的制熱量高，更接近實(shí)際制熱量，且靜態(tài)加熱式采用排水法測(cè)試的效果更優(yōu).循環(huán)加熱式也考慮了測(cè)試水箱與熱泵熱水器連接管間儲(chǔ)存的熱量，測(cè)得的制熱量增加.國標(biāo)法測(cè)量水箱溫度時(shí)，基本上均采用在水箱中部上下布置測(cè)點(diǎn)，然后取其平均值作為水箱溫度.由于水箱溫度存在分層問題，水箱上部溫度較下部溫度高，有時(shí)甚至相差10～20℃，水箱內(nèi)水溫分布不均勻，很難準(zhǔn)確測(cè)量水箱溫度，制熱量也難以精確判定.而排水法避免了溫度分層引起的水溫分布不均問題，可準(zhǔn)確計(jì)算熱泵熱水器制熱量，測(cè)量方法簡單、易操作，具有可行性.

圖5 靜態(tài)加熱式排水量與排水溫度曲線圖Fig.5 Displacement and drainage temperature graph of static heating

5 結(jié) 論

對(duì)循環(huán)加熱式及靜態(tài)加熱式熱泵熱水器制熱量采用國標(biāo)法及排水法這兩種方法進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證了水箱溫度分層對(duì)水箱溫度測(cè)量精度的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，排水法測(cè)量制熱量更具優(yōu)勢(shì)，且操作簡單、測(cè)量精度高，在行業(yè)發(fā)展中具有應(yīng)用前景.

a.測(cè)量循環(huán)加熱式熱泵熱水器時(shí)，排水法較國標(biāo)法測(cè)得的制熱量提高了10.2%，性能系數(shù)COP提高了10.2%，排水法測(cè)量精度高.

b.測(cè)量靜態(tài)加熱式熱泵熱水器時(shí)，排水法較國標(biāo)法測(cè)得的制熱量提高了12%，性能系數(shù)COP提高了12%，排水法測(cè)量精度高.

c.在排水法測(cè)量過程中，有一段排水量所對(duì)應(yīng)的排水溫度近似線性降低.

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（編輯：石 瑛）

High Accuracy Measurement Method of Heating Capacity of Heat Pump Water Heater

CHENYi-zhe1， LIZheng-tao1， GAOLian-bin1， HUANGChao1， LIAOLi-ping2， ZHANGXiao-long1
（1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；
2.Institute of Electrical and Mechanical，Gree Electric Appliances，Inc.of Zhuhai，Zhuhai 519070，China）

After analyzing the national standard GB／T23137-2008 and GB／T 21362-2008 for the cyclic and the static heating types of heat pump water heaters，it is found in the stipulated measurement method of heating capacity some kinds of errors may be introduced and the judgement of performance may be influenced.Here another testing method—drainage method was proposed.In the method，the test can start，only when the temperature in the tank reaches 55℃.Then hot water was discharged from outlet，meanwhile 15℃water was poured in from inlet.Until the temperature difference between discharged water and inlet water is equal to or less than 0.5℃，the experiment will be over.The drainage curve graph was drawn，and the heating capacity of the units was calculated.The results show that comparing with the standard method，the heating capacity and COP by the drainage method both increase by 10.2% for the cyclic heating type，and increase by 12%for the static heating type.The study shows that the drainage method has higher measurement accuracy in the heat pump water heater performance test，and will have a promising application.

heat pump water heater；drainage method；heating capacity；performance coefficient；national standard

TB 65

A

2013-09-16

陳憶喆（1987-），女，碩士研究生.研究方向：制冷裝置測(cè)試技術(shù)及自動(dòng)化.E-mail：feifeizixin＠126.com

李征濤（1964-），男，副研究員.研究方向：制冷與低溫技術(shù).E-mail：lengre01＠vip.sina.con

1007-6735（2014）04-0322-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.004