鮑 宇 黃 旭 翁文兵

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靜態(tài)及循環(huán)加熱式熱泵熱水器制熱量測試方法實(shí)驗(yàn)研究

鮑 宇1黃 旭2翁文兵2

（1.寧波奧克斯空調(diào)有限公司 寧波 315000；2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093）

針對國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2009中對靜態(tài)及循環(huán)加熱式熱泵熱水器制熱量采用水箱混合法測試計(jì)算存在的誤差問題，提出一種高精度、穩(wěn)定性更好的檢測方法—排水檢測法。為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，搭建基于排水檢測法的靜態(tài)及循環(huán)加熱式熱泵熱水器檢測系統(tǒng)，用自標(biāo)定法與電熱標(biāo)定法對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。采用標(biāo)定后的檢測系統(tǒng)，對KF70-150LS型靜態(tài)加熱式熱泵熱水器進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：采用排水檢測法，系統(tǒng)自標(biāo)定結(jié)果和電熱標(biāo)定結(jié)果最大偏差分別為0.43%和1.11%，兩者均表明排水檢測法準(zhǔn)確度較高。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明KF70-150LS型靜態(tài)加熱式熱泵熱水器機(jī)組功率為891W，制熱量為3500W，COP可達(dá)3.93。

熱泵熱水器；制熱量；排水檢測法；國家標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

隨著空調(diào)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，采用熱泵技術(shù)的家用熱水器以其高效節(jié)能的特點(diǎn)迅速占據(jù)市場[1-3]。為了規(guī)范市場，我國在2009年發(fā)布了GB/T 23137-2009《家用及類似用途熱泵熱水器》[4]，該標(biāo)準(zhǔn)提供了一次加熱式、靜態(tài)加熱式、循環(huán)加熱式三種類型的熱泵熱水器的制熱量檢測方法，其中靜態(tài)和循環(huán)加熱式熱泵熱水器的制熱量檢測方法均采用水箱混合法進(jìn)行測試，但由于市場上的靜態(tài)及循環(huán)加熱式熱泵熱水器的水箱都是機(jī)組標(biāo)配，且靜態(tài)加熱式的水箱內(nèi)還有機(jī)組系統(tǒng)盤管，測試時(shí)不能采用標(biāo)準(zhǔn)水箱代替，所以在實(shí)際測試中水箱混合法存在如下問題：（1）為快速混合，減少漏熱，標(biāo)準(zhǔn)中要求水箱至少以每分鐘1/2水箱容量的流量混合3分鐘，在該條件下，混合的水流量太大，實(shí)際難以實(shí)現(xiàn)[5]；（2）采用混合水泵對水箱的水進(jìn)行混合，在混合過程中水泵的機(jī)械能轉(zhuǎn)為水的熱量，勢必造成熱量的損失或增加，該變量很難計(jì)算；（3）標(biāo)準(zhǔn)要求水箱溫度為水箱的平均溫度，但實(shí)際測試中因機(jī)組在加熱過程中水箱內(nèi)的水會(huì)產(chǎn)生溫度分層[6,7]，故很難確定水箱的平均溫度，只能通過水箱測點(diǎn)溫度估計(jì)水箱溫度[8]，距離實(shí)際平均水溫有差值；（4）標(biāo)準(zhǔn)對水箱自身的吸熱沒有進(jìn)行考慮，但實(shí)際水箱是存在吸熱現(xiàn)象，且吸熱數(shù)值隨著水箱大小和內(nèi)部材料差異而不同；（5）由于盤管的存在，實(shí)際中水箱內(nèi)的水排不凈，并且水箱上部存在空氣墊，測試中水箱內(nèi)加水量的多少存在較大偏差。

水箱混合效果、混合過程中的熱量變化、水箱自身的吸熱量、水量偏差都會(huì)造成制熱量、COP的測試偏差和復(fù)現(xiàn)性差的問題。針對以上問題，本文提出一種新型檢測方法—排水檢測法，并搭建基于排水檢測法的靜態(tài)及循環(huán)加熱式熱泵熱水器檢測系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進(jìn)行自標(biāo)定與電熱標(biāo)定，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。最后，采用標(biāo)定后的檢測系統(tǒng)對KF70-150LS型靜態(tài)加熱式熱泵熱水器進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。

1 排水檢測法原理

排水測試法是一種通過排水的方法將水箱熱量全部排出，并通過準(zhǔn)確測量排出熱量的數(shù)值，從而計(jì)算出機(jī)組熱泵制熱量的方法，此方法部分借鑒于太陽能熱水器排水法測試方法[9]。排水檢測法原理圖如圖1所示。

圖1 排水檢測法原理圖

熱泵機(jī)組的制熱量計(jì)算式為：

=/（1）

=E+E-E （2）

式中，為熱泵機(jī)組制熱量，kW；為機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間，s；為機(jī)組加熱過程提供給水箱的熱量，kJ；E為水箱內(nèi)水的總熱量，kJ；E為水箱壓力釋放過程中排出的水的熱量，kJ；E為水箱排水完成后平均水溫與機(jī)組運(yùn)行前平均水溫有偏差帶來的熱量差異，kJ。

排水檢測法測試過程分為三步：水箱加水過程、機(jī)組運(yùn)行過程、排水測試過程。

1.1 水箱加水過程

當(dāng)恒溫水在恒溫水箱中被制造完成后，將恒溫水加注到水箱中，加注完成后測量水箱內(nèi)水的平均溫度。在實(shí)際過程中，恒溫水本身存在溫度不均勻的問題，被測水箱較大時(shí)，開始加注至結(jié)束加注時(shí)的水溫是變化的。本文設(shè)計(jì)采用多點(diǎn)累計(jì)計(jì)算水箱水溫的方法，該方法基于不同溫度的水混合后的熱平衡原理。采用計(jì)算機(jī)定時(shí)采集進(jìn)水溫度和進(jìn)水水量，從加注開始到加注結(jié)束，等時(shí)間間隔采集的數(shù)據(jù)次。則加水完成后混合水的溫度為：

式中，M為加水過程中，第次與第+1次采集之間水箱加入水質(zhì)量，kg；T為加水過程中，第次采集水箱加入水的溫度，K；為加水過程中，加入水箱內(nèi)水的總質(zhì)量，kg。

1.2 機(jī)組運(yùn)行過程

在加水完成后，機(jī)組開始運(yùn)行，對水箱中的水進(jìn)行循環(huán)加熱。機(jī)組的功率采用積分的方式采集，并開始記錄運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)水箱測點(diǎn)溫度達(dá)到55℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行完成。

1.3 排水法測試過程

1.3.1 水箱內(nèi)水的總熱量

從開始排水到結(jié)束排水，計(jì)算機(jī)定時(shí)采集水箱進(jìn)水溫度、出水溫度、排水量，采集次數(shù)為次，則采用排水檢測法測得水箱內(nèi)水的熱量為：

式中，E為水箱內(nèi)水的總熱量，kJ；排i為排水過程中，第次與第1次采集之間水箱進(jìn)水水量，kg；為水的比熱容，kJ/(kg·K)；出i為排水過程中，水箱在第次采集時(shí)出水溫度，K；進(jìn)i為排水過程中，水箱在第次采集時(shí)進(jìn)水溫度，K。

1.3.2 排水完成后水箱平均水溫與機(jī)組運(yùn)行前水箱平均水溫偏差帶來的熱量差異

在排水完成后，若水箱平均水溫與機(jī)組運(yùn)行前水箱的平均水溫有偏差，則對制熱量計(jì)算會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏差，偏差熱量計(jì)算式如下：

1.3.3 水箱壓力釋放過程中排出水的熱量

從水箱加滿水后，水箱中壓力控制在1個(gè)大氣壓左右，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行后，水箱內(nèi)水被加熱完成，水箱內(nèi)的水由于溫度提高，壓力增加，排水瞬間水箱內(nèi)水會(huì)被擠出水箱，造成熱量的損失。對于這一部分熱量損失，可采用在排水口增加一個(gè)流量計(jì)。在排水時(shí)，先打開排水閥，將水箱內(nèi)壓力平衡，通過流量計(jì)測出此過程中排出水量，并記錄出水溫度，從而計(jì)算排出的水的熱量。

式中，E為水箱壓力釋放過程中排出水的熱量，kJ；T為機(jī)組運(yùn)行前水箱平均水溫度，K，由（3）式計(jì)算；平i為水箱壓力平衡過程中，第次與第1次采集之間水箱出水量，kg；平i為水箱壓力平衡過程中，第次采集測試到的出水溫度，K。

2 靜態(tài)及循環(huán)加熱式熱泵熱水器試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)由恒溫水系統(tǒng)、環(huán)境工況室、測試水循環(huán)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、檢測軟件五個(gè)部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2所示。

1.水箱；2.4.11.19.鉑電阻；3.自動(dòng)排氣閥；5.排水閥；6.17.流量計(jì)；7.14.15.21.22.球閥；8.電磁閥；9.下水道出口；10.恒溫水箱；12.電加熱；13.自來水進(jìn)口；16.20.水泵；18.加水閥；23.冷水機(jī)組；24.熱泵熱水器

恒溫水系統(tǒng)用于制造檢測用的恒溫水，由自來水進(jìn)口13加入自來水，熱泵機(jī)組23對恒溫水箱10內(nèi)水進(jìn)行循環(huán)加熱，電加熱12控制水溫在所需范圍之內(nèi)，恒溫水溫度范圍為5℃～50℃，精度為±0.3℃；恒溫水制造完成后，注入水箱1，注入過程中，通過流量計(jì)17和進(jìn)水口鉑電阻19采集水箱進(jìn)水量與進(jìn)水溫度；排水過程中，首先打開排水閥5，通過流量計(jì)6和排水口鉑電阻4記錄壓力平衡過程中排水量和排水溫度。壓力平衡完成后，開始注入恒溫水箱中的15℃恒溫水，并通過進(jìn)出口流量計(jì)與鉑電阻記錄排水量與進(jìn)出口水溫，為防止恒溫水箱中水溫不穩(wěn)定，排出的水從下水道出口9排出。

2.2 測點(diǎn)布置

系統(tǒng)測點(diǎn)布置主要包括溫度測點(diǎn)布置、流量測點(diǎn)布置、電工參數(shù)測點(diǎn)布置。溫度測點(diǎn)包括內(nèi)外側(cè)工況室干濕球溫度、恒溫水箱溫度、被測試水箱進(jìn)水溫度、出水溫度、被測水箱測點(diǎn)溫度，共8個(gè)溫度檢測，采用四線制Pt100溫度傳感器進(jìn)行檢測；流量測點(diǎn)包括水箱進(jìn)出水口兩個(gè)測點(diǎn)，采用電磁流量計(jì)檢測。流量計(jì)的模擬信號接入PID控制器和數(shù)據(jù)采集儀，脈沖信號接入PLC控制器，由PLC控制器計(jì)算累計(jì)流量，然后將瞬間流量和累計(jì)流量數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)水的特性方程計(jì)算水的質(zhì)量；電工參數(shù)測點(diǎn)采用帶有積分功能電參數(shù)儀，主要檢測機(jī)組運(yùn)行時(shí)耗電量與功率，精度要求為0.5%。

2.3 測試步驟

2.3.1 系統(tǒng)自標(biāo)定

利用裝置本身的恒溫水系統(tǒng)，先將恒溫水箱內(nèi)的水溫升至50℃，溫度穩(wěn)定后，將水注滿熱水器水箱，在加注過程中，計(jì)算機(jī)定時(shí)采集熱水器水箱進(jìn)水溫度和進(jìn)水水量，以15℃為基值，計(jì)算加入熱水器水箱內(nèi)水的熱量。

式中，標(biāo)i為系統(tǒng)自標(biāo)定過程中，第次與第1次采集之間水箱進(jìn)水量，kg；標(biāo)i為系統(tǒng)自標(biāo)定過程中，第次采集測試到的進(jìn)水溫度，K。

水加注滿水箱后，將恒溫水箱內(nèi)水溫降至 15℃，穩(wěn)定后，立即采用排水法測試，計(jì)算水箱內(nèi)水的熱量，理想狀態(tài)下＝E。

2.3.2 系統(tǒng)電熱標(biāo)定

如圖3所示，采用一個(gè)管道加熱器20，最大功率為6kW，將恒溫水箱出水口連接到加熱器的進(jìn)口，加熱器的出口連接到水箱1進(jìn)口，系統(tǒng)進(jìn)口溫度傳感器19安裝在加熱器的進(jìn)口處。恒溫水箱溫度設(shè)置在15℃，以0.12m3/h流量進(jìn)行加水，并啟動(dòng)電加熱器，電參數(shù)儀21對電加熱器進(jìn)行電能積分，當(dāng)水箱滿后停止加熱，此時(shí)電熱器的消耗的電能為E，然后立即采用排水法測試計(jì)算，水箱內(nèi)水的熱量，理想狀態(tài)下=13.6。 。

1.水箱；2.4.11.19.鉑電阻；3.自動(dòng)排氣閥；5.排水閥；6.17.流量計(jì)；7.14.15.23.24.球閥；8.電磁閥；9.下水道出口；10.恒溫水箱；12.電加熱；13.自來水進(jìn)口；16.22.水泵；18.加水閥；20.管道加熱器；21.電參數(shù)儀；25.冷水機(jī)組

2.3.3 樣機(jī)測試

采用標(biāo)定后的試驗(yàn)系統(tǒng)對KF70-150LS型靜態(tài)加熱式熱泵熱水器進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。測試過程分3個(gè)步驟：水箱加水過程、機(jī)組運(yùn)行過程、排水測試過程。

在水箱加水過程中，水箱進(jìn)水口以一定的流量從恒溫水箱加入15℃恒溫水，進(jìn)水流量控制在240m3/h～360m3/h。采集進(jìn)水溫度、加水水量，當(dāng)水箱注滿后停止加水，判定水箱是否加滿，可采用在水箱出水口安裝自動(dòng)排氣閥自動(dòng)完成。在此過程中可知水箱的平均水溫T、水箱容量。

當(dāng)水箱加水完成后，即可進(jìn)入機(jī)組運(yùn)行階段。啟動(dòng)機(jī)組，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行至水箱測點(diǎn)溫度為55℃后，停止運(yùn)行，通過電參數(shù)檢測即得出機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)：運(yùn)行時(shí)間、耗電量、消耗功率。

機(jī)組運(yùn)行停止后，進(jìn)入排水測試過程。先打開水箱排水閥，平衡水箱內(nèi)的壓力，檢測軟件自動(dòng)記錄水箱壓力平衡過程中的排水溫度和水量，并計(jì)算平衡過程中排出水的熱量，然后開始排水，排水流量控制在240m3/h～360m3/h，水箱進(jìn)水口溫度為15℃。在進(jìn)出口溫差小于±0.5℃時(shí)，開始計(jì)算E。停止排水測試的條件為排出的水量大于水箱容量的三倍且進(jìn)出口水溫差小于±0.5℃，此時(shí)視為水箱內(nèi)的熱量全部被排出，計(jì)算即可得到該熱泵熱水器制熱量的數(shù)值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)自標(biāo)定

為驗(yàn)證排水測試法的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了兩次系統(tǒng)自標(biāo)定。將50℃的熱水注入熱水器水箱后，用排水法計(jì)算水箱內(nèi)水的熱量，自標(biāo)定過程中，水箱進(jìn)水溫度、出水溫度、水箱溫度隨排水量的變化趨勢如圖4、5所示。兩次自標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

圖4 第一次自標(biāo)定過程中水箱參數(shù)變化

圖5 第二次自標(biāo)定過程中水箱參數(shù)變化

表1 自標(biāo)定結(jié)果

因?yàn)榕潘^程中進(jìn)水溫度為14.89℃與14.85℃，與15℃基值相差較大，故需考慮一定的熱量修正值，其值為進(jìn)水溫度與15℃基值加水量熱量的差值。從表1中可知，第一次標(biāo)定時(shí)，采用排水檢測法檢測的數(shù)值與基于15℃進(jìn)口水溫計(jì)算的數(shù)值偏差為4.18kJ，第二次標(biāo)定熱量偏差為81.08kJ，最大偏差0.43%。當(dāng)熱泵熱水器機(jī)組運(yùn)行時(shí)間在2小時(shí)左右時(shí)，按7200s計(jì)算，最大偏差11W，精確度較高。

3.2 系統(tǒng)電熱標(biāo)定

在自標(biāo)定的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)進(jìn)行了兩次電熱標(biāo)定，用排水法檢測通過電加熱器加熱進(jìn)入水箱的熱量。電熱標(biāo)定過程中，熱泵水箱進(jìn)水溫度、出水溫度、水箱溫度隨排水量的變化趨勢如圖6、7所示。

圖6 第一次電熱標(biāo)定過程中水箱參數(shù)變化

圖7 第二次電熱標(biāo)定過程中水箱參數(shù)變化

從表2中數(shù)據(jù)可知，電加熱功率越大，偏差數(shù)值也同步增大，造成偏差的原因，一方面是檢測裝置本身有偏差，另一方面是在大功率情況下，加熱裝置自身存在漏熱。從表2中可知計(jì)算最大偏差在1.11%以內(nèi)，說明排水檢測法具有較高的精確性。

表2 電熱標(biāo)定結(jié)果

3.3 樣機(jī)試驗(yàn)

基于標(biāo)定后的試驗(yàn)系統(tǒng)對KF70-150LS型靜態(tài)熱泵熱水器進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，水箱排水過程中，熱泵水箱進(jìn)水溫度、出水溫度、水箱溫度隨排水量的變化趨勢如圖8所示，檢測結(jié)果如表3所示。

圖8 熱泵熱水器樣機(jī)試驗(yàn)水箱參數(shù)變化

表3 KF70-150LS型靜態(tài)加熱式熱泵熱水器檢測結(jié)果

從表3數(shù)據(jù)可看出，采用排水檢測法，KF70-150LS型靜態(tài)加熱式熱泵熱水器機(jī)組功率為891W，熱泵制熱量為3500W，COP可達(dá)3.93。

4 結(jié)論

本文針對GB/T 23137-2009中靜態(tài)及循環(huán)加熱式熱泵熱水器制熱量檢測方法存在的誤差問題，提出一種新型檢測方法—排水檢測法，通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)得出了以下結(jié)論：

（1）對設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行自標(biāo)定，兩次系統(tǒng)自標(biāo)定結(jié)果顯示最大偏差率為0.43%，以熱泵熱水器機(jī)組運(yùn)行2小時(shí)計(jì)算，最大偏差為11W，說明系統(tǒng)準(zhǔn)確度較高。

（2）對設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行電熱標(biāo)定，兩次系統(tǒng)電熱標(biāo)定結(jié)果顯示電加熱功率越大，偏差數(shù)值越大，但最大偏差率在1.11%以內(nèi)，說明系統(tǒng)準(zhǔn)確度較高。

（3）對KF70-150LS型靜態(tài)熱泵熱水器機(jī)組進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示該樣機(jī)功率為891W，熱泵制熱量為3500W，COP可達(dá)3.93。

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Experimental Study on Measurement Method of Heat Capacity for Static and Cycle Heating Heat Pump Water Heater

Bao Yu1Huang Xu2Weng Wenbing2

( 1.AUX Air Conditioning Co., Ltd, of Ningbo, Ningbo, 315000;2.School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093 )

For the problem of the national standard GB/T 23137-2009 on heating capacity of the static and cyclic heating heat pump water heater with the water tank mix method calculation, putting forward a high precision and stability detection method—drainage method. To verify its accuracy, designing a system based on the drainage detection method of the static and cyclic heating heat pump water heater, which calibrated by the self-calibration method and electric heating calibration method. The prototype test of KF70-150LS static heating type heat pump water heater was carried out by using the calibrated detection system. Test results show that, by using drainage method, the maximum deviation of the results of self-calibration and electric calibration are respectively 0.43% and 1.11%. Both indicate that the drainage method has a high accuracy. Prototype test results show that KF70-150LS static heating type heat pump water heater unit power is 891W, and its heating capacity is 3500W, the COP is about 3.93.

Heat pump water heater; Heating capacity; Drainage method; National standard

1671-6612（2017）05-516-06

TK39

A

鮑 宇（1973.12-），男，?？疲砉こ處?，從事熱泵熱水器設(shè)計(jì)研究工作

黃 旭（1993.03-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1803230227@qq.com

2017-02-16