王志坤 馬安娜 楊雙 蔡寧 李浩 徐玲 陳潔

1.中家院（北京）檢測認(rèn)證有限公司 北京 100176；2.滁州市技術(shù)監(jiān)督檢測中心 安徽滁州 239000

1 引言

隨著國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排政策以及人民節(jié)能環(huán)保意識的不斷提高，熱泵熱水器作為一種利用空氣能的產(chǎn)品，因其節(jié)能高效且對環(huán)境友好的特性，發(fā)展規(guī)模逐年壯大。為適應(yīng)熱泵熱水器產(chǎn)品的升級換代，新版標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2020《家用和類似用途熱泵熱水器》[1]在2008版[2]的基礎(chǔ)上，針對熱水器的性能檢測方法及其要求上做了較大幅度的修改，該標(biāo)準(zhǔn)已于2020年11月1日開始實施。

其中，對于靜態(tài)加熱式熱泵熱水器的性能測試要求，特別增加了規(guī)范性附錄C水箱內(nèi)水溫試驗測試方法。該方法中對混水時間、判定時間、管路的材質(zhì)以及混水流量都提出了明確要求，這些要求使得性能試驗都在一個標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行測試，便于測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，由此帶來的優(yōu)勢是顯而易見的，但同時對測試裝置及試驗操作帶來了更為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對新版標(biāo)準(zhǔn)的實施，熱泵熱水器生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)都需要對試驗室進(jìn)行相應(yīng)的功能升級。鑒于上述原因，本文提出一種既滿足標(biāo)準(zhǔn)要求又能最大限度兼容原有試驗室的自動測試裝置[3][4]，以期更好地為標(biāo)準(zhǔn)的落地實施提供設(shè)備支撐。而測試過程中為保證結(jié)果的可靠性和一致性，裝置自身的漏熱量是不容忽略的，由此需要按照要求以及裝置特性進(jìn)行熱損耗標(biāo)定，計算附加誤差之后對溫度等進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償修正?；诖?，本文針對熱損耗標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計原理以及測量的實現(xiàn)等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，以便相關(guān)人員參考實施，為熱泵熱水器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展提供幫助和支持。

2 設(shè)計原理

針對混水系統(tǒng)無法實現(xiàn)自動測量附加誤差的缺陷，本文結(jié)合新版標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計了一套熱損耗標(biāo)定系統(tǒng)，實物如圖1所示。該系統(tǒng)主要通過電熱平衡原理實現(xiàn)對混水裝置熱損耗的標(biāo)定。標(biāo)定基本流程為：首先啟動標(biāo)定水箱自循環(huán)，測試標(biāo)定裝置的自身保溫性能、電加熱效率以及漏熱量；其次將標(biāo)定水箱代替被測樣機(jī)連接到混水系統(tǒng)中，在特定環(huán)境下對混水裝置熱損耗進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 標(biāo)定水箱實物圖

3 軟、硬件實現(xiàn)

本文熱損耗標(biāo)定系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

（1）保溫箱體。保溫箱體由內(nèi)外兩層構(gòu)成，兩層箱體中間均勻填充保溫材料，滿足保溫的性能要求。

（2）攪拌泵。水在加熱過程中，不同高度的水在溫度上存在差異，為了解決水溫分層問題，需要使用攪拌泵攪拌將水箱內(nèi)的水混合后，測量平均水溫。

（3）電加熱棒。電加熱棒是實現(xiàn)電能和熱能轉(zhuǎn)換器件，安裝于保溫箱體內(nèi)部，工作時間及電壓由功率調(diào)節(jié)器根據(jù)實際水箱溫度和設(shè)定溫度，通過PID智能算法，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)。

（4）功率調(diào)節(jié)器。功率調(diào)節(jié)器會根據(jù)溫控表的輸出信號，動態(tài)調(diào)整加熱棒的工作時間或電壓，常用的功率調(diào)節(jié)器有兩個形式，一固態(tài)繼電器類型，通過固態(tài)繼電器連續(xù)通斷，實現(xiàn)對加熱量的控制；另外一種通過調(diào)節(jié)輸出電壓，溫控表精度為0.1級。

（5）功率計。采用精度0.2級數(shù)字電參數(shù)儀，保證電量測量的準(zhǔn)確。

（6）溫度保護(hù)器。實現(xiàn)水箱水溫保護(hù)的重要部件，防止由于水箱溫度過高對設(shè)備或者人員造成危害。

（7）溫度測量單元。使用PT100溫度傳感器，測量水箱溫度，精度1/3 B級。

（8）測試系統(tǒng)。計算機(jī)使用通訊接口與功率表、溫控表、攪拌泵連接，功率表記錄加熱器消耗功率，溫控表使用溫度傳感器測量值來控制調(diào)功器的輸出，調(diào)功器直接控制加熱器，實現(xiàn)溫度控制，計算機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來，同時存儲到數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)查看和數(shù)據(jù)分析。測控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 測控連接圖

4 熱損耗標(biāo)定方法實例分析

配合自研的混水測試裝置，標(biāo)定水箱的容量確定為200 L，分別對其進(jìn)行保溫性能測試、漏熱量測試和混水系統(tǒng)附加誤差的測量，通過對采集數(shù)據(jù)的分析處理，實現(xiàn)混水系統(tǒng)熱損耗的補(bǔ)償修正。

4.1 標(biāo)定水箱保溫性能測試

進(jìn)行標(biāo)定前，首先需要對標(biāo)定水箱的自身保溫性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2020中第5章表5對應(yīng)的保溫要求。

本文所述的標(biāo)定水箱容積為200 L，測試前首先對環(huán)境工況進(jìn)行設(shè)置，溫度需保持在20℃±2℃，且試驗室的風(fēng)速不應(yīng)超過0.5 m/s。將水箱加滿15℃±0.5℃的水，設(shè)定水箱出水溫度為55℃，開啟電加熱和攪拌泵。當(dāng)出水溫度運(yùn)行到滿足55℃±0.5℃時，關(guān)閉電源，保持靜置狀態(tài)24 h。由于水箱內(nèi)的水溫存在分層現(xiàn)象，所以需要再次開啟攪拌泵，使水溫進(jìn)行充分混合，測得出水溫度，最終測得水溫下降值為6.2℃。

在保溫性能測試的基礎(chǔ)上，可按照式（1）進(jìn)一步計算標(biāo)定水箱的電加熱效率，結(jié)果為97.6%（水的比熱容值取4186，單位為J/kg·k）。

式中：

η-電加熱效率，由于電加熱的工作性質(zhì)，雖然水溫會對效率有影響，但影響較小，所以文中出現(xiàn)的電加熱效率，均以此公式計算結(jié)果為主；

EL-標(biāo)定水箱由初始溫度加熱至設(shè)定溫度所需輸入的電能，單位為kW·h；

T2-標(biāo)定規(guī)定的水箱水加熱后的平均水溫，單位為℃；

T1-標(biāo)定規(guī)定的水箱水加熱前的水溫，單位為℃；

V-水箱容積，單位為L。

4.2 標(biāo)定水箱漏熱量測試

在標(biāo)定水箱滿足保溫性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成水箱的自身漏熱量測試，該試驗可在保溫性能測試后直接測試。

再次開啟電加熱，使出水溫度達(dá)到55℃±0.5℃的要求。為了和標(biāo)定水箱與混水系統(tǒng)連接后的混水狀態(tài)保持一致的水流流動性和電加熱運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出水溫度達(dá)到55℃±0.5℃時，攪拌泵和電加熱器不停止運(yùn)行，仍保持該運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行一段時間，最后測量標(biāo)定水箱維持出水溫度所補(bǔ)償輸入的電能，計算水箱的自身漏熱量。

水箱漏熱量計算公式如下：

式中：

Qs-水箱漏熱量，單位為W；

E-標(biāo)定水箱恒定水溫補(bǔ)償輸入的電能，單位為W·h；

η-電加熱效率；

H-標(biāo)定水箱恒定水溫運(yùn)行時間，單位為h。本次標(biāo)定水箱在測量過程中，保持水溫恒定運(yùn)行了7.85 h，耗電量達(dá)到188.23 W·h，測得水箱的自身漏熱量為23.4 W。

4.3 混水系統(tǒng)附加誤差測量

混水裝置附加誤差測量的原理為：首先計算混水系統(tǒng)與標(biāo)定水箱連接后維持水溫所補(bǔ)償?shù)碾娔?，計算出整個系統(tǒng)的漏熱量；然后減去標(biāo)定水箱自身漏熱量，即為混水系統(tǒng)的漏熱量；再根據(jù)混水裝置附加誤差公式，最終可算得混水系統(tǒng)的附加誤差。

混水系統(tǒng)附加誤差δ的計算公式（水的比熱容值取4186，單位為J/kg·k）如下：

式中：

δ-混水系統(tǒng)附加誤差；

QL-混水系統(tǒng)在測量時的散熱量，單位為J；

Q-標(biāo)定水箱水的熱增量，單位為J；

η-電加熱效率；

V-水箱容積，單位為L。

在進(jìn)行試驗前，先將標(biāo)定水箱的水排空，然后再將標(biāo)定水箱連接到混水系統(tǒng)循環(huán)水路中，進(jìn)水溫度需保持在15℃±0.5℃，注水完成后，再將混水裝置與標(biāo)定水箱連接的軟管內(nèi)的水排空。

試驗環(huán)境保持標(biāo)況下的溫度和風(fēng)速，開啟標(biāo)定水箱電加熱和攪拌泵，當(dāng)出水溫度達(dá)到55℃±0.5℃時，關(guān)閉標(biāo)定水箱自身循環(huán)的閥門，開啟混水閥門，進(jìn)行混水。標(biāo)準(zhǔn)對不同容積的水箱有相應(yīng)的混水時間要求，200 L的水箱對應(yīng)的混水時間是6 min，按照要求的時間混水后，測得該時間段所投入的電能，然后計算混水系統(tǒng)的附加誤差?？紤]到混水系統(tǒng)管路的蓄熱以及漏熱量等會對結(jié)果造成一定的影響，所以本次測試中對附加誤差進(jìn)行了補(bǔ)償系數(shù)的計算，作為最終的計算結(jié)果。

本次測試中附加誤差的最終結(jié)果為0.81%，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定當(dāng)附加誤差0.5%＜δ≤1.0%時，需根據(jù)公式4的要求對實測值進(jìn)行修正（水的比熱容值取4186，單位為J/kg·k），修正后的結(jié)果整理詳見表1。

表1 混水系統(tǒng)附加誤差及水溫修正結(jié)果

式中：

T2-修正后水箱加熱后的平均水溫，單位為℃；

EL-混水系統(tǒng)熱損耗標(biāo)定，恒定水溫補(bǔ)償輸入的電能，單位為kW·h；

η-電加熱效率；

V-水箱容積，單位為L。

5 結(jié)論

熱損耗標(biāo)定系統(tǒng)是基于新版標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2020附錄C的要求開發(fā)設(shè)計，旨在輔助混水裝置附加誤差的分析和確定，完善靜態(tài)加熱式熱泵熱水器制熱量測試流程。

通過在保溫性能、漏熱量計算、附加誤差計算分析可知，相關(guān)參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，該裝置的提出可為靜態(tài)熱泵熱水器的性能測試提供良好的設(shè)備支撐和技術(shù)手段。