多功能冷熱水機性能測試系統(tǒng)的研制

李玉春,王鴻博,徐言生,陳粟宋

(順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東佛山528300)

熱泵熱水機采用逆卡諾循環(huán)原理,利用制冷系統(tǒng)的冷凝側(cè)放熱效應(yīng)來制取熱水,與各類熱水器相比,具有一定的優(yōu)勢如表1所示[1],市場前景較為廣闊。為規(guī)范熱泵熱水機的質(zhì)量檢測,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局及國家標(biāo)準(zhǔn)化委員化于2008年頒布了 《GB/T21362-2008商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機》,針對此類新型熱水機的測試系統(tǒng)研制,目前僅有文獻 [2]論及了系統(tǒng)的組成、測試方法,而對測試系統(tǒng)研制進一步論述的尚未見諸于文獻。

表1 家用熱水器性能比較

由于風(fēng)冷冷水機組,風(fēng)機盤管等在制冷量[3,4]測試過程中,也都采用一受控水溫的水源,利用進出口水的焓差及流量來測算制冷量 (制熱量),因而,開發(fā)一種既適用于熱泵熱水機,又適用于風(fēng)冷冷水機組以及風(fēng)機盤管的測試系統(tǒng)就成為了可能。

1 研制任務(wù)

本測試系統(tǒng)用戶為廣東省質(zhì)量監(jiān)督局制冷空調(diào)產(chǎn)品檢測站 (順德站),由于站內(nèi)已有空調(diào)焓差室一套,可對環(huán)境溫度在-15～45℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié),故只需在原焓差室基礎(chǔ)上增加水系統(tǒng)即可。測試系統(tǒng)按被測機制熱量在2.5～30kW之間進行設(shè)計。

2 測試系統(tǒng)水系統(tǒng)方案設(shè)計

水系統(tǒng)如圖1所示,測試系統(tǒng)共有兩個水箱W1、W2,對于一次加熱式熱水機測試,要求進水溫度在15±0.3℃,水箱容量過小易引起水溫較大波動,故采用較大水箱W1,W1中內(nèi)置電熱管,另有冷熱水源設(shè)備M與之相連,當(dāng)W1中電加熱管、冷熱水源設(shè)備產(chǎn)生的冷量 (熱量)與被測機產(chǎn)生的熱量 (冷量)以及環(huán)境漏熱量相平衡時,W1中水溫可保持穩(wěn)定。系統(tǒng)中利用電動三通閥V來調(diào)節(jié)水流量,利用T3、T4來測量被測機進、出口水溫,根據(jù)被測機的大小,自動調(diào)節(jié)水流量 (水流量由流量計G測得),使被測機出口溫度保持55±0.3℃。根據(jù)進出口水溫,水流量可計算出被測機的制熱量。

對于循環(huán)加熱式熱水機,水箱容量無需太大,為減少水箱熱慣性對測試結(jié)果的影響,采用一較小的水箱W2,在1/4水位高度和3/4水位高度上各布4個溫度傳感器,其平均值即為水箱W2中水溫。水箱置于一電子稱上,可精確稱出W2中的水量,試驗開始時,先由冷熱水源設(shè)備制取12℃左右的水,送入W2中 (此時V8打開,V4、V5截止),當(dāng)送入水量等于被測機一小時的額定產(chǎn)水量時,斷開送水泵P1,開始啟動水泵P3及被測機(此時V6、V7打開),此時,水溫逐漸上升,當(dāng)升至15±0.3℃時,開始計時,試驗正式開始,一直到水溫達到55±0.3℃時止。

根據(jù)水箱W2中水質(zhì)量,試驗起、止時水溫,試驗所用時間,即可計算出被測機試驗時段的平均制熱量。

當(dāng)被測機為風(fēng)冷冷水機組時,測試方法與一次加熱式熱水機相同,只是進口水溫為12±0.3℃,出口水溫為7±0.3℃而已。

圖1 測試系統(tǒng)水路

當(dāng)被測機為風(fēng)機盤管時,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需測試空氣側(cè)制冷量和水側(cè)制冷量,可利用現(xiàn)有焓差室的風(fēng)量測試裝置來測試風(fēng)機盤管的風(fēng)量,利用進出口空氣焓差測試空氣側(cè)的制冷量;水側(cè)制冷量測試方法與一次加熱式熱水機相同,只是進口水溫為7±0.2℃,出口水溫為12±0.2℃。

被測機 (空氣源)熱源側(cè)所需的環(huán)境溫度和濕度由原焓差室設(shè)備提供。

3 測試系統(tǒng)控制電路方案設(shè)計

控制系統(tǒng)的基本思路是利用PLC具有體積小、抗干擾能力強的優(yōu)點來進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集,利用計算機強大的數(shù)據(jù)運算與處理能力功能進行數(shù)據(jù)采集后的后續(xù)處理。系統(tǒng)見圖2,將溫度傳感器、壓力傳感器探測的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入PLC;將水流量傳感器的脈沖信號直接經(jīng)PLC自帶的計數(shù)通道接入;PLC自帶的數(shù)字輸入通道則接受來自電控柜按鈕的指令。

系統(tǒng)采用的電參數(shù)測量儀由于具有通訊功能,可由計算機直接讀取測量數(shù)據(jù)。計算機對采集數(shù)據(jù)運算處理后,形成的運算結(jié)果及控制指令返送PLC,由PLC輸出數(shù)字量控制試驗設(shè)備如泵、電磁閥、冷熱水源設(shè)備等的啟停,以及由PLC輸出控制量后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊形成模擬的控制信號 (4～20mA或0～10VDC),用于控制電動三通閥的開度或電加管的功率等。

圖2 測試系統(tǒng)電路組成

4 數(shù)據(jù)采集的抗干擾

由于試驗室環(huán)境有較多變頻器及變頻電源,故控制系統(tǒng)設(shè)計中須做好抗干擾的措施,本文測試系統(tǒng)采用了隔離變壓器,傳感器傳輸線采用屏蔽線,屏蔽層須接地良好,PLC及A/D、D/A須配備高性能的穩(wěn)壓電源,根據(jù)現(xiàn)場需要,對精度要求較高,傳輸距離過長的線路配接適當(dāng)?shù)臑V波電阻、濾波電容等。

5 數(shù)據(jù)運算與處理

采取了上述抗干擾措施后,采集的溫度數(shù)據(jù)波動仍然較大,此時,還需采用軟件濾波的方法,一般軟件濾波有中值濾波、算術(shù)平均濾波、去極值平均濾波等算法,本系統(tǒng)采用的是滑動平均濾波算法,從而使溫度波動極小,達到高穩(wěn)定性要求。

控制系統(tǒng)硬件中沒有PID調(diào)節(jié)器,因此,需利用軟件編制PID調(diào)節(jié)子程序,計算機根據(jù)溫度偏差(當(dāng)前溫度-設(shè)定溫度)值、溫度偏差值的微分項,溫度偏差值的積分項計算出當(dāng)前的控制輸出量,PID的常見基本算法有位置式、增量式以及若干改進型算法,本系統(tǒng)為避免輸出控制量出現(xiàn)較大波動,采用增量式為基本算法的改進算法,同時為使系統(tǒng)的適應(yīng)性更好,PID調(diào)節(jié)子程序還帶有自整定功能,自整定算法采用繼電器振蕩法。

6 測試界面及報表

利用采集的溫度值,流量計、功率、電流等參數(shù),按照國標(biāo)的計算公式,可計算出各種性能參數(shù),如制冷量、制熱量、單位時間產(chǎn)水量、COP等。

測試界面及測試報表生成程序采用組態(tài)軟件編寫,測試界面友好,直觀,各種設(shè)備運行狀態(tài)動畫顯示,所采集、運算生成的數(shù)據(jù)實時地顯示在測試系統(tǒng)圖中,電控柜按鈕與計算機鼠標(biāo)點擊雙重有效,報表生成后可打印、存盤,歷史數(shù)據(jù)可繪制成曲線,隨時可查。

7 測試系統(tǒng)校對

該測試系統(tǒng)于2008年10月交廣東省質(zhì)量監(jiān)督局制冷空調(diào)產(chǎn)品檢測站 (順德站)試用半年,效果良好,精度完全滿足國標(biāo)要求見表2。

表2 溫度系統(tǒng)測量精度

測試系統(tǒng)的用PT100、渦旋流量計、電參數(shù)測量儀均經(jīng)計量單位判定合格。制熱量的校對采用一電加熱管,利用測試系統(tǒng)測出電加熱管的進出水溫差及水流量,可計量出電熱管發(fā)熱量,同時也測得電加熱管的功率,可得其實際發(fā)熱量,二者相比較可得水系統(tǒng)制熱量測試的精度符合國標(biāo)要求;制冷量的校對采用風(fēng)機盤管進行,利用本測試系統(tǒng)測得風(fēng)機盤管的進出水溫差及水流量,可算出水側(cè)制冷量,再利用經(jīng)檢定合格的現(xiàn)有的焓差室對風(fēng)側(cè)的制冷量進行測試,二者相差不大于±3%,說明水系統(tǒng)制冷量測試精度符合國標(biāo)要求。

[1] 劉強,樊水沖,何珊.噴氣增焓渦旋壓縮機在空氣源熱泵熱水器中的應(yīng)用[J].流體機械,2008,36(9):68-72

[2] 高磊,李征濤,王芳.空氣源熱泵熱水機性能測試臺的研制[J].制冷空調(diào)與電力機械,2009,(5):74-77

[3] GB/T 18430.2-2001蒸氣壓縮循環(huán)冷水 (熱泵)機組戶用和類似用途的冷水 (熱泵)機組[S].

[4] GB/T 19232-2003風(fēng)機盤管機組[S].