靜態及循環加熱式熱泵熱水器制熱量測試方法實驗研究

鮑 宇 黃 旭 翁文兵

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靜態及循環加熱式熱泵熱水器制熱量測試方法實驗研究

鮑 宇1黃 旭2翁文兵2

（1.寧波奧克斯空調有限公司 寧波 315000；2.上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093）

針對國家標準GB/T 23137-2009中對靜態及循環加熱式熱泵熱水器制熱量采用水箱混合法測試計算存在的誤差問題，提出一種高精度、穩定性更好的檢測方法—排水檢測法。為驗證其準確性，搭建基于排水檢測法的靜態及循環加熱式熱泵熱水器檢測系統，用自標定法與電熱標定法對系統進行標定。采用標定后的檢測系統，對KF70-150LS型靜態加熱式熱泵熱水器進行樣機試驗。研究結果表明：采用排水檢測法，系統自標定結果和電熱標定結果最大偏差分別為0.43%和1.11%，兩者均表明排水檢測法準確度較高。樣機試驗結果表明KF70-150LS型靜態加熱式熱泵熱水器機組功率為891W，制熱量為3500W，COP可達3.93。

熱泵熱水器；制熱量；排水檢測法；國家標準

0 引言

隨著空調技術在應用領域的擴展，采用熱泵技術的家用熱水器以其高效節能的特點迅速占據市場[1-3]。為了規范市場，我國在2009年發布了GB/T 23137-2009《家用及類似用途熱泵熱水器》[4]，該標準提供了一次加熱式、靜態加熱式、循環加熱式三種類型的熱泵熱水器的制熱量檢測方法，其中靜態和循環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行測試，但由于市場上的靜態及循環加熱式熱泵熱水器的水箱都是機組標配，且靜態加熱式的水箱內還有機組系統盤管，測試時不能采用標準水箱代替，所以在實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，標準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，實際難以實現[5]；（2）采用混合水泵對水箱的水進行混合，在混合過程中水泵的機械能轉為水的熱量，勢必造成熱量的損失或增加，該變量很難計算；（3）標準要求水箱溫度為水箱的平均溫度，但實際測試中因機組在加熱過程中水箱內的水會產生溫度分層[6,7]，故很難確定水箱的平均溫度，只能通過水箱測點溫度估計水箱溫度[8]，距離實際平均水溫有差值；（4）標準對水箱自身的吸熱沒有進行考慮，但實際水箱是存在吸熱現象，且吸熱數值隨著水箱大小和內部材料差異而不同；（5）由于盤管的存在，實際中水箱內的水排不凈，并且水箱上部存在空氣墊，測試中水箱內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、水量偏差都會造成制熱量、COP的測試偏差和復現性差的問題。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及循環加熱式熱泵熱水器檢測系統，對該系統進行自標定與電熱標定，驗證其準確性。最后，采用標定后的檢測系統對KF70-150LS型靜態加熱式熱泵熱水器進行樣機試驗。

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，并通過準確測量排出熱量的數值，從而計算出機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

熱泵機組的制熱量計算式為：

=/（1）

=E+E-E （2）

式中，為熱泵機組制熱量，kW；為機組運行的時間，s；為機組加熱過程提供給水箱的熱量，kJ；E為水箱內水的總熱量，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組運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、機組運行過程、排水測試過程。

1.1 水箱加水過程

當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水的平均溫度。在實際過程中，恒溫水本身存在溫度不均勻的問題，被測水箱較大時，開始加注至結束加注時的水溫是變化的。本文設計采用多點累計計算水箱水溫的方法，該方法基于不同溫度的水混合后的熱平衡原理。采用計算機定時采集進水溫度和進水水量，從加注開始到加注結束，等時間間隔采集的數據次。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，加入水箱內水的總質量，kg。

1.2 機組運行過程

在加水完成后，機組開始運行，對水箱中的水進行循環加熱。機組的功率采用積分的方式采集，并開始記錄運行時間，當水箱測點溫度達到55℃時，機組運行完成。

1.3 排水法測試過程

1.3.1 水箱內水的總熱量

從開始排水到結束排水，計算機定時采集水箱進水溫度、出水溫度、排水量，采集次數為次，則采用排水檢測法測得水箱內水的熱量為：

式中，E為水箱內水的總熱量，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，水箱在第次采集時出水溫度，K；進i為排水過程中，水箱在第次采集時進水溫度，K。

1.3.2 排水完成后水箱平均水溫與機組運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組運行前水箱的平均水溫有偏差，則對制熱量計算會產生一個偏差，偏差熱量計算式如下：

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個大氣壓左右，當機組運行后，水箱內水被加熱完成，水箱內的水由于溫度提高，壓力增加，排水瞬間水箱內水會被擠出水箱，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流量計。在排水時，先打開排水閥，將水箱內壓力平衡，通過流量計測出此過程中排出水量，并記錄出水溫度，從而計算排出的水的熱量。

式中，E為水箱壓力釋放過程中排出水的熱量，kJ；T為機組運行前水箱平均水溫度，K，由（3）式計算；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 靜態及循環加熱式熱泵熱水器試驗系統

2.1 系統組成

試驗系統由恒溫水系統、環境工況室、測試水循環系統、檢測系統、檢測軟件五個部分組成，系統結構圖2所示。

1.水箱；2.4.11.19.鉑電阻；3.自動排氣閥；5.排水閥；6.17.流量計；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.自來水進口；16.20.水泵；18.加水閥；23.冷水機組；24.熱泵熱水器

恒溫水系統用于制造檢測用的恒溫水，由自來水進口13加入自來水，熱泵機組23對恒溫水箱10內水進行循環加熱，電加熱12控制水溫在所需范圍之內，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17和進水口鉑電阻19采集水箱進水量與進水溫度；排水過程中，首先打開排水閥5，通過流量計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，并通過進出口流量計與鉑電阻記錄排水量與進出口水溫，為防止恒溫水箱中水溫不穩定，排出的水從下水道出口9排出。

2.2 測點布置

系統測點布置主要包括溫度測點布置、流量測點布置、電工參數測點布置。溫度測點包括內外側工況室干濕球溫度、恒溫水箱溫度、被測試水箱進水溫度、出水溫度、被測水箱測點溫度，共8個溫度檢測，采用四線制Pt100溫度傳感器進行檢測；流量測點包括水箱進出水口兩個測點，采用電磁流量計檢測。流量計的模擬信號接入PID控制器和數據采集儀，脈沖信號接入PLC控制器，由PLC控制器計算累計流量，然后將瞬間流量和累計流量數據傳入計算機，由計算機根據水的特性方程計算水的質量；電工參數測點采用帶有積分功能電參數儀，主要檢測機組運行時耗電量與功率，精度要求為0.5%。

2.3 測試步驟

2.3.1 系統自標定

利用裝置本身的恒溫水系統，先將恒溫水箱內的水溫升至50℃，溫度穩定后，將水注滿熱水器水箱，在加注過程中，計算機定時采集熱水器水箱進水溫度和進水水量，以15℃為基值，計算加入熱水器水箱內水的熱量。

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

水加注滿水箱后，將恒溫水箱內水溫降至 15℃，穩定后，立即采用排水法測試，計算水箱內水的熱量，理想狀態下＝E。

2.3.2 系統電熱標定

如圖3所示，采用一個管道加熱器20，最大功率為6kW，將恒溫水箱出水口連接到加熱器的進口，加熱器的出口連接到水箱1進口，系統進口溫度傳感器19安裝在加熱器的進口處。恒溫水箱溫度設置在15℃，以0.12m3/h流量進行加水，并啟動電加熱器，電參數儀21對電加熱器進行電能積分，當水箱滿后停止加熱，此時電熱器的消耗的電能為E，然后立即采用排水法測試計算，水箱內水的熱量，理想狀態下=13.6。 。

1.水箱；2.4.11.19.鉑電阻；3.自動排氣閥；5.排水閥；6.17.流量計；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.自來水進口；16.22.水泵；18.加水閥；20.管道加熱器；21.電參數儀；25.冷水機組

2.3.3 樣機測試

采用標定后的試驗系統對KF70-150LS型靜態加熱式熱泵熱水器進行樣機試驗。測試過程分3個步驟：水箱加水過程、機組運行過程、排水測試過程。

在水箱加水過程中，水箱進水口以一定的流量從恒溫水箱加入15℃恒溫水，進水流量控制在240m3/h～360m3/h。采集進水溫度、加水水量，當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排氣閥自動完成。在此過程中可知水箱的平均水溫T、水箱容量。

當水箱加水完成后，即可進入機組運行階段。啟動機組，當機組運行至水箱測點溫度為55℃后，停止運行，通過電參數檢測即得出機組的運行數據：運行時間、耗電量、消耗功率。

機組運行停止后，進入排水測試過程。先打開水箱排水閥，平衡水箱內的壓力，檢測軟件自動記錄水箱壓力平衡過程中的排水溫度和水量，并計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，水箱進水口溫度為15℃。在進出口溫差小于±0.5℃時，開始計算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出口水溫差小于±0.5℃，此時視為水箱內的熱量全部被排出，計算即可得到該熱泵熱水器制熱量的數值。

3 實驗結果與分析

3.1 系統自標定

為驗證排水測試法的準確性，進行了兩次系統自標定。將50℃的熱水注入熱水器水箱后，用排水法計算水箱內水的熱量，自標定過程中，水箱進水溫度、出水溫度、水箱溫度隨排水量的變化趨勢如圖4、5所示。兩次自標定結果如表1所示。

圖4 第一次自標定過程中水箱參數變化

圖5 第二次自標定過程中水箱參數變化

表1 自標定結果

因為排水過程中進水溫度為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，第一次標定時，采用排水檢測法檢測的數值與基于15℃進口水溫計算的數值偏差為4.18kJ，第二次標定熱量偏差為81.08kJ，最大偏差0.43%。當熱泵熱水器機組運行時間在2小時左右時，按7200s計算，最大偏差11W，精確度較高。

3.2 系統電熱標定

在自標定的基礎上，系統進行了兩次電熱標定，用排水法檢測通過電加熱器加熱進入水箱的熱量。電熱標定過程中，熱泵水箱進水溫度、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 第一次電熱標定過程中水箱參數變化

圖7 第二次電熱標定過程中水箱參數變化

從表2中數據可知，電加熱功率越大，偏差數值也同步增大，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中可知計算最大偏差在1.11%以內，說明排水檢測法具有較高的精確性。

表2 電熱標定結果

3.3 樣機試驗

基于標定后的試驗系統對KF70-150LS型靜態熱泵熱水器進行樣機試驗，水箱排水過程中，熱泵水箱進水溫度、出水溫度、水箱溫度隨排水量的變化趨勢如圖8所示，檢測結果如表3所示。

圖8 熱泵熱水器樣機試驗水箱參數變化

表3 KF70-150LS型靜態加熱式熱泵熱水器檢測結果

從表3數據可看出，采用排水檢測法，KF70-150LS型靜態加熱式熱泵熱水器機組功率為891W，熱泵制熱量為3500W，COP可達3.93。

4 結論

本文針對GB/T 23137-2009中靜態及循環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，通過設計試驗系統得出了以下結論：

（1）對設計的試驗系統進行自標定，兩次系統自標定結果顯示最大偏差率為0.43%，以熱泵熱水器機組運行2小時計算，最大偏差為11W，說明系統準確度較高。

（2）對設計的試驗系統進行電熱標定，兩次系統電熱標定結果顯示電加熱功率越大，偏差數值越大，但最大偏差率在1.11%以內，說明系統準確度較高。

（3）對KF70-150LS型靜態熱泵熱水器機組進行樣機試驗，試驗結果顯示該樣機功率為891W，熱泵制熱量為3500W，COP可達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，專科，助理工程師，從事熱泵熱水器設計研究工作

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

2017-02-16