熱泵熱水器能效檢測試驗臺的研制與應用

姜敬德，李 敏，王睿智

（上海出入境檢驗檢疫局機電產品檢測技術中心，上海200135）

1 前言

開發的熱泵熱水器能效檢測試驗臺是專門用于檢測各種熱泵熱水器工作過程中能效系數的設備。試驗臺系統自帶大功率電熱元件和冷水機組，分別用于冬天和夏天檢測時調節系統初始工作狀態以便滿足標準要求。整套機組按照 《商業和工業用及類似用途的熱泵熱水機》標準要求設計制造，并用于按照上述標準檢測相應熱泵熱水器工作室的能效系數。

2 工作原理及系統結構

根據 《商業和工業用及類似用途的熱泵熱水機》標準要求測試多次循環熱泵熱水器的能效系數。被測試多次循環熱泵熱水器的額定制熱水量為70～500L／h。

按照上述標準的要求，多次循環熱泵熱水器能效系數的檢測初始條件為：環境溫度20℃，環境風速不大于0.5m／s，保溫水箱內水溫初始值為15±0.5℃；然后使用熱泵熱水器循環加熱水箱內存水，直至其溫度達到55±0.5℃；記錄熱泵的進水溫度、出水溫度、被加熱水的體積、加熱時間以及耗電量；最后使用標準規定的公式計算出熱泵熱水器的能效系數。

根據上述測試要求和流程，本系統主要由不銹鋼保溫水箱、冷水機組、流體加熱系統、流體循環攪拌系統、傳感器、控制系統、移動車組成。系統的結構框圖參見圖1，系統具體機械結構圖參見圖2。

2.1 不銹鋼保溫水箱

長方體保溫水箱用于承裝檢測試驗過程中所用的清水。箱體材質為304不銹鋼冷軋薄板，通過氬氣保護焊方法加工而成。保溫隔熱措施沒有采用常用的聚氨酯發泡工藝 （因聚氨酯發泡隔熱層使用時間長了以后容易膨脹導致箱體變形），而是用了兩層箱壁之間添加隔熱棉的措施以避免箱體使用中變形。箱體側壁上開有與冷卻機組進出水管相連的進液管路和回液管路以便將箱內介質引出箱外通過冷卻機組冷卻，該兩段管路出口處安裝了兩只不銹鋼電磁閥，測試過程中處于截止狀態，同時閥門及管路外包保溫材料，避免使用過程中與外界發生過多的熱交換而導致過大的測試誤差。箱體上還安裝不銹鋼放液閥、不銹鋼空氣濾清器、不銹鋼液位計、不銹鋼高低液位繼電器、溢流管等。其中不銹鋼高低液位繼電器用于遠程指示箱體內介質的液位高低控制，特別是液位過低時，它可控制系統自動停泵以避免系統損壞。

2.2 冷水機組

冷水機組主要用于將保溫水箱內的清水介質冷卻到試驗要求的初始溫度值15±0.5℃。系統主要制冷部件為1臺進口全封閉渦旋式壓縮機，它使用一臺離心式水泵將保溫水箱內的清水介質抽出后流經蒸發器使其得以冷卻而溫度下降，制冷劑吸收的熱量最后在鋁翅片套銅管式冷凝器中釋放并通過大流量外轉子軸流風機散發至周圍大氣中。機組自帶數顯微電腦溫度控制器，具有溫度異常、電源逆相、高低壓故障、壓縮機過載、壓縮機過熱、水泵過載、低水位警報和電路短路等報警和保護功能，主要元器件為進口或合資產品。

2.3 流體加熱系統

考慮到冬天試驗時，機組所在地的環境溫度可能為0℃或以下。故設備中配套安裝一套流體加熱系統用于將溫度過低的清水介質加熱到試驗要求的15±0.5℃。主加熱元件為304不銹鋼電加熱器，安裝在保溫水箱箱體側壁上，其功率選為15kW，這樣可以使得保溫水箱內的存水在30min左右的時間內達到15±0.5℃。在控制系統中另為該電加熱器配備一臺調功器和PID調節器以便根據箱體內清水的具體溫度確定所需要的電加熱功率，確保試驗介質的溫度及其精度滿足測試要求。

圖1 熱泵熱水器能效檢測試驗臺系統結構

圖2 熱泵熱水器能效檢測試驗臺正面視圖

2.4 流體循環攪拌系統

流體輸送系統由不銹鋼水泵、各類閥門和過濾器等組成。

按照標準要求，測試過程中循環水泵的標稱流量應不小于水箱有效容積的1／2。故本系統內配備了一臺不銹鋼循環水泵用于從水箱內抽取介質，供應試驗中被測試的熱泵熱水器。水泵額定參數選為流量7m3／h，揚程33m，功率1.5kW。

不銹鋼過濾器用于過濾介質中可能含有的固體顆粒，盡量保持介質的潔凈度以延長后續各類閥門的使用壽命，其過濾精度按照40～50目選擇 （約為13～38μm），流量按照泵的最大流量的2～3倍選擇以提供盡量長的系統使用時間，減少系統維護頻率。

本系統內使用的管路均為304不銹鋼無縫管路，耐壓性能滿足系統水泵的最大輸出壓力要求。為保證管路的聯接密封效果，使用焊接法蘭連接，焊接時使用氬弧焊焊接。接頭連接時使用密封墊密封或成型的金屬密封。

系統內使用的閥包括高壓球閥、安全閥等。

不銹鋼高壓球閥用于輸送管道的開關控制，其上帶有閥門狀態指示開關，水泵開啟前如果閥門處于關閉狀態，系統會自動報警。

不銹鋼安全閥主要用于系統工作時限制系統的最大工作壓力，防止系統萬一發生超壓時產生設備損壞或人身傷害事故，其設定壓力選為系統最高工作壓力的1.1倍。本系統內使用彈簧起跳式安全閥，該閥的閥芯在系統超壓時能夠自動起跳，卸除系統內的高壓壓力。

系統內使用耐振電接點壓力表來顯示系統內壓力，并與控制系統聯動，起到保護作用。壓力表材質為304不銹鋼。

2.5 傳感器

傳感器一個是Pt100水溫傳感器，用于將系統內的水溫信號轉變為電信號，輸送到控制系統內以便檢測保溫水箱內的水溫，并配合控制系統完成試驗的開始和結束控制。另外兩只Pt100水溫傳感器用于檢測熱泵進水口和出水口的水溫并發送至數據采集系統處理。

另一個傳感器是配備RS232數字接口的臺式電子秤。它負責稱量保溫水箱內儲存的清水介質的質量并將其轉換成數字信號送往數據采集系統以便進一步處理。

第三種傳感器是配備RS232或485數字接口的數字電度表，它負責測量熱泵熱水器在被測過程中消耗的電量并轉換成數字信號送往控制系統供處理。

2.6 控制系統

本控制系統包括設備內使用的強電和弱電控制。主控元件為一臺小型計算機，配合進口PLC及空氣開關、接觸器、繼電器和調功器等電器元件完成系統的控制功能。

計算機內安裝數據采集軟件，配合USB接口的數據采集板卡完成水溫、水箱重量的數據采集并通過控制軟件完成數據和測量曲線的顯示，試驗結束時，完成熱泵熱水器能效測量結果的計算和顯示。系統可將采集到的試驗數據存儲為數據文件供備查。

2.7 移動車

為方便設備的安裝調試及運輸，本機組全部設備安裝在一個可移動并可鎖定的車架上，車架上罩有一個基本密閉的罩殼。罩殼四周開有用于維護和檢修用的門，頂部也設有可開啟的蓋板并可支撐。罩殼的一端設有水箱進出液管道和閥門，另一端有輸出管道和閥門接口。

3 系統性能參數

最大工作壓力：0.33MPa

設計壓力：1.0MPa

最大輸出流量：7m3／h

最大加熱功率：15kW

最高流體溫度：55℃

輸出回路數：1路

過載保護壓力：0.4MPa可調

機組功率：≤17kW

電源要求：22kW，AC380V，50Hz，三相

外形尺寸與重量：長2050mm，寬1100mm，高1450mm，850kg（不含工作介質）

4 總結

國家對于熱泵熱水器等產品的安全性越來越重視，對于要擴展熱泵熱水器能效測試能力的第三方實驗室以及企業實驗室來說，如何建造滿足標準要求的熱泵熱水器能效檢測試驗臺是個重點。本課題研究的熱泵熱水器能效檢測試驗臺能很好的滿足標準的檢測條件要求，并達到高精度控制、運行平穩有效、節約能耗的特點，對于第三方實驗室以及企業實驗室是很好的參考價值，在以后的熱泵熱水器的能效檢測領域有很好的應用價值。