地源热泵系统的能效测试及故障诊断的探讨

余意 李玉云 陈焰华 蒋修英 马勇 胡先芳

地源热泵系统的能效测试及故障诊断的探讨

余意1李玉云1陈焰华2蒋修英3马勇1胡先芳1

1武汉科技大学城市建设学院
2中南建筑设计院
3中信建筑设计研究总院有限公司

为提高地源热泵能效测试的科学性和准确性，论文根据能效测试的原理及方法，讨论了测试仪器的选型、安装、测点布置的要求，给出了如何根据现场具体情况诊断仪器及工艺系统的故障，并给出了故障原因及排除故障的方法。

地源热泵能效测试故障诊断

地源热泵系统从勘测、设计、施工到调试涉及多个单位，使得地源热泵系统在应用效果方面存在一定程度的不确定性。因此，科学合理地对地源热泵系统能效进行测试、评价，获得尽可能接近真值测量结果，对于提高地源热泵系统能效，规范地源热泵行业发展具有重要的作用。本文以武汉地源热泵系统能效测评为案例，探讨地源热泵系统能效测试及故障诊断。

1测试原理

地源热泵与系统的能效分别用热泵机组制冷/制热性能系数与典型季节热泵系统能效比描述，计算式分别见式（1）、式（2）[1]：

式中：COP为热泵机组的制冷/制热性能系数；Q为测试期间机组的平均制冷/制热量，kW；NI为测试期间机组的平均输入功率，kW；V为热泵机组用户侧平均流量，m3/h；t1、t2为热泵机组/系统用户侧进出口水温度，℃；ρ为冷（热）水平均密度，kg/m3；C为冷（热）水平均定压比热，kJ/(kg·℃)；COPS为典型季节热泵系统能效比；ΣN2为测试期间地源侧、用户侧及热回收水泵（对应热回收系统）所耗电量。

2测试仪器选型、安装及故障诊断

热泵系统能效测试方法按时间分类有短期法与累计法，第三方测评一般采用短期法，因此，所用仪器一般采用便携式。测试仪器选型主要考虑测试仪器的型号、精度、测量范围、可靠性、被测介质的物理化学性质以及经济性。分别选用铂电阻温度计、超声波流量计、电力谐波分析仪测量温度、流量和功率，所选设备均满足《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》中对测试仪器的精度要求。

2.1温度计的安装

1）测点布置：测试机组的性能系数，为了减少流体在管道中的温度损失，使测量的温度尽量接近机组进出口的真实温度，温度探头的安装需尽量靠近机组进出口管道；测试系统能效，首先要保证所测量的回水温度是用户侧的总回水温度，不应是回水与旁通水的混合温度；其次是测点尽量靠近用户，但由于管道隐蔽布置，难以做到，一般是测量机房回水母管的温度。

2）仪器安装：采用表面粘贴式安装铂电阻，还要保证铂电阻与被测管道接触良好，其一是通过对管道打磨保持与传感器接触部分清洁，减少热阻，并通过耦合剂使传感器与管道接触，加强换热效果；其二是通过捆绑使传感器与管道充分接触，避免中间聚集空气；其三是做好测头保温，避免受环境温度影响。实际操作时将测点打磨至光亮，铂电阻温度探头用偶合剂硅脂或黄油涂抹均匀、无杂质及小气泡产生后，把探头牢牢地贴在管壁上，恢复管道保温层的门型开口并紧紧地固定住温度探头，此时需注意保证温度探头没有挪离打磨点，然后用胶带等固定，见图1。

图1温度传感器安装

测试过程中常见的故障是测试温度偏高及温差偏小。因此，测试期间，务必要与机组本体安装的温度传感器显示的温度、温差比较，其目的是判断传感器

安装是否正确以及系统是否串水。

2.2流量计的安装及故障诊断

2.2.1流量计的安装

1）工艺管道。选择充满流体的材质均匀质密、易于超声波传输的管段，如垂直管段（流体向上流动）或水平管段。

2）了解现场地源热泵系统的管道布置，合理选择测点及安装方式。在实际应用中，安装方式大多采用单声道安装方法（Z法或V法），选择安装方式是根据管道直径，当D＞300mm的管道采用Z法安装[2]。要减小流量测试误差，根据超声波测试原理，传感器所测的流速基本稳定且能代表管道的实际流速，因此，管道测点布置要满足文献[3]中传感器对工艺管道上下游距离的要求。

3）管道直径。考虑到管道加工问题以及设计、施工管理问题，对管道直径的确定方法：第一是根据施工设计图纸确定管道直径及相应的壁厚；第二是向项目管理运行人员了解管内壁衬里材料及厚度，以及根据运行时间判断管壁内结垢情况；第三是实际测量管道直径，并从管道尺寸规格表中查询相应的管道直径及管壁厚度，要多点测量取其平均值。根据以上三步骤确定，并将正确的管道直径、壁厚、材质及衬里加上结垢厚度一起输入到流量计主机使其准确计算出探头安装距离。

图2超声波流量计安装

4）传感器安装。传感器的安装间距增加/减少1%，测得的流量增加/减少1%[4]；其二是传感器的纵向边缘必须与管道轴线平行，夹角偏离1°将会引起1.7%的流量误差[4]；其三是管道内径误差±1%，会带来±2%的流量误差[5]；其四是不能测量含有气泡或体积较大的固体颗粒的液体。准确安装是测量流体的实际流速——即是保证获得实际流量值的关键。测量点管壁应打磨光亮、无较深的麻坑，打磨面积约为探头面积的3倍，严格按流量计计算出的安装距离安装传感器。一般在水平管道上布置测点概率最大，对于水平管路，探头应安装在水平中心线的±45°范围之内，且两个传感器必须安装与管道轴线平行，要将探头所用偶合剂硅脂或黄油涂抹均匀、无杂质及小气泡产生，把探头牢牢地贴在管壁上，用布带或钢带固定探头，见图2。

2.2.2故障诊断

1.2 方法 2015年选取栽植15株树，3株1个小区，5次重复，萌芽前（山东烟台地区4月中旬），将发枝素与水按1∶1的比例混匀，用毛刷涂抹幼树主干，涂抹范围为幼树顶部剪口向下10 cm处至离地面60 cm区域，第2年对幼树上部新生主干用同样的方法涂抹。2016年萌芽前，对主干上抽生分枝涂抹促花剂，方法是将促花剂与水按照1∶1的比例混匀，用毛刷涂抹分枝。对照不作任何处理。

测试过程中，常见的故障是超声波流量计无接收信号或者流量偏大、偏小，其中流量偏小是最常见的。引起这种故障的原因主要有：仪器故障、管道部分阀门开度太小、串水、管道气堵、系统缺水、过滤网堵塞等。

1）超声波流量计无接收信号。该类故障主要是仪器的安装引起，排除故障的方法是，检查测点的布置是否符合流量计安装的要求，以及参数的输入是否正确；其次，需特别注意的是管道材质、探头的安装形式、管道是否有内衬等的输入是否准确；其三，判断管道打磨、涂抹偶合剂是否满足要求，如果传感器与管道不能良好接触，超声波流量计无接收信号。

2）流量偏小的故障。在确认仪器的安装、测点的布置、参数的输入都准确无误的情况下，应对系统进行检查分析。根据H=SQ2，管道阀门开度太小、过滤网堵塞都会引起流量偏小，对管道的阀门、过滤网进行检查，末端阀门是否完全打开，同时，还应关闭不运行机组和水泵的进出口阀门，防止旁通水导致的水流量减少。如果问题还得不到解决，此时就应考虑系统是否缺水或管道中是否混杂着大量气泡（在实际测试过程中此类问题引起流量偏小最为常见）。

3）系统缺水故障。系统是否缺水可根据膨胀水箱中的水位判断，膨胀水箱一般设在系统的最高点，起着膨胀、补水、排气等作用。由于不重视调试工作，该类故障在现场也常见。

4）管道中混杂着大量气泡可根据水泵出口压力和最高点的排气阀进行判断，如果管道中有气泡，水泵出口压力表指针不稳定，摆动幅度较大；或水泵进出口压力表压差较小，此时，应对管道最高点的排气阀进行手动排气，并对系统进行补水。

5）系统串水或者旁通。系统串水或者旁通造成机组能效较低的现象在测试过程中也经常遇到。第一种情况：一些空调主机房的操作人员开机时，未将不运行机组蒸发器上的进出水阀关闭，造成一部分冷水从不运行的机组蒸发器旁通，影响工作状态下机组的制冷效果。判断此类故障可根据H=SQ2，无论是管段、阀门附件、或是设备，其进出口两端压差与通过的流量之间为二次函数关系，机组蒸发器的内部构造（流程数、流通截面、流程长度等）是固定不变的，不可能像阀门那样可以改变流量特性曲线，所以蒸发器或冷凝器进出口两端压差的大小，间接说明了通过的流量大小。排除故障的方法是关闭不运行机组的进出口阀门即可正常运行。第二种情况是，冬夏转换阀泄漏量大，地源水泄露进入冷冻水管（制冷工况），导致冷冻水供水温度升高，供回水温差减小，系统能效降低。诊断该类故障的方法是将总管供水温度与机组出口温度比较，但要注意排除温度计故障，解决办法是更换阀门。

6）流量偏大的故障。第一种情况是，循环水泵选型偏大，管道直径偏大，导致循环水流量偏大，供回水温差减小，水泵耗电量增大。第二种情况是，传感器安装位置不正确，没有把传感器安装在用户侧的管道上，或者安装在机房侧，又没有关闭供回水总管的旁通管，所测流量为供回水旁通流量和用户回水的混合流量。两种情况都会导致能效测试偏大或偏小。

耗电量的测量相对流量、温度的测试要简单许多，测量误差也相对较小、较稳定，但测试过程中有几点需注意以下几点：

1）配合现场测试的设计、施工及运行人员一般对冷热源系统的设备配电柜不清楚，经常误导，能效测试人员必须根据设备额定电功率仔细比对测试结果，确认各台机组、水泵对应的配电柜便于准确接线测量。

2）在测试前，用试触法或根据设备的额定参数初步估算导线中电流的大小，确定电流传感器的形式（钳形电流传感器与可弯曲式钳式传感器），合理选择测试仪表的量程。

3）电力谐波分析仪有7根接线（三相四线），必须相位正确，才能记录，在设备未运行的情况下，无法进行相位自检测，待设备正常运行时进行相位检测，保证电流、电压相位的一致性。

4）测试前应注意设置数据的自动保存（2～5分钟保存一次数据），测试完成后应确认数据已经存储，然后关闭仪器（先拆除电压传感器，后拆除电流传感器，最后关机）。

3结语

根据上面的分析讨论，可得出以下几点：

1）地源热泵能效测试是一个系统工程，包括测量方法选择、仪器的选型、安装以及工艺管道的布置。选型包括仪器型号、准确性、测量范围，短期能效测试仪器一般选择便携式，温度、流量传感器采用粘贴式。

2）通过能效测试，还能诊断冷热源系统的故障，并给出了诊断、排除故障的方法。例如，串水、旁通、阀门、管道气堵、系统缺水、过滤网堵塞以及设备、管道选型等。

3）通过传感器与管道充分接触，流量传感器安装在流体相对稳定的管道上等措施来提高测试的准确性。

[1]徐伟,孙峙峰,何涛,等.《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》解读—检测程序·测评标准·测试方法[J].建设科技,2009, (16):40-45

[2]薛梅花,高建杰.超声波流量计安装中应注意的问题[J].工业计量,2004,14(5):55-56

[3]郑海军,陈健.超声波流量计对在线流量计的比对测试方法探讨[J].电站系统工程,2005,21(1):64-65

[4]何明武,张明理.超声波流量计测量误差分析与校验[A].见:中国科协2005年学术年会分会场—企业计量测试与质量管理[C].2005,457-463

[5]胡江顺,何松杰.管道参数对便携式超声波流量计测量的影响[J].计量技术,2001,(9):7-8

Ene rgy Effic ie nc y Te s ting of Ground Sourc e He a t Pum p Sys te m a nd Dis c us s ion of Fa ult Dia gnos is

YU Yi1,LI Yu-yun1,CHEN Yan-hua2,JIANG Xiu-ying3,MA Yong1,HU Xian-fang1
1 College of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology
2 Central South Architectural Design Institute
3 CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co.,Ltd.

In order to improve the scientificity and accuracy of ground source heat pump energy efficiency testing,the paper discusses the principles and methods of energy efficiency testing,the requirements of the testing instruments’selection and installation and the arrangement of measuring points.The paper shows how to diagnosis instruments and process system failure according to the concrete situation on site,and points out the methods of systematic troubleshooting and fault elimination.

ground source heat pump,energy efficiency,test,fault diagnosis

1003-0344（2014）05-064-4

2013-7-12

余意（1989～），男，硕士研究生；武汉市雄楚大道199号武科大洪山校区（430070）；E-mail:1091025991@qq.com