水源热泵热回收特性测试系统设计及实验数据分析

邵丽国，陈熙，贾甲

（1-格力电器（合肥）有限公司，安徽合肥 230000；2-合肥通用环境控制技术有限公司，安徽合肥 230000）

水源热泵热回收特性测试系统设计及实验数据分析

邵丽国*1，陈熙2，贾甲2

（1-格力电器（合肥）有限公司，安徽合肥 230000；2-合肥通用环境控制技术有限公司，安徽合肥 230000）

水源热泵是利用地表浅层水所储藏的太阳能作为冷热源，进行热量转换的空调技术。本文介绍了一种专门检测水源热泵的热回收性能的实验装置，对测试原理、系统设计、实验方法进行了详细阐述。通过对样机进行实验测试，计算分析了热回收的结果。研究结果表明，本实验装置在分析样机热回收性能方面起到非常重要的作用。

热回收；水源热泵；试验装置

0 引言

水源热泵技术是一种利用清洁的可再生能源的空调技术。其工作原理是：冬季，热泵机组从地源（浅层水体或岩土体）中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量转移释放到地源中，实现建筑物空调制冷[1]。目前，在人们日常生产生活中，对节能环保提出了更高的要求[2]。在夏季制冷常规中，制冷机组仅吸收低位热量，而将剩余热量通过冷凝器由水、空气等冷却介质带走。这不仅造成了能源浪费，而且增加了废热造成的热污染[3-4]。利用热回收技术的水源热泵系统，可以将压缩机排气中的余热通过热交换的形式，对系统中的冷水进行加热，储存在保温容器中，对建筑管网进行热水供应。

国内在这方面的研究多集中于热回收式水源热泵在工程设计实践中的应用，如周子晴等[5]、黄艾星等[6]、胡丽华[7]分别针对不同的工程项目对热回收水源热泵进行工程设计、节能分析。而针对水源热泵的热回收性能的专业实验装置研究较少。

本文针对水源热泵的热回收系统开发了一套实验装置，对其热回收过程进行记录，分析其在热回收方面的能效。

1 研究背景

水源热泵是目前空调系统中能效比（COP值）最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6[8]。它利用地表水吸收的太阳能，无燃烧、无CO2排放，不产生废水、废气、废渣。因此，它不会产生“温室效应”和“城市热岛效应”，是环保、节能的一种系统[9]。

机组利用热采集器回收制冷过程中冷媒蒸汽与水进行热交换时所产生的热量，既为用户空调供冷，又获取了生活热水，有效地增加了能源的使用效率。这样不仅可以回收压缩机排热，同时也对整个系统起到了预冷器的作用，能够增强制冷机组的冷却效果[10]。

传统的水源热泵实验装置可以对水源热泵的制冷情况进行测试，计算出制冷效率和功率，但尚无办法对样机的热回收性能进行评价[11-12]。

为了更好地支持热回收型水源热泵的开发、有效地评估热回收效率，本文针对热回收式水源热泵的热采集能力进行测试，在原有的水源热泵实验装置基础上进行了改造，增加了实验装置的热回收系统。该系统能够帮助厂家对热回收式水源热泵的研制、评价产热回收效率方面起到积极作用。

2 测试原理

热回收式水源热泵在压缩机的排气管路后增加了一个热采集器，铜管内的高温高压制冷剂先经过热采集器，与其中的热回收循环水进行换热，再通往冷凝器。热采集器中的水通过循环水泵与实验水箱中储水进行循环。

图1 热回收装置示意图

热回收测试系统是热回收式水源热泵实验装置的一个重要组成部分，它负责对样机热采集器的热回收性能进行评估。

在实验中，热采集器通过吸收压缩机排气热量，使热回收水箱温度从15 ℃上升到50 ℃。根据公式(1)计算热回收热水所吸收的热量[13]。

式中：Q——系统中水所吸收的总热量，J；

c——水的比热，记为4,200 J/(kg·℃)；

m——系统中水的质量，kg；

Δt——实验水箱中水的上升的温度，℃。

在实验中，热回收水箱中的水从15 ℃上升至50 ℃，计录该升温过程的时间t。

因为热采集器获得的能量是来自于冷凝器。这样，对测试样机的热回收效率评价：

其中，实验装置的功率计通过采集压缩机的输入电压、输入电流、功率因数，计算出压缩机输入功率，最后通过计算机计算压缩机功率对实验时间t积分，得到实验期间压缩机所作的总功W压缩机。

3 系统设计

在水源热泵实验装置的基础上，对该实验装置进行了改造，增加了热回收测试系统，更新了测试软件。为了保证实验数据的可靠性，应尽可能保持蒸发器、冷凝器侧进水的温度和流量稳定。

由于热回收系统会吸收原有的样机测试系统的能量，从而拉低原系统恒温水箱中的水温。这样会影响蒸发器、冷凝器侧进水的温度。为了解决这个问题，本研究在原实验装置的恒温水箱处根据热采集器回收的热量大小对应增加了一组电加热，保证水箱中的水温相对稳定。利用数字调节表，输入铂电阻所采集的恒温水箱温度，输出(4～20) mA信号调节电加热调功器的输出，对电加热输出进行控制。

实验水箱采用一个半径为0.8 m、高为5 m的圆柱形保温水箱。水箱上有20个温度测点接口，共6层，每层间距为75 cm，每一层放置4个测点接口均匀分布于圆面。系统提供8个铂电阻，实验时分别插入水箱不同部位，估算水体整体温度。当热回收系统循环水使用较长时间后，会含有各种杂质，笔者在水箱循环管路处增加过滤器过滤杂质，以避免损害循环水泵。出口2位于实验水箱的最底部，打开蝶阀8、9可以进行排水，定期对过滤器进行清洁。

打开蝶阀1、2，通过水泵向水箱中泵入7 ℃冷冻水。由于水源热泵刚开始运行的时候，冷凝器开始制热到正常程度需要一个过程，才能达到一个相对稳定的制热功率。而恒温水箱中的水从7 ℃上升到15 ℃的过程，正好为样机预热提供了一个很好的缓冲期。

实验开始时，首先打开蝶阀3、4、5、6、7、8、9，关闭蝶阀1、2、10、11，将循环水箱和热回收循环系统中的水放完。然后，关闭蝶阀10、11、4、9，打开蝶阀1、2、3、5、6、7、8。从蝶阀3所在管路外接热回收补水系统。开启循环水泵，通过流量计测量循环水的流量，将流量信号输入流量积算控制表，得到输入循环系统中总水量。我们在流量积算器上输入期望热回收系统总水量，当达到设置值时，累积表发出报警信号，自动关闭补水电子阀和循环水泵。

如图2所示，蝶阀5与电子阀并联在流量计之前的管路上。由于电子阀的流量较小，虽然有利于保证水量累积精度，但是注水速度过慢。为了快速注水又同时精确累积，可以在开始注水阶段打开蝶阀5，增加进入水箱中的水流量；当接近目标值的时候关闭蝶阀5，打开电磁阀，只通过电子阀向水箱内缓慢注水。

图2 系统流程图

关闭蝶阀3、4，打开蝶阀1、2、10、11，通过两根金属软管将热回收式水源热泵接入系统，此时系统中打开蝶阀5、6、7、8，使实验装置和实验样机形成闭合水回路。本实验装置通过数字调节表控制热回收实验系统中的循环水流量。数字调节表的输入信号为流量计测量的水流量，输出(4～20) mA信号控制变频器输出，最终通过变频水泵的转速快慢实现对循环水流量的闭环控制。

整个实验过程中，功率计对压缩机的电压、电流、功率因数、功率进行实时测量，并且将数据传输到计算机中，通过测试软件对电量数据进行记录。数据采集器记录8根水箱温度铂电阻并传输到计算机中。测试软件对水箱温度进行平均计算，当水箱平均温度到达50 ℃时，实验结束。

4 样机实验

本实验样机采用热回收式水源热泵，工况为名义制冷与热回收工况。水箱内水体积为2 m3，循环水流量为12.5 m3/h。实验从13:03开始，水箱平均温度为15 ℃，20:07结束，水箱平均温度为50 ℃，历时424 min。软件对压缩机功率进行积分，再除以实验时间，计算出的压缩机平均功率P压缩机= 54.68 kW。

整个实验过程中，热回收的总热量为：

在计算热回收效率时，将分子、分母同时除以t实验时间。热回收效率计算结果如下：

热回收水箱温度随时间变化如图4所示。

通过变频器对循环水泵设置不同的转速，可以使循环水流量发生改变。通过不同的流速调节，可以得到该热回收式水源热泵系统不同的COP值。

图3 热回收实验装置

通过研究发现，水源热泵的热回收性能与热回收系统的水流速有关，系统COP随水流速变化呈现出先增大后减小的趋势。因此，在实际使用中，找出使COP最大的循环水流速至关重要。分析原因可知，当水流量达到峰值之前，水流量小，换热充分，换热量随水流量增大而增大；当达到换热量峰值后，由于水流速过快导致循环水换热不充分，换热量不再随水流量增大而增加。而循环水泵的功率却在不断增加。所以，整个系统的COP达到峰值后随水流速的增加而下降。

5 结语

通过对原有水源热泵实验装置进行改造，增加了热回收系统，对样机的热回收过程进行监控。通过厂家对样机的测试，实验结果表明本实验装置可以较好地满足厂商在水源热泵热回收节能技术方面的研发、检测需求。

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System Design and Experimental Data Analysis on Heat Recovery Performance Test of Water Source Heat Pump

SHAO Li-guo*1, CHEN Xi2, JIA Jia2
(1- GREE Electric Appliance (Hefei) Co., Ltd., Hefei, Anhui 230000, China; 2- Hefei General Environment Control Technology Co., Ltd., Hefei, Anhui 230000, China)

Water source heat pump is air conditioning technology to convert the heat by using solar energy stored in the shallow water as a cold heat source. A test device for investigating the heat recovery performance of water source heat pump was introduced, and the testing principle, system design as well as the testing method were introduced in detail. Through the testing experiments on the prototype, the heat recovery results were calculated and analyzed. The research results show that, this test device has a significant effect for analyzing the heat recovery performance.

Heat recovery; Water source heat pump; Test equipment

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.208

*邵丽国（1979-）男，工程师，学士，研究方向：商用空调性能测试和质量标准。联系地址：安徽省合肥市高新区铭传路208号，邮编：230000。联系电话：0551-65739214。E-mail：zkbhf@cn.gree.com。