静态及循环加热式热泵热水器制热量测试方法实验研究

鲍 宇 黄 旭 翁文兵



静态及循环加热式热泵热水器制热量测试方法实验研究

鲍 宇1黄 旭2翁文兵2

（1.宁波奥克斯空调有限公司 宁波 315000；2.上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093）

针对国家标准GB/T 23137-2009中对静态及循环加热式热泵热水器制热量采用水箱混合法测试计算存在的误差问题，提出一种高精度、稳定性更好的检测方法—排水检测法。为验证其准确性，搭建基于排水检测法的静态及循环加热式热泵热水器检测系统，用自标定法与电热标定法对系统进行标定。采用标定后的检测系统，对KF70-150LS型静态加热式热泵热水器进行样机试验。研究结果表明：采用排水检测法，系统自标定结果和电热标定结果最大偏差分别为0.43%和1.11%，两者均表明排水检测法准确度较高。样机试验结果表明KF70-150LS型静态加热式热泵热水器机组功率为891W，制热量为3500W，COP可达3.93。

热泵热水器；制热量；排水检测法；国家标准

0 引言

随着空调技术在应用领域的扩展，采用热泵技术的家用热水器以其高效节能的特点迅速占据市场[1-3]。为了规范市场，我国在2009年发布了GB/T 23137-2009《家用及类似用途热泵热水器》[4]，该标准提供了一次加热式、静态加热式、循环加热式三种类型的热泵热水器的制热量检测方法，其中静态和循环加热式热泵热水器的制热量检测方法均采用水箱混合法进行测试，但由于市场上的静态及循环加热式热泵热水器的水箱都是机组标配，且静态加热式的水箱内还有机组系统盘管，测试时不能采用标准水箱代替，所以在实际测试中水箱混合法存在如下问题：（1）为快速混合，减少漏热，标准中要求水箱至少以每分钟1/2水箱容量的流量混合3分钟，在该条件下，混合的水流量太大，实际难以实现[5]；（2）采用混合水泵对水箱的水进行混合，在混合过程中水泵的机械能转为水的热量，势必造成热量的损失或增加，该变量很难计算；（3）标准要求水箱温度为水箱的平均温度，但实际测试中因机组在加热过程中水箱内的水会产生温度分层[6,7]，故很难确定水箱的平均温度，只能通过水箱测点温度估计水箱温度[8]，距离实际平均水温有差值；（4）标准对水箱自身的吸热没有进行考虑，但实际水箱是存在吸热现象，且吸热数值随着水箱大小和内部材料差异而不同；（5）由于盘管的存在，实际中水箱内的水排不净，并且水箱上部存在空气垫，测试中水箱内加水量的多少存在较大偏差。

水箱混合效果、混合过程中的热量变化、水箱自身的吸热量、水量偏差都会造成制热量、COP的测试偏差和复现性差的问题。针对以上问题，本文提出一种新型检测方法—排水检测法，并搭建基于排水检测法的静态及循环加热式热泵热水器检测系统，对该系统进行自标定与电热标定，验证其准确性。最后，采用标定后的检测系统对KF70-150LS型静态加热式热泵热水器进行样机试验。

1 排水检测法原理

排水测试法是一种通过排水的方法将水箱热量全部排出，并通过准确测量排出热量的数值，从而计算出机组热泵制热量的方法，此方法部分借鉴于太阳能热水器排水法测试方法[9]。排水检测法原理图如图1所示。

图1 排水检测法原理图

热泵机组的制热量计算式为：

=/（1）

=E+E-E （2）

式中，为热泵机组制热量，kW；为机组运行的时间，s；为机组加热过程提供给水箱的热量，kJ；E为水箱内水的总热量，kJ；E为水箱压力释放过程中排出的水的热量，kJ；E为水箱排水完成后平均水温与机组运行前平均水温有偏差带来的热量差异，kJ。

排水检测法测试过程分为三步：水箱加水过程、机组运行过程、排水测试过程。

1.1 水箱加水过程

当恒温水在恒温水箱中被制造完成后，将恒温水加注到水箱中，加注完成后测量水箱内水的平均温度。在实际过程中，恒温水本身存在温度不均匀的问题，被测水箱较大时，开始加注至结束加注时的水温是变化的。本文设计采用多点累计计算水箱水温的方法，该方法基于不同温度的水混合后的热平衡原理。采用计算机定时采集进水温度和进水水量，从加注开始到加注结束，等时间间隔采集的数据次。则加水完成后混合水的温度为：

式中，M为加水过程中，第次与第+1次采集之间水箱加入水质量，kg；T为加水过程中，第次采集水箱加入水的温度，K；为加水过程中，加入水箱内水的总质量，kg。

1.2 机组运行过程

在加水完成后，机组开始运行，对水箱中的水进行循环加热。机组的功率采用积分的方式采集，并开始记录运行时间，当水箱测点温度达到55℃时，机组运行完成。

1.3 排水法测试过程

1.3.1 水箱内水的总热量

从开始排水到结束排水，计算机定时采集水箱进水温度、出水温度、排水量，采集次数为次，则采用排水检测法测得水箱内水的热量为：

式中，E为水箱内水的总热量，kJ；排i为排水过程中，第次与第1次采集之间水箱进水水量，kg；为水的比热容，kJ/(kg·K)；出i为排水过程中，水箱在第次采集时出水温度，K；进i为排水过程中，水箱在第次采集时进水温度，K。

1.3.2 排水完成后水箱平均水温与机组运行前水箱平均水温偏差带来的热量差异

在排水完成后，若水箱平均水温与机组运行前水箱的平均水温有偏差，则对制热量计算会产生一个偏差，偏差热量计算式如下：

1.3.3 水箱压力释放过程中排出水的热量

从水箱加满水后，水箱中压力控制在1个大气压左右，当机组运行后，水箱内水被加热完成，水箱内的水由于温度提高，压力增加，排水瞬间水箱内水会被挤出水箱，造成热量的损失。对于这一部分热量损失，可采用在排水口增加一个流量计。在排水时，先打开排水阀，将水箱内压力平衡，通过流量计测出此过程中排出水量，并记录出水温度，从而计算排出的水的热量。

式中，E为水箱压力释放过程中排出水的热量，kJ；T为机组运行前水箱平均水温度，K，由（3）式计算；平i为水箱压力平衡过程中，第次与第1次采集之间水箱出水量，kg；平i为水箱压力平衡过程中，第次采集测试到的出水温度，K。

2 静态及循环加热式热泵热水器试验系统

2.1 系统组成

试验系统由恒温水系统、环境工况室、测试水循环系统、检测系统、检测软件五个部分组成，系统结构图2所示。

1.水箱；2.4.11.19.铂电阻；3.自动排气阀；5.排水阀；6.17.流量计；7.14.15.21.22.球阀；8.电磁阀；9.下水道出口；10.恒温水箱；12.电加热；13.自来水进口；16.20.水泵；18.加水阀；23.冷水机组；24.热泵热水器

恒温水系统用于制造检测用的恒温水，由自来水进口13加入自来水，热泵机组23对恒温水箱10内水进行循环加热，电加热12控制水温在所需范围之内，恒温水温度范围为5℃～50℃，精度为±0.3℃；恒温水制造完成后，注入水箱1，注入过程中，通过流量计17和进水口铂电阻19采集水箱进水量与进水温度；排水过程中，首先打开排水阀5，通过流量计6和排水口铂电阻4记录压力平衡过程中排水量和排水温度。压力平衡完成后，开始注入恒温水箱中的15℃恒温水，并通过进出口流量计与铂电阻记录排水量与进出口水温，为防止恒温水箱中水温不稳定，排出的水从下水道出口9排出。

2.2 测点布置

系统测点布置主要包括温度测点布置、流量测点布置、电工参数测点布置。温度测点包括内外侧工况室干湿球温度、恒温水箱温度、被测试水箱进水温度、出水温度、被测水箱测点温度，共8个温度检测，采用四线制Pt100温度传感器进行检测；流量测点包括水箱进出水口两个测点，采用电磁流量计检测。流量计的模拟信号接入PID控制器和数据采集仪，脉冲信号接入PLC控制器，由PLC控制器计算累计流量，然后将瞬间流量和累计流量数据传入计算机，由计算机根据水的特性方程计算水的质量；电工参数测点采用带有积分功能电参数仪，主要检测机组运行时耗电量与功率，精度要求为0.5%。

2.3 测试步骤

2.3.1 系统自标定

利用装置本身的恒温水系统，先将恒温水箱内的水温升至50℃，温度稳定后，将水注满热水器水箱，在加注过程中，计算机定时采集热水器水箱进水温度和进水水量，以15℃为基值，计算加入热水器水箱内水的热量。

式中，标i为系统自标定过程中，第次与第1次采集之间水箱进水量，kg；标i为系统自标定过程中，第次采集测试到的进水温度，K。

水加注满水箱后，将恒温水箱内水温降至 15℃，稳定后，立即采用排水法测试，计算水箱内水的热量，理想状态下＝E。

2.3.2 系统电热标定

如图3所示，采用一个管道加热器20，最大功率为6kW，将恒温水箱出水口连接到加热器的进口，加热器的出口连接到水箱1进口，系统进口温度传感器19安装在加热器的进口处。恒温水箱温度设置在15℃，以0.12m3/h流量进行加水，并启动电加热器，电参数仪21对电加热器进行电能积分，当水箱满后停止加热，此时电热器的消耗的电能为E，然后立即采用排水法测试计算，水箱内水的热量，理想状态下=13.6。 。

1.水箱；2.4.11.19.铂电阻；3.自动排气阀；5.排水阀；6.17.流量计；7.14.15.23.24.球阀；8.电磁阀；9.下水道出口；10.恒温水箱；12.电加热；13.自来水进口；16.22.水泵；18.加水阀；20.管道加热器；21.电参数仪；25.冷水机组

2.3.3 样机测试

采用标定后的试验系统对KF70-150LS型静态加热式热泵热水器进行样机试验。测试过程分3个步骤：水箱加水过程、机组运行过程、排水测试过程。

在水箱加水过程中，水箱进水口以一定的流量从恒温水箱加入15℃恒温水，进水流量控制在240m3/h～360m3/h。采集进水温度、加水水量，当水箱注满后停止加水，判定水箱是否加满，可采用在水箱出水口安装自动排气阀自动完成。在此过程中可知水箱的平均水温T、水箱容量。

当水箱加水完成后，即可进入机组运行阶段。启动机组，当机组运行至水箱测点温度为55℃后，停止运行，通过电参数检测即得出机组的运行数据：运行时间、耗电量、消耗功率。

机组运行停止后，进入排水测试过程。先打开水箱排水阀，平衡水箱内的压力，检测软件自动记录水箱压力平衡过程中的排水温度和水量，并计算平衡过程中排出水的热量，然后开始排水，排水流量控制在240m3/h～360m3/h，水箱进水口温度为15℃。在进出口温差小于±0.5℃时，开始计算E。停止排水测试的条件为排出的水量大于水箱容量的三倍且进出口水温差小于±0.5℃，此时视为水箱内的热量全部被排出，计算即可得到该热泵热水器制热量的数值。

3 实验结果与分析

3.1 系统自标定

为验证排水测试法的准确性，进行了两次系统自标定。将50℃的热水注入热水器水箱后，用排水法计算水箱内水的热量，自标定过程中，水箱进水温度、出水温度、水箱温度随排水量的变化趋势如图4、5所示。两次自标定结果如表1所示。

图4 第一次自标定过程中水箱参数变化

图5 第二次自标定过程中水箱参数变化

表1 自标定结果

因为排水过程中进水温度为14.89℃与14.85℃，与15℃基值相差较大，故需考虑一定的热量修正值，其值为进水温度与15℃基值加水量热量的差值。从表1中可知，第一次标定时，采用排水检测法检测的数值与基于15℃进口水温计算的数值偏差为4.18kJ，第二次标定热量偏差为81.08kJ，最大偏差0.43%。当热泵热水器机组运行时间在2小时左右时，按7200s计算，最大偏差11W，精确度较高。

3.2 系统电热标定

在自标定的基础上，系统进行了两次电热标定，用排水法检测通过电加热器加热进入水箱的热量。电热标定过程中，热泵水箱进水温度、出水温度、水箱温度随排水量的变化趋势如图6、7所示。

图6 第一次电热标定过程中水箱参数变化

图7 第二次电热标定过程中水箱参数变化

从表2中数据可知，电加热功率越大，偏差数值也同步增大，造成偏差的原因，一方面是检测装置本身有偏差，另一方面是在大功率情况下，加热装置自身存在漏热。从表2中可知计算最大偏差在1.11%以内，说明排水检测法具有较高的精确性。

表2 电热标定结果

3.3 样机试验

基于标定后的试验系统对KF70-150LS型静态热泵热水器进行样机试验，水箱排水过程中，热泵水箱进水温度、出水温度、水箱温度随排水量的变化趋势如图8所示，检测结果如表3所示。

图8 热泵热水器样机试验水箱参数变化

表3 KF70-150LS型静态加热式热泵热水器检测结果

从表3数据可看出，采用排水检测法，KF70-150LS型静态加热式热泵热水器机组功率为891W，热泵制热量为3500W，COP可达3.93。

4 结论

本文针对GB/T 23137-2009中静态及循环加热式热泵热水器制热量检测方法存在的误差问题，提出一种新型检测方法—排水检测法，通过设计试验系统得出了以下结论：

（1）对设计的试验系统进行自标定，两次系统自标定结果显示最大偏差率为0.43%，以热泵热水器机组运行2小时计算，最大偏差为11W，说明系统准确度较高。

（2）对设计的试验系统进行电热标定，两次系统电热标定结果显示电加热功率越大，偏差数值越大，但最大偏差率在1.11%以内，说明系统准确度较高。

（3）对KF70-150LS型静态热泵热水器机组进行样机试验，试验结果显示该样机功率为891W，热泵制热量为3500W，COP可达3.93。

[1] Rousseau PG, Greyvenstein GP. Enhancing the impact of heat pump water heaters in the South African commercial sector [J]. Energy, 2000,25(1):51-70.

[2] 周彬彬,李红旗,赵志刚,等.热泵热水器发展现状及性能试验研究[J].制冷,2007,(9):35-39.

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[7] 王丹丹.空气源热泵热水器封闭水箱内水的温度场及流场研究[D].北京:北京建筑工程学院,2006.

[8] GB/T 20289-2006,储水式电热水器[S].北京:中国标准出版,2006.

[9] GB/T 18708-2002,家用太阳能热水系统热性能试验方法[S].北京:中国标准出版,2002.

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

鲍 宇（1973.12-），男，专科，助理工程师，从事热泵热水器设计研究工作

黄 旭（1993.03-），男，在读硕士研究生，E-mail：1803230227@qq.com

2017-02-16