探讨关于循环式热泵热水器能测试结果的影响因素.doc

。循环式热泵热水器性能测试方法探讨施慧（嘉兴威凯检测技术有限公司 嘉兴 314000）摘要：本文依据国标GB/T 21362-2008商业或工业用及类似用途的热泵热水器中的检测方法，针对擎天实业公司制造的QZSS100005-10HP型号试验系统设计，通过试验数据的比较，探讨循环式热泵热水器性能测试结果的影响因素，并提出设备改造相关意见。关键词：循环式；热泵热水器；性能测试；制热量An Investigation on Influence Factors of Testing Results of the Performance on Circulating Heat Pump Water HeaterAbstract: According to the detection method in the national standard GB/T 21362-2008 heat pump water heaters in the utilize of commerce or industry similar purposes, this paper compares the test data to explore the influence factors of test results of the performance on the circulating heat pump water heater, the QZSS100005-10HP model test system design manufactured by Kinte Industrial Co., Ltd. Finally, the relevant comments on the modification of the equipment are proposed.Key words: circular; heat pump water heaters; performance testing; heating capacity0 引言随着全球工业化进程的推进，不可再生资源的消耗空间极大缩小，国际上对于节能减排的呼声越来越高。为应对国际社会的压力，同时也为处于自我恢复期的家电行业注入新的能量,我国政府积极推动家用电器行业节能技术的创新，热泵热水器能效标准GB29541-2013热泵热水机（器）能效限定值及能效等级正是在这样的背景下正式实施。热泵热水器是继燃气、电热、太阳能热水器之后的“第四代热水器”，是新型的绿色能源产业，与前三代热水器产品相比，它不仅安全、节能、环保，同时很好的解决了传统太阳能产品受区域和季节影响的问题。因此，热泵热水器以其高效、节能、环保、方便等优点必将成为未来热水器产品发展的方向。不断完善热泵热水器的性能测试方法，提高能效测试结果的准确度成为检测机构的职责和使命。1 试验系统及测试方法简介1.1试验系统介绍本文采用擎天实业公司制造的QZSS100005-10HP型性能测试系统依据国标要求进行测试研究。该测试系统作为商用空调综合试验室的一部分，由恒温水箱、冷水机系统、电磁流量计、流量阀、系统内嵌水泵和标准水箱组成。通过冷水机系统和恒温水箱的循环加热达到所需的初始水温（一般略低于标准要求的初始温度），计算机通过调节流量阀的口径与时间来确定提供给标准水箱的试验水量。1.2被试机组参数本次试验被试机组KFXRS-18II为一循环加热式热泵热水器，不带水泵，额定电压380V，额定频率50Hz，额定制热量18.8kW，名义产水量390L/h，平均输入功率4.6kW。1.3样品安装说明：试验装置如图1所示，安装时应使用随机所带的安装附件。试验前，排尽测试机组、管道及水箱内的水；在测试水箱注水端布置流量计；在测试水箱内布置温度测点，以便记录标准水箱内的平均温度。电磁流量计标准工况环境流量阀供水泵 循环水泵供水系统冷却塔水源水箱被测机组标准 水箱图1 循环加热式热泵热水机安装示意图2 分析各因素对测试结果的影响2.1标准水箱和管道的漏热量和蓄热量 机组制热量的计算： (1)公式中，和的数值难以获得准确值，并且对结果会产生较大的偏差。其中的Q1作为标准水箱和管道蓄热，标准中其计算公式为： （2）平均温度下管道和水箱各部件的比热容，单位为焦耳每千克摄氏度【J/（kg）】；管道各部分的质量，单位为千克（kg）；由于我们系统中所使用的标准水箱和管道作为一套系统其自身的比热容是很难准确测量。另外，受到环境温湿度，内部水温，保温材料等的影响较大。为此，笔者采用管道电加热作为标定装置，对整个性能测试系统中的和的参数进行宏观分析。测试结果如表1、表2所示。表1 不同试验水量下系统漏热值（标准水箱有效容积为1400L）试验水量（L）试验时间（h）COP值（W/W）水箱漏热能量（kJ）水箱漏热量（W）管道漏热能量（kJ）管道漏热量（W）3001.8170.991050.01591817.52764001.9000.991078.61571867.12727003.0501.011708.71562957.726910003.9501.002179.71533773.126514005.1171.012833.81544905.3266表2 不同试验水量下系统蓄热值（标准水箱有效容积为1400L）试验水量（L）试验时间（h）COP值（W/W）水箱蓄热能量（kJ）水箱蓄热量（W）管道蓄热能量（kJ）管道蓄热量（W）3001.8170.993962.26027059.910724001.9000.993962.65787060.610307003.0501.013961.63617058.864310003.9501.003965.42797065.749714005.1171.013956.42157049.6382从表1中不难看出，对于同一套系统在同种测试方法下，其水箱和管道漏热量基本恒定，而漏热能量会因为试验水量导致试验时间的增加而成正相关。而表2的情况却与表1截然相反，水箱和管道的蓄热能量基本恒定，而两者的蓄热量随着试验水量的增加而减少。分析其原因：一方面，水箱和管道对外界进行的热交换基本稳定。从环境角度考虑，试验工况一直维持在干球（201），湿球温度（150.5）。从设备自身考虑，管道外壁用隔热材料包裹，保温效果较好，用热电偶进行测量管道外壁温度基本与环境工况相当。而标准水箱的外壁温度变化如图2，变化较为平缓，并且在不同试验水量的情况下，变化曲线保持一致；另一方面，决定蓄热能量的因素都为恒定值。依照公式（2）所示，如果在同一个测试系统和工况环境下，起决定的平均温度下管道和水箱各部件的比热容和管道各部分的质量两值为定值。另外，试验要求的初始水温（150.3）和终止水温（550.3）的温差t控制在（400.6）。按照标准GB29541-2013对能源效率等级的规定，基本每个等级间COP差值为0.2。因此，管道、水箱的漏热量和蓄热能量由我们试验系统自身决定，其准确性就显得尤为重要。图2.试验过程中标准水箱外壁温度的变化曲线2.2循环水流量根据国标GB/T 21362-2008商业或工业用及类似用途的热泵热水器循环水流量的值由在机组名义制热量条件下，假设循环水的热水机换热端温升5计算得到： （3）循环水流量，单位为立方米每小时（m3/h）；热泵热水机名义制热量，单位为千瓦（kW）。之所以标准中明确规定循环水流量，是因为实际进行性能测试的过程中，水流量的大小会对整个加热周期以及最终的COP值产生较大影响。表3对被测机组在水流量作为唯一变量的情况下，COP值随着流量的增加而变大。表3.不同循环水流量对COP值的影响循环水流量（m3/L）23456开始水温（）14.9915.0215.0615.0114.99终止水温（）54.9955.0355.0555.0255.02热水器能力（W）1669817125174261753118063热水器功率（W）41994097406240344013COP（W/W）3.984.184.294.354.50 出现这种现象，主要原因一方面为被测机组的功率随着水流量的增大换热更加充分，压缩机的负载降低使得样机功率下降。另外一方面，由于试验水的水量以及温差保持一致，水的制热量相同，那么由于试验时间的缩短，如表3所示，热水器的能力略微提高。为此，能效比COP作为机组制热能力与机组功率的比值，随着循环水流量的增加而增大。当然，流量达到一定速度，进出机组的水温差就会变的很小，制热能力就会逐渐下降，COP也就随之变小。2.3环境工况针对热泵产品性能测试，环境工况一直是作为重要的试验条件。本文分别在环境干球温度为20、7、-7、-15条件下，研究环境工况对热泵性能测试结果的影响。2.3.1 热水器总能力随着环境干球温度的变化关系如图3所示，被测机能力不但随着试验水温的提高，其能力随之呈现下降趋势，并且被测机能力与干球温度成正相关。这是因为随着水温的上升，热水在换热器内的热交换就不充分影响换热的效果。另外，在冷凝器冷凝温度的提高使得进入压缩机的制冷剂流量减少，导致制热量的相应减少。另外，随着环境温度的下降，蒸发器中液态冷媒温度与环境温差变下，使得制冷剂不完全气化，从某个角度就是减少了参与整个卡若循环的制冷剂量，从而导致被测机制热能力的下降。图3.热泵能力随测试水温的变化2.3.2 热泵功率随着环境干球温度的变化关系从图4看出，被测机的瞬时功率会随着水温的上升而上升。这主要因为水温的提高带来冷凝温度的上升，从而使得压缩机吸排气侧压力的上升，导致压缩机功率的提高。同样，输入功率和制热能力相同，都随着环境温度的下降而下降。环境温度的变化，其实对于冷凝端影响不大，而系统的蒸发温度会降低，在压缩机输气量不变的前提下，使得制冷剂进入压缩机的流量就会相应的减少，压缩机耗功下降。图4.被测机功率随工况变化2.3.3 热泵性能随着环境温度的变化关系性能系数（COP）的计算： COP= Qh/E （4）式中：Qh热泵热水机制热量，单位为千瓦（kW）；E机组消耗功率。单位为千瓦（kW）；通过图3和图4中的数据和公式（4）绘制出图5被测机COP随环境温度变化，观察图5发现，瞬时COP是随着水温的上升而下降且幅度趋缓。其原因，机组制热能力随着水温上升而下降而机组功率却呈现上升态势。另外，随着环境温度的降低，系统的性能系数是变小的，并且随着水温的升高,COP值的差距缩小。图5.被测机COP随环境温度变化3.测试系统改造意见3.1采用直接测量机组制热的方法规避蓄热和漏热在被测机组进出水口分别设置一个铂电阻来测量机组进出水温度，然后再根据电磁流量计得出瞬时流量值。利用计算机将每秒进出水温差t与对应瞬时流量进行积分，得出整个加热过程被测机组的直接制热量。 3.2标准水箱中增加搅拌设备依据国标GB/T 21362-2008商业或工业用及类似用途的热泵热水器中要求标准水箱内各测点温度与平均温度之差的绝对值不大于0.3。虽然可以通过水泵的循环满足要求，但是在实际测试中，遇到名义产水量大的机型，随着试验水量的加大使得标准水箱内上下温差较大，从而达不到标准0.3的要求。为此，需额外增加搅拌设备才能保证试验数据达到国标要求。其方法一，标准水箱中配备机械搅拌机。采用机械搅拌机虽然能够很好的达到均匀水温的作用，但是由于其自身的散热较大，容易对实验结果产生影响。方法二，文献【2】采用旋转布水器作为搅拌设备。其原理十分简单，测试水通过进水管流入布水管，然后通过布水管上的喷孔形成水流。由于喷孔的直径比较小，水流具有一定的速度，根据作用力与反作用力的原理，布水管受到与水流方向相反的作用力而旋转，达到搅拌效果。其优点一方面能有效的规避系统自身产热干扰测量数据；另一方面，旋转布水器的操作和维护简单。图6，为旋转布水器结构图。图6.旋转布水器结构图4结束语本文依靠控制单一变量的方法，第一，通过改变水流量的大小，得出水流量在一定范围内与COP值成正相关，作为性能检测过程中需要严格按照标准来控制水流量；第二，通过调节环境温度工况，由于采用更大跨度的环境测试温度，以更宏观的视角阐述环境工况的高低关乎热泵性能测试真实性；第三，采用标定装置进行数据的比对分析得出系统自身管道、水箱蓄热量和漏热量的特性。同时，本文对QZSS100005-10HP型号试验系统提出两点改造意见，以期提高测试精度，为今后试验室改造提供参考。参考文献：1中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准