探讨关于循环式热泵热水器性能测试结果的影响因素

循环式热泵热水器性能测试方法探讨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 摘要 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 QZSS 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 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 Heater Abstract 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 QZSS 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 capacity 0 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 11 1 试验系统介绍试验系统介绍 本文采用擎天实业公司制造的 QZSS 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 21 2 被试机组参数被试机组参数 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 31 3 样品安装说明 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 12 1 标准水箱和管道的漏热量和蓄热量标准水箱和管道的漏热量和蓄热量 机组制热量的计算 1 2112h 10003600 t t QQHGCQ 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 1 Q 2 Q 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 n 0i 12ii1 tt GCQ 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 i C J kg 管道各部分的质量 单位为千克 kg i G 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 i C 2 Q 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 1 Q 2 Q 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 5276 4001 9000 991078 61571867 1272 7003 0501 011708 71562957 7269 10003 9501 002179 71533773 1265 14005 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 91072 4001 9000 993962 65787060 61030 7003 0501 013961 63617058 8643 10003 9501 003965 42797065 7497 14005 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 20 1 湿球温度 15 0 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 1 Q 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 1 Q 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 i C i G 求的初始水温 15 0 3 和终止水温 55 0 3 的温差 t 控制在 40 0 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 22 2 循环水流量循环水流量 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 3 586 0 q nv Q 循环水流量 单位为立方米每小时 m3 h v q 热泵热水机名义制热量 单位为千瓦 kW n Q 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 41994097406240344013 COP 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 32 3 环境工况环境工况 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 12 3 1 热水器总能力随着环境干球温度的变化关系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 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 102030405060 测试水温 热水器能力 kw 20 工况 7 工况 7 工况 15 工况 图 3 热泵能力随测试水温的变化 2 3 22 3 2 热泵功率随着环境干球温度的变化关系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 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 1015 2025 3035 4045 5055 60 测试水温 功率 W 20 工况 7 工况 7 工况 15 工况 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 0 2 4 6 8 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 测试水温 COP 20 工况 7 工况 7 工况 15 工况 图 5 被测机 COP 随环境温度变化 3 测试系统改造意见 3 13 1 采用直接测量机组制热的方法规避蓄热和漏热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 23 2 标准水箱中增加搅拌设备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