地下水式水源热泵机组兑水型测试系统的探讨和分析

1、技术交流地下水式水源热泵机组兑水型测试系统的探讨和分析钱雪峰，樊海彬，张秀平，郑传经，贾磊，宋有强（合肥通用机械研究院，安徽合肥230088）摘要：论述了地下水式水源热泵机组兑水型测试系统的测试方法及系统组成；对系统特点和使用中的不确定度评定进行了讨论。该测试系统为水源热泵机组的研究开发提供了一个设计合理、测试准确稳定而又节能的测试平台。关键词：兑水；测试系统；节能；水源热泵机组中图分类号：TU83文献标识码：A文章编号：1006-8449（2009）04-0061-040引言对于冷热水机组，制冷量、制热量按GB/T10870-2001容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法中5.1载冷剂法

2、进行试验。在机组蒸发器（冷凝器）冷（热）水进（出）口处安装有水量测量装置，进、出口处设置流量调节阀门。试验时，还应有能提供连续稳定的冷水流量、冷却水流量和符合试验工况水温的附加装置。机组制冷量计算：QnCqm（t1-t2）+Qc热泵制热量计算：QhCqm（t2-t1）-Qc式中Qn机组净制冷量，W；Qh热泵制热量，W；C平均温度下水的比热容，J/（kg·）；qm冷（热）水质量流量，kg/s；t1蒸发器（热泵制热时为冷凝器）冷（热）水进口温度，；t2蒸发器（热泵制热时为冷凝器）冷（热）水出口温度，；Qc环境空气传入干式蒸发器冷水侧的修正项，W。对于满液式蒸发器，由环境空气传入制冷剂侧的

3、热量不应计入净制冷量。对于干式蒸发器，当其进行隔热时，式（1）和式（2）中的Qc可忽略不计；无隔热时计算热泵制冷量Qc由式（3）确定：（1）（2）水源热泵空调是一种利用地球表面或深层水源（如地下水、河流和湖泊）的既可供热又可制冷的高效它包括地下水水源热泵、地热水水节能的空调系统，源热泵和其它类型的水源热泵。在我国，热泵技术的研究已有几十年的历史，热泵技术的产业化也推动性着热泵技术的节能进程。而热泵机组的结构优化、能系数和能效比的提高、工程运用等，都需要大量实际测试数据来进行研究和计算，这一切都促使热泵机组测试系统的不断优化和改进。52411测试系统所依据的国家标准GB/T19409-2003水

4、源热泵机组按冷热源类型将水源热泵分为3类：水环式水源热泵、地下水式水源热泵和地下环路式水源热泵。本文主要论述地下水式水源热泵的测试系统（以下简称：测试系统），该系统主要参考的国家标准为：GB/T10870-2001容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法和GB/T19409-2003水源热泵机组，这两个标准中明确了水源热泵机组需测量的主要性能指标、测试系统能够模拟标准中规定的机组运行的各种工况，并能测试出水源热泵机组的各项性能指标。2测试方法及测试系统组成2.1测试方法总第128期第30卷技术交流（3）水源；（3）连接管道：采用国标镀锌管材；（4）温度测量用铂电阻，流量测量用流量计，水阻力测

5、量用压差变送器。测试系统有使用侧（蒸发器侧）与热源侧（冷凝器侧）两套管路系统，二者既相对独立又相互联系。其控制原理为使用侧的水泵通过变频调节到被测试机组冷水的额定流量，热源侧的水泵通过变频调节到被测试机组冷却水的额定流量，把被测试机组热源侧的热水通过变频水泵送到使用侧进行兑水换热，把蒸发器产生的冷量全部平衡掉，兑水量的多少可以通过调节冷水的进水温度进行调节；同时蒸发器侧的冷水送到冷凝器侧，也会平衡大部分冷凝器侧所产生的热量，冷凝器多余的热量（压缩机做功产生的热量）用水泵送到恒温水箱，恒温水箱配备冷源把这部分热量平衡，从而达到平衡状态，这种测试系统即为兑水测试系统。2.3测试系统的控制和采集系统

6、本试验装置的控制和采集系统由动力部分、控制调节部分、数据采集部分组成，具有操作简测量精确等特点，其关键部分均采用进口元单、器件，保证了运行的安全性、稳定性和可靠性。现以某公司型号为BGSHP-75-WA的水源热泵机组在不同工况时的测试数据为例加以说明。从图2、图3中可以看出冷水和冷却水的进明出水温度对额定工况的偏差都在±0.2以内，显优于国标GB/T19409-2003水源热泵机组中对进出水温读数的平均值对额定工况的偏差允许范围为±0.3的要求，充分说明测试装置的测量精确、稳定、可靠特点。动力部分主要完成各设备的配电、电器的安全保护等。本系统进线为三相五线制，交流电压QcK

7、A（ta-tm）在计算热泵制热量时，Qc由式（4）确定：QcKA（tm-t）（4）a式中K蒸发器外表面与环境空气之间的传热系数，W/（m2·），取K20W/（m2·）；A蒸发器外表面积，m2；ta环境空气温度，；tm干式蒸发器（冷凝器）冷（热）水侧进、出口温。度的平均值，2.2测试系统流程现以制冷量范围为120360kW的地下水式水源热泵机组为例，根据标准GB/T19409-2003水源热泵机组要求的测试项目，参考标准GB/T10870-2001容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法，我们搭建了兑水型测试系统，具体的试验流程如图1所示，提供了如下设备。（1）水泵14：主

8、要用来提供水流量；（2）恒温水箱：主要用来为测试提供稳定温度的总第128期第30卷技术交流380V±5%，频率50Hz。设备的动力来源来自动力柜，样机供电由功率测量系统提供。设备控制的核心为PLC及触摸屏，在触摸屏上可方便地控制设备的起停，并且可以对故障报警进行显示和记录。调节功能是通过数字调节表实现。该系统的数据采集系统使用的是数据采集器，通过GPIB与计算机通讯，共同完成数据采集。采集的数据再通过相应的计算机软件进行记录和处理。2.4测试系统的专业计算软件软件系统主要是对采集的数据进行记录、分析和处理。该装置的软件系统是以“C+Builder6.0企业版”作为基础开发平台，并糅合

9、WindowsAPI以及Access数据库开发而成的32位标准Windows软件。该软件为绿色免安装软件，可对试验类型、工况、操作级别等进行设定，并能自动采集、记录数据和过程曲线。试验完成后，还可进行打印和试验数据分析等。2.5测试系统的标定本测试系统的温度信号采集是采用铂电阻。将测试系统中用于温度采集的铂电阻放置于恒温槽中，采集的温度和高精度铂电阻采集的温度进行比较，根据恒温槽提供的不同温度，记录下不同温度点时，两种铂电阻的显示值，然后整理数据，将数据拟合成曲线，经过这种标定方法，温度采集系统的误差能控制在0.05。压差的标定也类似于温度信号的标定，同样也是采用和高精度压力发生器在不同压力下

10、进行比对。电量的标定也是采用类似的比对方式，在此不作详述。流量是通过秒表和电子秤进行标定。2.6测试系统的节能分析该测试系统在测试时，能够最大可能地利用水源热泵机组热源侧和使用侧之间的热量交换，热源侧的热量被使用侧的冷量平衡后，剩余的只有压缩机的功率这部分热量需要通过冷却设备散去，并不需要消耗大量的能量来单独平衡使用侧产生的冷量和热源侧产生的热量。而且水源热泵机组的能效比越高，在同等制冷量下，需要测试系统散去的压缩机功率也就越少，测试系统也越节能。以型号为BGSHP-90-WA的地下表1机组优化前后测试系统能耗的比较项目kW制热量，能效比压缩机所需功率，kW调整前2453.668调整后2454

11、.375676水式水源热泵机组制热为例，机组优化设计和匹配前后对测试系统的耗能比较见表1。若压缩机所需功率这部分热量由冷水机组散去，假设冷水机组的性能系数为4，那么投入的冷水机组的功率由17kW下降到14kW，节能17%。节省了电力消耗，也就是节省了发电过程中的能量消耗，这对保护环境也相当有益。2.7测试系统的多用性和拓展性分析2.7.1测试系统的多用性分析该测试系统配备了冷水机组，冷水机组的出水温度一般可以达到57，所以恒温水箱的温度最低也可以达到57。同时，机组本身两器冷热平衡后多余的热量也可以将水箱温度升高，所以，恒温水箱的温度范围较广，本测试系统就可以用来测试水冷冷水机组、水环式水源热

12、泵机组和地下环路式水源热泵（制冷。以某公司型号为BGSHP-75-WA的水源热泵工况）为例，在本测试系统中我们可以模拟不同的冷却水进水温度，即模拟不同形式的水源热泵机组制冷运行工况，如图4所示为机组性能与冷却水进水温度的关系。一种测试系统可以测试多种机型，提高了测试系统的利用率，体现了本测试系统的多用性。2.7.2测试系统的拓展性分析GB/T19409-2003水源热泵机组中地下环路式水源热泵的制热工况，热源侧的载冷剂温度低于0，所以此时的载冷剂应该使用乙二醇溶液、盐水溶液等冰点低于0的溶液，而使用侧则仍然为水。因此，使用侧和热源侧在混合换热时，需要在换热器里交换热量，而不能直接混合。因此在本

13、测试系统的基础上增加1个换热器和1台水泵（水泵7），就可以实现两侧热量的间接交换，即可以测量地下环路式水源热泵的制热总第128期第30卷技术交流增加测量结果的可信程度。4结语本文介绍的地下水式水源热泵机组测试系统设计制造均符合国内相关标准的要求，方案先进、结构合理。该测试系统将使用侧和热源侧进行换热，使得能源得到最大程度的利用，实现了节能的目的；它具有很高的自动化程度，能实现自动控制和调节、过程监控、数据采集和软件传输；整个测试系统在试验设备稳定可靠运行的基础上又保证了测试的精度和准确性。工况，流程如图5所示。在本测试系统的基础上增加配件，就可以测量更多机型的工况，体现出了本测试系统良好的拓展

14、性。本测试系统的建立，大大提高了我国制冷空调行业的测试水平，为水源热泵机组的研究开发提供测试准确、稳定、可靠、节能的测试平了一个设计合理、台。参考文献：1刁乃仁，苏登超.常用水源热泵空调系统分析J.工程建设与设计，2003，（4）.等.一种热泵节能的新设备浅水池热源热泵J.制冷技术，2张嘉辉，1999，（1）：21253马最良，杨辉.太阳能开式环路水源热泵空调系统J.应用能源技术，1997，（3）：41444李先瑞，刘笑.水源热泵与未利用能Z.全国暖通空调制冷2000年学术年会，2000.1221265朱家玲，苗常海，董志林，洪庆华.地热水源热泵技术应用市场前景J.太阳能学报，2002，23（

15、6）：692695.6郑传经，黄承宏，等.制冷空调试验装置中传感器的标定J.流体机械，2005，33（增刊）：4144167张秀平，程立权，林良.如何实现冷水机组性能试验装置最大限度地节能J.流体机械，2005，33（增刊）：3943978贾磊，岳海兵，程立权.商允恒水源热泵机组制冷量测量不确定度评定J.流体机械，2008，36（9）.3测试系统中测量不确定度的评定在测试系统使用过程中，通过专业的计算软件采集数据进行计算，得到符合GB/T19409-2003水源热泵机组要求的测试报告。而测量不确定度就是对测量结果质量的定量表征，测量结果的可用性很大程度上取决于其不确定度的大小。所以，测量结果必

16、须同时包含赋予被测量的值及与该值相关的测量不确定度，才是完整并有意义的。若是对于同一台机组进行多次测量，对测量不确若测试时工况稳定，由于重复性定度进行A类评定，造成的A类不确定度相对B类不确定度是可以忽略不计的。本测试系统是采用液体载冷剂法进行测量，水侧的换热量计算公式为式（1）。可见水侧的不确定度主要来源于水温和流量测量，通过本文2.5节中论述的方法进行标定，可以显著降低测量不确定度的量值，8收稿日期：2009-05-04修回日期：2009-05-19StudyonWaterBlendingTestSystemforGround-waterSourceHeatPumpQIANXue-feng

17、，FANHai-bin，ZHANGXiu-ping，ZHENGChuan-jing，JIALei，SONGYou-qiang（HefeiGeneralMachineryResearchInstitute，Hefei230088，China）Abstract：Testmethodandsystemcompositionofthewaterblendingtestsystemforgroundwatersourceheatpumpwereintroduced.Thenthesystem'scharacteristicsanduncertaintyevaluationinuseweredisc