高精度熱泵熱水器制熱量測試方法的實驗研究

陳憶喆， 李征濤， 高聯(lián)斌， 黃 超， 廖李平， 章曉龍

（1.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；2.珠海格力電器股份有限公司機(jī)電研究院，珠海 519070）

高精度熱泵熱水器制熱量測試方法的實驗研究

陳憶喆1， 李征濤1， 高聯(lián)斌1， 黃 超1， 廖李平2， 章曉龍1

（1.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；2.珠海格力電器股份有限公司機(jī)電研究院，珠海 519070）

通過對國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T23137—2008與GB／T 21362—2008中循環(huán)加熱式及靜態(tài)加熱式熱泵熱水器制熱量的測試方法的分析，發(fā)現(xiàn)制熱量的測量存在誤差，影響機(jī)組性能的判定.現(xiàn)提出另一種測試方法——排水法.待熱泵熱水器將水箱內(nèi)的水加熱至設(shè)定溫度55℃后，從排水口將熱水排出，同時進(jìn)水口進(jìn)入15℃的水，至排水溫度與進(jìn)水溫度相差小于等于0.5℃，實驗結(jié)束.繪制排水曲線圖，計算出熱泵熱水器的制熱量.結(jié)果表明，排水法較國標(biāo)法測得的循環(huán)加熱式的制熱量平均增加了10.2%，性能系數(shù)COP增加了10.2%；靜態(tài)加熱式的制熱量增加了12%，COP增加了12%.研究表明，排水法在熱泵熱水器性能測試中具有較高的精度.

熱泵熱水器；排水法；制熱量；性能系數(shù)；國標(biāo)

熱泵熱水器是一種利用電動機(jī)驅(qū)動、采用蒸汽壓縮循環(huán)將低溫?zé)嵩吹臒崃哭D(zhuǎn)移到被加熱的水中來制取生活熱水和采暖熱水的設(shè)備.從節(jié)能環(huán)保來看，熱泵熱水器具有獨特的優(yōu)勢及市場前景［1］.但由于熱泵熱水器在我國發(fā)展時間短，仍存在很多問題［2］.其中，熱泵熱水器制熱量的測量方法就存在不足，使得熱泵熱水器制熱量的測試精度不高，影響性能系數(shù)COP的準(zhǔn)確計算.

目前熱泵熱水器的性能測試均采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T23137-2008與GB／T 21362—2008［3-4］來測試（以下簡稱國標(biāo)法）.但是，在實際測量過程中，水箱內(nèi)的水溫不是均勻分布，溫度高的水，密度低，往水箱上部走，而溫度低的水就會出現(xiàn)在水箱下部，出現(xiàn)了水箱溫度分層現(xiàn)象［5-6］，影響實驗測試的準(zhǔn)確性.為了讓水箱內(nèi)的水混合均勻，許多學(xué)者提出了采用循環(huán)泵或擋板等來幫助水箱內(nèi)的水混合.雖然此法有助于水溫均勻，但是，循環(huán)水泵的參與勢必會造成部分熱量損失，且漏熱［7］和蓄熱難以精確計算，水箱的平均溫度仍然是難以精確測量，甚至增加額外能量消耗.針對這一問題，本文提出了排水法，很好地解決了溫度分層問題，使制熱量測量更準(zhǔn)確，也更具合理性.

1 排水法的基本定義及計算公式

本實驗的排水法是借鑒國家標(biāo)準(zhǔn)［8］中的熱量測試方法而提出的，此法操作簡單，不考慮儲熱水箱中的溫度分層問題，測得的制熱量更接近機(jī)組實際制熱量.

待熱泵熱水器運行后，將水箱內(nèi)的水加熱至設(shè)定溫度55℃后停止，參考文獻(xiàn)［9］，水箱排水口將熱水以400～600 L／h的恒定流量排出，同時由進(jìn)水口補入進(jìn)水溫度Tb=15℃的冷水，直到排水溫度與進(jìn)水溫度相差小于等于0.5℃，且排出的水總流量大于3倍水箱容積V時，排水測試結(jié)束，并認(rèn)為水箱中的熱量被全部排出，且此熱量即為熱泵熱水器的制熱量.

此排水法實驗要求至少每15 s測量一次排水溫度Td，至少每放出水箱容積的1／10時記錄一個平均值，且進(jìn)入水箱的冷水溫度的波動不超過±0.25 K，漂移不超過0.2 K.然后利用所測得的溫度作如圖1所示的排水曲線圖.

水箱內(nèi)所含的制熱量Qc與排水溫度Td曲線和進(jìn)口水溫Tb曲線之間的面積成正比.假設(shè)mi為第i次的排水質(zhì)量，Tdi，Tbi分別為第i次的排水溫度及進(jìn)水溫度，cp為水的比定壓熱容.采用排水法測得的制熱量

從式（1）中可以看出，在實驗中，測量時間間隔越短，即測量次數(shù)i值越大，實驗誤差就越小，所測得的制熱量就越接近真實值.此排水法應(yīng)用數(shù)學(xué)微積分原理，記錄并計算制熱量，該法減少了溫度分層引起的誤差，實驗結(jié)果更準(zhǔn)確.

圖1 排水曲線圖Fig.1 Drainage curve diagram

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

實驗采用國家標(biāo)準(zhǔn)焓差實驗裝置進(jìn)行測試，包括室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)和控制室.主要由空氣處理系統(tǒng)、環(huán)境實驗室水處理系統(tǒng)、測控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，自動化程度較高，能準(zhǔn)確控制相關(guān)變化，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.實驗采用空氣源熱泵熱水器分別對循環(huán)加熱式及靜態(tài)加熱式進(jìn)行制熱量的測量，實驗測量儀表主要有電磁流量計AXF025G，鉑電阻Pt100，安捷倫數(shù)據(jù)采集器Agilent34970A.實驗裝置及所需測點如圖2和圖3所示（見下頁）.

循環(huán)加熱式熱泵熱水器實驗時采用儲水容積為300 L的承壓標(biāo)準(zhǔn)水箱，制冷劑為R22，循環(huán)熱水流量為2.4 m3／h.靜態(tài)加熱式熱泵熱水器采用水箱容積為150 L，制冷劑為R22.

2.2 實驗方法及條件

分別對循環(huán)加熱式及靜態(tài)加熱式進(jìn)行制熱量的測試.在循環(huán)加熱式實驗時，關(guān)閉閥門5，21，28，即可采用國標(biāo)法來進(jìn)行制熱量的測量.實驗中記錄溫度、流量及功率等相關(guān)數(shù)據(jù).機(jī)組停止后，打開閥門5，13，21，28，即可采用排水法進(jìn)行制熱量的測量.由PID控制器（比例-積分-微分控制器）調(diào)節(jié)控制進(jìn)水流量，記錄相關(guān)數(shù)據(jù).在本裝置中考慮了熱泵熱水器與測試水箱連接管中的熱量，增設(shè)了閥門21和 28.在排水法測試中，熱泵熱水器與標(biāo)準(zhǔn)水箱間存在高落差，可由重力作用將此熱量排出.

圖2 循環(huán)加熱式熱泵熱水器實驗系統(tǒng)Fig.2 Test system for the cyclic heating type of heat pump water heater

圖3 靜態(tài)加熱式熱泵熱水器實驗系統(tǒng)Fig.3 Test system for the static heating type of heat pump water heater

在靜態(tài)加熱式實驗時，只需關(guān)閉閥門5，即可進(jìn)行國標(biāo)法測試.機(jī)組停止后，打開閥門5和13，進(jìn)行排水法測試.由PID控制進(jìn)水流量，直到排水與進(jìn)水溫差小于0.5℃時實驗結(jié)束，記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

循環(huán)加熱式及靜態(tài)加熱式排水法實驗時均進(jìn)行4次排水測量，它們均在名義工況基礎(chǔ)上進(jìn)行，如表1所示.

表1 排水法測量名義工況Tab.1 Normal condition of the measurement by drainage method

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 循環(huán)加熱式排水法測量實驗結(jié)果分析

從圖4中可以看出，起始排水溫度要高于設(shè)定值55℃，這是由于水箱水溫度分層原因引起的，且隨著排水量的增加，排水溫度逐漸降低，在排水量大約為100～300 L時，排水溫度近似呈線性降低，其后平緩減少，至到排水與進(jìn)水溫差小于0.5℃.由式（1）可以計算出4次排水的制熱量分別為29.32，29.31，29.35，29.29 kW，則平均制熱量為29.32 kW，消耗功率為6.82 kW，COP為4.3.而國標(biāo)法測得制熱量為26.6 kW，COP為3.9.可見排水法較國標(biāo)法測得的制熱量提高了10.2%，COP提高了10.2%.

圖4 循環(huán)加熱式排水量與排水溫度曲線圖Fig.4 Displacement and drainage temperature graph of cyclic heating

3.2 靜態(tài)加熱式排水法測量實驗結(jié)果分析

圖5（見下頁）是靜態(tài)加熱式熱泵熱水器按照排水法測得的排水溫度曲線圖，同樣由于溫度分層問題，剛開始排水時溫度高于55℃.隨著排水量的增加，排水溫度逐漸降低，在排水量約為50～150 L時，排水溫度近似呈線性降低.由式（1）可計算出4次排水的制熱量為2.67，2.65，2.62，2.60 kW，平均制熱量為2.63 kW，且消耗功率為0.56 kW，COP為 4.7，而國標(biāo)法測得的制熱量為2.35 kW，COP為4.1.排水法較國標(biāo)法測得的制熱量提高了近12%，COP也提高了近12%.

4 排水法與國標(biāo)法的比較

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，排水法測得的制熱量高，更接近實際制熱量，且靜態(tài)加熱式采用排水法測試的效果更優(yōu).循環(huán)加熱式也考慮了測試水箱與熱泵熱水器連接管間儲存的熱量，測得的制熱量增加.國標(biāo)法測量水箱溫度時，基本上均采用在水箱中部上下布置測點，然后取其平均值作為水箱溫度.由于水箱溫度存在分層問題，水箱上部溫度較下部溫度高，有時甚至相差10～20℃，水箱內(nèi)水溫分布不均勻，很難準(zhǔn)確測量水箱溫度，制熱量也難以精確判定.而排水法避免了溫度分層引起的水溫分布不均問題，可準(zhǔn)確計算熱泵熱水器制熱量，測量方法簡單、易操作，具有可行性.

圖5 靜態(tài)加熱式排水量與排水溫度曲線圖Fig.5 Displacement and drainage temperature graph of static heating

5 結(jié) 論

對循環(huán)加熱式及靜態(tài)加熱式熱泵熱水器制熱量采用國標(biāo)法及排水法這兩種方法進(jìn)行測量，驗證了水箱溫度分層對水箱溫度測量精度的影響.實驗結(jié)果顯示，排水法測量制熱量更具優(yōu)勢，且操作簡單、測量精度高，在行業(yè)發(fā)展中具有應(yīng)用前景.

a.測量循環(huán)加熱式熱泵熱水器時，排水法較國標(biāo)法測得的制熱量提高了10.2%，性能系數(shù)COP提高了10.2%，排水法測量精度高.

b.測量靜態(tài)加熱式熱泵熱水器時，排水法較國標(biāo)法測得的制熱量提高了12%，性能系數(shù)COP提高了12%，排水法測量精度高.

c.在排水法測量過程中，有一段排水量所對應(yīng)的排水溫度近似線性降低.

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［3］ 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB／T23137-2008家用和類似用途熱泵熱水器［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［4］ 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB／T 21362-2008商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

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（編輯：石 瑛）

High Accuracy Measurement Method of Heating Capacity of Heat Pump Water Heater

CHENYi-zhe1， LIZheng-tao1， GAOLian-bin1， HUANGChao1， LIAOLi-ping2， ZHANGXiao-long1
（1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；
2.Institute of Electrical and Mechanical，Gree Electric Appliances，Inc.of Zhuhai，Zhuhai 519070，China）

After analyzing the national standard GB／T23137-2008 and GB／T 21362-2008 for the cyclic and the static heating types of heat pump water heaters，it is found in the stipulated measurement method of heating capacity some kinds of errors may be introduced and the judgement of performance may be influenced.Here another testing method—drainage method was proposed.In the method，the test can start，only when the temperature in the tank reaches 55℃.Then hot water was discharged from outlet，meanwhile 15℃water was poured in from inlet.Until the temperature difference between discharged water and inlet water is equal to or less than 0.5℃，the experiment will be over.The drainage curve graph was drawn，and the heating capacity of the units was calculated.The results show that comparing with the standard method，the heating capacity and COP by the drainage method both increase by 10.2% for the cyclic heating type，and increase by 12%for the static heating type.The study shows that the drainage method has higher measurement accuracy in the heat pump water heater performance test，and will have a promising application.

heat pump water heater；drainage method；heating capacity；performance coefficient；national standard

TB 65

A

2013-09-16

陳憶喆（1987-），女，碩士研究生.研究方向：制冷裝置測試技術(shù)及自動化.E-mail：feifeizixin＠126.com

李征濤（1964-），男，副研究員.研究方向：制冷與低溫技術(shù).E-mail：lengre01＠vip.sina.con

1007-6735（2014）04-0322-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.004