多功能冷热水机性能测试系统的研制

李玉春,王鸿博,徐言生,陈粟宋

(顺德职业技术学院,广东佛山528300)

热泵热水机采用逆卡诺循环原理,利用制冷系统的冷凝侧放热效应来制取热水,与各类热水器相比,具有一定的优势如表1所示[1],市场前景较为广阔。为规范热泵热水机的质量检测,国家质量监督检验检疫局及国家标准化委员化于2008年颁布了 《GB/T21362-2008商业或工业用及类似用途的热泵热水机》,针对此类新型热水机的测试系统研制,目前仅有文献 [2]论及了系统的组成、测试方法,而对测试系统研制进一步论述的尚未见诸于文献。

表1 家用热水器性能比较

由于风冷冷水机组,风机盘管等在制冷量[3,4]测试过程中,也都采用一受控水温的水源,利用进出口水的焓差及流量来测算制冷量 (制热量),因而,开发一种既适用于热泵热水机,又适用于风冷冷水机组以及风机盘管的测试系统就成为了可能。

1 研制任务

本测试系统用户为广东省质量监督局制冷空调产品检测站 (顺德站),由于站内已有空调焓差室一套,可对环境温度在-15～45℃范围内调节,故只需在原焓差室基础上增加水系统即可。测试系统按被测机制热量在2.5～30kW之间进行设计。

2 测试系统水系统方案设计

水系统如图1所示,测试系统共有两个水箱W1、W2,对于一次加热式热水机测试,要求进水温度在15±0.3℃,水箱容量过小易引起水温较大波动,故采用较大水箱W1,W1中内置电热管,另有冷热水源设备M与之相连,当W1中电加热管、冷热水源设备产生的冷量 (热量)与被测机产生的热量 (冷量)以及环境漏热量相平衡时,W1中水温可保持稳定。系统中利用电动三通阀V来调节水流量,利用T3、T4来测量被测机进、出口水温,根据被测机的大小,自动调节水流量 (水流量由流量计G测得),使被测机出口温度保持55±0.3℃。根据进出口水温,水流量可计算出被测机的制热量。

对于循环加热式热水机,水箱容量无需太大,为减少水箱热惯性对测试结果的影响,采用一较小的水箱W2,在1/4水位高度和3/4水位高度上各布4个温度传感器,其平均值即为水箱W2中水温。水箱置于一电子称上,可精确称出W2中的水量,试验开始时,先由冷热水源设备制取12℃左右的水,送入W2中 (此时V8打开,V4、V5截止),当送入水量等于被测机一小时的额定产水量时,断开送水泵P1,开始启动水泵P3及被测机(此时V6、V7打开),此时,水温逐渐上升,当升至15±0.3℃时,开始计时,试验正式开始,一直到水温达到55±0.3℃时止。

根据水箱W2中水质量,试验起、止时水温,试验所用时间,即可计算出被测机试验时段的平均制热量。

当被测机为风冷冷水机组时,测试方法与一次加热式热水机相同,只是进口水温为12±0.3℃,出口水温为7±0.3℃而已。

图1 测试系统水路

当被测机为风机盘管时,根据标准需测试空气侧制冷量和水侧制冷量,可利用现有焓差室的风量测试装置来测试风机盘管的风量,利用进出口空气焓差测试空气侧的制冷量;水侧制冷量测试方法与一次加热式热水机相同,只是进口水温为7±0.2℃,出口水温为12±0.2℃。

被测机 (空气源)热源侧所需的环境温度和湿度由原焓差室设备提供。

3 测试系统控制电路方案设计

控制系统的基本思路是利用PLC具有体积小、抗干扰能力强的优点来进行远程数据的采集,利用计算机强大的数据运算与处理能力功能进行数据采集后的后续处理。系统见图2,将温度传感器、压力传感器探测的信号经A/D转换后送入PLC;将水流量传感器的脉冲信号直接经PLC自带的计数通道接入;PLC自带的数字输入通道则接受来自电控柜按钮的指令。

系统采用的电参数测量仪由于具有通讯功能,可由计算机直接读取测量数据。计算机对采集数据运算处理后,形成的运算结果及控制指令返送PLC,由PLC输出数字量控制试验设备如泵、电磁阀、冷热水源设备等的启停,以及由PLC输出控制量后经D/A转换模块形成模拟的控制信号 (4～20mA或0～10VDC),用于控制电动三通阀的开度或电加管的功率等。

图2 测试系统电路组成

4 数据采集的抗干扰

由于试验室环境有较多变频器及变频电源,故控制系统设计中须做好抗干扰的措施,本文测试系统采用了隔离变压器,传感器传输线采用屏蔽线,屏蔽层须接地良好,PLC及A/D、D/A须配备高性能的稳压电源,根据现场需要,对精度要求较高,传输距离过长的线路配接适当的滤波电阻、滤波电容等。

5 数据运算与处理

采取了上述抗干扰措施后,采集的温度数据波动仍然较大,此时,还需采用软件滤波的方法,一般软件滤波有中值滤波、算术平均滤波、去极值平均滤波等算法,本系统采用的是滑动平均滤波算法,从而使温度波动极小,达到高稳定性要求。

控制系统硬件中没有PID调节器,因此,需利用软件编制PID调节子程序,计算机根据温度偏差(当前温度-设定温度)值、温度偏差值的微分项,温度偏差值的积分项计算出当前的控制输出量,PID的常见基本算法有位置式、增量式以及若干改进型算法,本系统为避免输出控制量出现较大波动,采用增量式为基本算法的改进算法,同时为使系统的适应性更好,PID调节子程序还带有自整定功能,自整定算法采用继电器振荡法。

6 测试界面及报表

利用采集的温度值,流量计、功率、电流等参数,按照国标的计算公式,可计算出各种性能参数,如制冷量、制热量、单位时间产水量、COP等。

测试界面及测试报表生成程序采用组态软件编写,测试界面友好,直观,各种设备运行状态动画显示,所采集、运算生成的数据实时地显示在测试系统图中,电控柜按钮与计算机鼠标点击双重有效,报表生成后可打印、存盘,历史数据可绘制成曲线,随时可查。

7 测试系统校对

该测试系统于2008年10月交广东省质量监督局制冷空调产品检测站 (顺德站)试用半年,效果良好,精度完全满足国标要求见表2。

表2 温度系统测量精度

测试系统的用PT100、涡旋流量计、电参数测量仪均经计量单位判定合格。制热量的校对采用一电加热管,利用测试系统测出电加热管的进出水温差及水流量,可计量出电热管发热量,同时也测得电加热管的功率,可得其实际发热量,二者相比较可得水系统制热量测试的精度符合国标要求;制冷量的校对采用风机盘管进行,利用本测试系统测得风机盘管的进出水温差及水流量,可算出水侧制冷量,再利用经检定合格的现有的焓差室对风侧的制冷量进行测试,二者相差不大于±3%,说明水系统制冷量测试精度符合国标要求。

[1] 刘强,樊水冲,何珊.喷气增焓涡旋压缩机在空气源热泵热水器中的应用[J].流体机械,2008,36(9):68-72

[2] 高磊,李征涛,王芳.空气源热泵热水机性能测试台的研制[J].制冷空调与电力机械,2009,(5):74-77

[3] GB/T 18430.2-2001蒸气压缩循环冷水 (热泵)机组户用和类似用途的冷水 (热泵)机组[S].

[4] GB/T 19232-2003风机盘管机组[S].