高精度热泵热水器制热量测试方法的实验研究

陈忆喆， 李征涛， 高联斌， 黄 超， 廖李平， 章晓龙

（1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2.珠海格力电器股份有限公司机电研究院，珠海 519070）

高精度热泵热水器制热量测试方法的实验研究

陈忆喆1， 李征涛1， 高联斌1， 黄 超1， 廖李平2， 章晓龙1

（1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2.珠海格力电器股份有限公司机电研究院，珠海 519070）

通过对国家标准GB／T23137—2008与GB／T 21362—2008中循环加热式及静态加热式热泵热水器制热量的测试方法的分析，发现制热量的测量存在误差，影响机组性能的判定.现提出另一种测试方法——排水法.待热泵热水器将水箱内的水加热至设定温度55℃后，从排水口将热水排出，同时进水口进入15℃的水，至排水温度与进水温度相差小于等于0.5℃，实验结束.绘制排水曲线图，计算出热泵热水器的制热量.结果表明，排水法较国标法测得的循环加热式的制热量平均增加了10.2%，性能系数COP增加了10.2%；静态加热式的制热量增加了12%，COP增加了12%.研究表明，排水法在热泵热水器性能测试中具有较高的精度.

热泵热水器；排水法；制热量；性能系数；国标

热泵热水器是一种利用电动机驱动、采用蒸汽压缩循环将低温热源的热量转移到被加热的水中来制取生活热水和采暖热水的设备.从节能环保来看，热泵热水器具有独特的优势及市场前景［1］.但由于热泵热水器在我国发展时间短，仍存在很多问题［2］.其中，热泵热水器制热量的测量方法就存在不足，使得热泵热水器制热量的测试精度不高，影响性能系数COP的准确计算.

目前热泵热水器的性能测试均采用国家标准GB／T23137-2008与GB／T 21362—2008［3-4］来测试（以下简称国标法）.但是，在实际测量过程中，水箱内的水温不是均匀分布，温度高的水，密度低，往水箱上部走，而温度低的水就会出现在水箱下部，出现了水箱温度分层现象［5-6］，影响实验测试的准确性.为了让水箱内的水混合均匀，许多学者提出了采用循环泵或挡板等来帮助水箱内的水混合.虽然此法有助于水温均匀，但是，循环水泵的参与势必会造成部分热量损失，且漏热［7］和蓄热难以精确计算，水箱的平均温度仍然是难以精确测量，甚至增加额外能量消耗.针对这一问题，本文提出了排水法，很好地解决了温度分层问题，使制热量测量更准确，也更具合理性.

1 排水法的基本定义及计算公式

本实验的排水法是借鉴国家标准［8］中的热量测试方法而提出的，此法操作简单，不考虑储热水箱中的温度分层问题，测得的制热量更接近机组实际制热量.

待热泵热水器运行后，将水箱内的水加热至设定温度55℃后停止，参考文献［9］，水箱排水口将热水以400～600 L／h的恒定流量排出，同时由进水口补入进水温度Tb=15℃的冷水，直到排水温度与进水温度相差小于等于0.5℃，且排出的水总流量大于3倍水箱容积V时，排水测试结束，并认为水箱中的热量被全部排出，且此热量即为热泵热水器的制热量.

此排水法实验要求至少每15 s测量一次排水温度Td，至少每放出水箱容积的1／10时记录一个平均值，且进入水箱的冷水温度的波动不超过±0.25 K，漂移不超过0.2 K.然后利用所测得的温度作如图1所示的排水曲线图.

水箱内所含的制热量Qc与排水温度Td曲线和进口水温Tb曲线之间的面积成正比.假设mi为第i次的排水质量，Tdi，Tbi分别为第i次的排水温度及进水温度，cp为水的比定压热容.采用排水法测得的制热量

从式（1）中可以看出，在实验中，测量时间间隔越短，即测量次数i值越大，实验误差就越小，所测得的制热量就越接近真实值.此排水法应用数学微积分原理，记录并计算制热量，该法减少了温度分层引起的误差，实验结果更准确.

图1 排水曲线图Fig.1 Drainage curve diagram

2 实验研究

2.1 实验装置

实验采用国家标准焓差实验装置进行测试，包括室内侧、室外侧和控制室.主要由空气处理系统、环境实验室水处理系统、测控系统及数据采集系统等组成，自动化程度较高，能准确控制相关变化，进行数据采集.实验采用空气源热泵热水器分别对循环加热式及静态加热式进行制热量的测量，实验测量仪表主要有电磁流量计AXF025G，铂电阻Pt100，安捷伦数据采集器Agilent34970A.实验装置及所需测点如图2和图3所示（见下页）.

循环加热式热泵热水器实验时采用储水容积为300 L的承压标准水箱，制冷剂为R22，循环热水流量为2.4 m3／h.静态加热式热泵热水器采用水箱容积为150 L，制冷剂为R22.

2.2 实验方法及条件

分别对循环加热式及静态加热式进行制热量的测试.在循环加热式实验时，关闭阀门5，21，28，即可采用国标法来进行制热量的测量.实验中记录温度、流量及功率等相关数据.机组停止后，打开阀门5，13，21，28，即可采用排水法进行制热量的测量.由PID控制器（比例-积分-微分控制器）调节控制进水流量，记录相关数据.在本装置中考虑了热泵热水器与测试水箱连接管中的热量，增设了阀门21和 28.在排水法测试中，热泵热水器与标准水箱间存在高落差，可由重力作用将此热量排出.

图2 循环加热式热泵热水器实验系统Fig.2 Test system for the cyclic heating type of heat pump water heater

图3 静态加热式热泵热水器实验系统Fig.3 Test system for the static heating type of heat pump water heater

在静态加热式实验时，只需关闭阀门5，即可进行国标法测试.机组停止后，打开阀门5和13，进行排水法测试.由PID控制进水流量，直到排水与进水温差小于0.5℃时实验结束，记录相关数据.

循环加热式及静态加热式排水法实验时均进行4次排水测量，它们均在名义工况基础上进行，如表1所示.

表1 排水法测量名义工况Tab.1 Normal condition of the measurement by drainage method

3 实验结果及分析

3.1 循环加热式排水法测量实验结果分析

从图4中可以看出，起始排水温度要高于设定值55℃，这是由于水箱水温度分层原因引起的，且随着排水量的增加，排水温度逐渐降低，在排水量大约为100～300 L时，排水温度近似呈线性降低，其后平缓减少，至到排水与进水温差小于0.5℃.由式（1）可以计算出4次排水的制热量分别为29.32，29.31，29.35，29.29 kW，则平均制热量为29.32 kW，消耗功率为6.82 kW，COP为4.3.而国标法测得制热量为26.6 kW，COP为3.9.可见排水法较国标法测得的制热量提高了10.2%，COP提高了10.2%.

图4 循环加热式排水量与排水温度曲线图Fig.4 Displacement and drainage temperature graph of cyclic heating

3.2 静态加热式排水法测量实验结果分析

图5（见下页）是静态加热式热泵热水器按照排水法测得的排水温度曲线图，同样由于温度分层问题，刚开始排水时温度高于55℃.随着排水量的增加，排水温度逐渐降低，在排水量约为50～150 L时，排水温度近似呈线性降低.由式（1）可计算出4次排水的制热量为2.67，2.65，2.62，2.60 kW，平均制热量为2.63 kW，且消耗功率为0.56 kW，COP为 4.7，而国标法测得的制热量为2.35 kW，COP为4.1.排水法较国标法测得的制热量提高了近12%，COP也提高了近12%.

4 排水法与国标法的比较

从实验数据可以看出，排水法测得的制热量高，更接近实际制热量，且静态加热式采用排水法测试的效果更优.循环加热式也考虑了测试水箱与热泵热水器连接管间储存的热量，测得的制热量增加.国标法测量水箱温度时，基本上均采用在水箱中部上下布置测点，然后取其平均值作为水箱温度.由于水箱温度存在分层问题，水箱上部温度较下部温度高，有时甚至相差10～20℃，水箱内水温分布不均匀，很难准确测量水箱温度，制热量也难以精确判定.而排水法避免了温度分层引起的水温分布不均问题，可准确计算热泵热水器制热量，测量方法简单、易操作，具有可行性.

图5 静态加热式排水量与排水温度曲线图Fig.5 Displacement and drainage temperature graph of static heating

5 结 论

对循环加热式及静态加热式热泵热水器制热量采用国标法及排水法这两种方法进行测量，验证了水箱温度分层对水箱温度测量精度的影响.实验结果显示，排水法测量制热量更具优势，且操作简单、测量精度高，在行业发展中具有应用前景.

a.测量循环加热式热泵热水器时，排水法较国标法测得的制热量提高了10.2%，性能系数COP提高了10.2%，排水法测量精度高.

b.测量静态加热式热泵热水器时，排水法较国标法测得的制热量提高了12%，性能系数COP提高了12%，排水法测量精度高.

c.在排水法测量过程中，有一段排水量所对应的排水温度近似线性降低.

［1］ Rousseau P G，Greyvenstein G P.Enhancing the impact of heat pump waters heaters in the South African commercial sector［J］.Energy，2000，25（1）：51-70.

［2］ 张剑飞，秦妍.空气源热泵热水机形式对比分析［J］.制冷与空调，2011，11（3）：20-23.

［3］ 中国国家标准化管理委员会.GB／T23137-2008家用和类似用途热泵热水器［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［4］ 中国国家标准化管理委员会.GB／T 21362-2008商业或工业用及类似用途的热泵热水机［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［5］ 王丹丹，单尚礼，王瑞祥.采用柱状冷凝盘管加热的ASHPWH箱内水温分布研究［J］.北京建筑工程学院学报，2006，22（3）：36-39.

［6］ 王丹丹.空气源热泵热水器封闭水箱内水的温度场及流场研究［D］.北京：北京建筑工程学院，2006.

［7］ 於慧姝，陆春林，金苏敏.热泵热水器蓄热水箱的漏热损失分析［J］.流体机械，2010，38（11）：81-84.

［8］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB／T 18708-2002家用太阳热水系统热性能试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2002.

［9］ 刘金平，张治涛，刘雪峰.空气源热泵热水器储水箱动态性能试验研究［J］.太阳能学报，2007，28（5）：472-476.

（编辑：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

陈忆喆（1987-），女，硕士研究生.研究方向：制冷装置测试技术及自动化.E-mail：feifeizixin＠126.com

李征涛（1964-），男，副研究员.研究方向：制冷与低温技术.E-mail：lengre01＠vip.sina.con

1007-6735（2014）04-0322-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.004