热泵热水器能效检测试验台的研制与应用

姜敬德，李 敏，王睿智

（上海出入境检验检疫局机电产品检测技术中心，上海200135）

1 前言

开发的热泵热水器能效检测试验台是专门用于检测各种热泵热水器工作过程中能效系数的设备。试验台系统自带大功率电热元件和冷水机组，分别用于冬天和夏天检测时调节系统初始工作状态以便满足标准要求。整套机组按照 《商业和工业用及类似用途的热泵热水机》标准要求设计制造，并用于按照上述标准检测相应热泵热水器工作室的能效系数。

2 工作原理及系统结构

根据 《商业和工业用及类似用途的热泵热水机》标准要求测试多次循环热泵热水器的能效系数。被测试多次循环热泵热水器的额定制热水量为70～500L／h。

按照上述标准的要求，多次循环热泵热水器能效系数的检测初始条件为：环境温度20℃，环境风速不大于0.5m／s，保温水箱内水温初始值为15±0.5℃；然后使用热泵热水器循环加热水箱内存水，直至其温度达到55±0.5℃；记录热泵的进水温度、出水温度、被加热水的体积、加热时间以及耗电量；最后使用标准规定的公式计算出热泵热水器的能效系数。

根据上述测试要求和流程，本系统主要由不锈钢保温水箱、冷水机组、流体加热系统、流体循环搅拌系统、传感器、控制系统、移动车组成。系统的结构框图参见图1，系统具体机械结构图参见图2。

2.1 不锈钢保温水箱

长方体保温水箱用于承装检测试验过程中所用的清水。箱体材质为304不锈钢冷轧薄板，通过氩气保护焊方法加工而成。保温隔热措施没有采用常用的聚氨酯发泡工艺 （因聚氨酯发泡隔热层使用时间长了以后容易膨胀导致箱体变形），而是用了两层箱壁之间添加隔热棉的措施以避免箱体使用中变形。箱体侧壁上开有与冷却机组进出水管相连的进液管路和回液管路以便将箱内介质引出箱外通过冷却机组冷却，该两段管路出口处安装了两只不锈钢电磁阀，测试过程中处于截止状态，同时阀门及管路外包保温材料，避免使用过程中与外界发生过多的热交换而导致过大的测试误差。箱体上还安装不锈钢放液阀、不锈钢空气滤清器、不锈钢液位计、不锈钢高低液位继电器、溢流管等。其中不锈钢高低液位继电器用于远程指示箱体内介质的液位高低控制，特别是液位过低时，它可控制系统自动停泵以避免系统损坏。

2.2 冷水机组

冷水机组主要用于将保温水箱内的清水介质冷却到试验要求的初始温度值15±0.5℃。系统主要制冷部件为1台进口全封闭涡旋式压缩机，它使用一台离心式水泵将保温水箱内的清水介质抽出后流经蒸发器使其得以冷却而温度下降，制冷剂吸收的热量最后在铝翅片套铜管式冷凝器中释放并通过大流量外转子轴流风机散发至周围大气中。机组自带数显微电脑温度控制器，具有温度异常、电源逆相、高低压故障、压缩机过载、压缩机过热、水泵过载、低水位警报和电路短路等报警和保护功能，主要元器件为进口或合资产品。

2.3 流体加热系统

考虑到冬天试验时，机组所在地的环境温度可能为0℃或以下。故设备中配套安装一套流体加热系统用于将温度过低的清水介质加热到试验要求的15±0.5℃。主加热元件为304不锈钢电加热器，安装在保温水箱箱体侧壁上，其功率选为15kW，这样可以使得保温水箱内的存水在30min左右的时间内达到15±0.5℃。在控制系统中另为该电加热器配备一台调功器和PID调节器以便根据箱体内清水的具体温度确定所需要的电加热功率，确保试验介质的温度及其精度满足测试要求。

图1 热泵热水器能效检测试验台系统结构

图2 热泵热水器能效检测试验台正面视图

2.4 流体循环搅拌系统

流体输送系统由不锈钢水泵、各类阀门和过滤器等组成。

按照标准要求，测试过程中循环水泵的标称流量应不小于水箱有效容积的1／2。故本系统内配备了一台不锈钢循环水泵用于从水箱内抽取介质，供应试验中被测试的热泵热水器。水泵额定参数选为流量7m3／h，扬程33m，功率1.5kW。

不锈钢过滤器用于过滤介质中可能含有的固体颗粒，尽量保持介质的洁净度以延长后续各类阀门的使用寿命，其过滤精度按照40～50目选择 （约为13～38μm），流量按照泵的最大流量的2～3倍选择以提供尽量长的系统使用时间，减少系统维护频率。

本系统内使用的管路均为304不锈钢无缝管路，耐压性能满足系统水泵的最大输出压力要求。为保证管路的联接密封效果，使用焊接法兰连接，焊接时使用氩弧焊焊接。接头连接时使用密封垫密封或成型的金属密封。

系统内使用的阀包括高压球阀、安全阀等。

不锈钢高压球阀用于输送管道的开关控制，其上带有阀门状态指示开关，水泵开启前如果阀门处于关闭状态，系统会自动报警。

不锈钢安全阀主要用于系统工作时限制系统的最大工作压力，防止系统万一发生超压时产生设备损坏或人身伤害事故，其设定压力选为系统最高工作压力的1.1倍。本系统内使用弹簧起跳式安全阀，该阀的阀芯在系统超压时能够自动起跳，卸除系统内的高压压力。

系统内使用耐振电接点压力表来显示系统内压力，并与控制系统联动，起到保护作用。压力表材质为304不锈钢。

2.5 传感器

传感器一个是Pt100水温传感器，用于将系统内的水温信号转变为电信号，输送到控制系统内以便检测保温水箱内的水温，并配合控制系统完成试验的开始和结束控制。另外两只Pt100水温传感器用于检测热泵进水口和出水口的水温并发送至数据采集系统处理。

另一个传感器是配备RS232数字接口的台式电子秤。它负责称量保温水箱内储存的清水介质的质量并将其转换成数字信号送往数据采集系统以便进一步处理。

第三种传感器是配备RS232或485数字接口的数字电度表，它负责测量热泵热水器在被测过程中消耗的电量并转换成数字信号送往控制系统供处理。

2.6 控制系统

本控制系统包括设备内使用的强电和弱电控制。主控元件为一台小型计算机，配合进口PLC及空气开关、接触器、继电器和调功器等电器元件完成系统的控制功能。

计算机内安装数据采集软件，配合USB接口的数据采集板卡完成水温、水箱重量的数据采集并通过控制软件完成数据和测量曲线的显示，试验结束时，完成热泵热水器能效测量结果的计算和显示。系统可将采集到的试验数据存储为数据文件供备查。

2.7 移动车

为方便设备的安装调试及运输，本机组全部设备安装在一个可移动并可锁定的车架上，车架上罩有一个基本密闭的罩壳。罩壳四周开有用于维护和检修用的门，顶部也设有可开启的盖板并可支撑。罩壳的一端设有水箱进出液管道和阀门，另一端有输出管道和阀门接口。

3 系统性能参数

最大工作压力：0.33MPa

设计压力：1.0MPa

最大输出流量：7m3／h

最大加热功率：15kW

最高流体温度：55℃

输出回路数：1路

过载保护压力：0.4MPa可调

机组功率：≤17kW

电源要求：22kW，AC380V，50Hz，三相

外形尺寸与重量：长2050mm，宽1100mm，高1450mm，850kg（不含工作介质）

4 总结

国家对于热泵热水器等产品的安全性越来越重视，对于要扩展热泵热水器能效测试能力的第三方实验室以及企业实验室来说，如何建造满足标准要求的热泵热水器能效检测试验台是个重点。本课题研究的热泵热水器能效检测试验台能很好的满足标准的检测条件要求，并达到高精度控制、运行平稳有效、节约能耗的特点，对于第三方实验室以及企业实验室是很好的参考价值，在以后的热泵热水器的能效检测领域有很好的应用价值。