家用静态热泵热水器热损耗标定装置及方法浅析

2021-11-09王志坤马安娜杨双蔡宁李浩徐玲陈洁

家电科技 2021年5期

王志坤马安娜杨双蔡宁李浩徐玲陈洁

1.中家院（北京）检测认证有限公司北京 100176；2.滁州市技术监督检测中心安徽滁州 239000

1 引言

随着国家大力倡导节能减排政策以及人民节能环保意识的不断提高，热泵热水器作为一种利用空气能的产品，因其节能高效且对环境友好的特性，发展规模逐年壮大。为适应热泵热水器产品的升级换代，新版标准GB/T 23137-2020《家用和类似用途热泵热水器》[1]在2008版[2]的基础上，针对热水器的性能检测方法及其要求上做了较大幅度的修改，该标准已于2020年11月1日开始实施。

其中，对于静态加热式热泵热水器的性能测试要求，特别增加了规范性附录C水箱内水温试验测试方法。该方法中对混水时间、判定时间、管路的材质以及混水流量都提出了明确要求，这些要求使得性能试验都在一个标准条件下进行测试，便于测试数据的统一性，由此带来的优势是显而易见的，但同时对测试装置及试验操作带来了更为严苛的挑战。为应对新版标准的实施，热泵热水器生产企业及相关检测机构都需要对试验室进行相应的功能升级。鉴于上述原因，本文提出一种既满足标准要求又能最大限度兼容原有试验室的自动测试装置[3][4]，以期更好地为标准的落地实施提供设备支撑。而测试过程中为保证结果的可靠性和一致性，装置自身的漏热量是不容忽略的，由此需要按照要求以及装置特性进行热损耗标定，计算附加误差之后对温度等进行相应的补偿修正。基于此，本文针对热损耗标定系统的设计原理以及测量的实现等进行了详细的介绍，以便相关人员参考实施，为热泵热水器产品的标准化发展提供帮助和支持。

2 设计原理

针对混水系统无法实现自动测量附加误差的缺陷，本文结合新版标准的要求，设计了一套热损耗标定系统，实物如图1所示。该系统主要通过电热平衡原理实现对混水装置热损耗的标定。标定基本流程为：首先启动标定水箱自循环，测试标定装置的自身保温性能、电加热效率以及漏热量；其次将标定水箱代替被测样机连接到混水系统中，在特定环境下对混水装置热损耗进行标定。

图1 标定水箱实物图

3 软、硬件实现

本文热损耗标定系统主要由以下几部分组成：

（1）保温箱体。保温箱体由内外两层构成，两层箱体中间均匀填充保温材料，满足保温的性能要求。

（2）搅拌泵。水在加热过程中，不同高度的水在温度上存在差异，为了解决水温分层问题，需要使用搅拌泵搅拌将水箱内的水混合后，测量平均水温。

（3）电加热棒。电加热棒是实现电能和热能转换器件，安装于保温箱体内部，工作时间及电压由功率调节器根据实际水箱温度和设定温度，通过PID智能算法，实现动态调节。

（4）功率调节器。功率调节器会根据温控表的输出信号，动态调整加热棒的工作时间或电压，常用的功率调节器有两个形式，一固态继电器类型，通过固态继电器连续通断，实现对加热量的控制；另外一种通过调节输出电压，温控表精度为0.1级。

（5）功率计。采用精度0.2级数字电参数仪，保证电量测量的准确。

（6）温度保护器。实现水箱水温保护的重要部件，防止由于水箱温度过高对设备或者人员造成危害。

（7）温度测量单元。使用PT100温度传感器，测量水箱温度，精度1/3 B级。

（8）测试系统。计算机使用通讯接口与功率表、温控表、搅拌泵连接，功率表记录加热器消耗功率，温控表使用温度传感器测量值来控制调功器的输出，调功器直接控制加热器，实现温度控制，计算机将采集到的数据显示出来，同时存储到数据库中，实现查看和数据分析。测控系统如图2所示。

图2 测控连接图

4 热损耗标定方法实例分析

配合自研的混水测试装置，标定水箱的容量确定为200 L，分别对其进行保温性能测试、漏热量测试和混水系统附加误差的测量，通过对采集数据的分析处理，实现混水系统热损耗的补偿修正。

4.1 标定水箱保温性能测试

进行标定前，首先需要对标定水箱的自身保温性能进行测试，测试结果应满足标准GB/T 23137-2020中第5章表5对应的保温要求。

本文所述的标定水箱容积为200 L，测试前首先对环境工况进行设置，温度需保持在20℃±2℃，且试验室的风速不应超过0.5 m/s。将水箱加满15℃±0.5℃的水，设定水箱出水温度为55℃，开启电加热和搅拌泵。当出水温度运行到满足55℃±0.5℃时，关闭电源，保持静置状态24 h。由于水箱内的水温存在分层现象，所以需要再次开启搅拌泵，使水温进行充分混合，测得出水温度，最终测得水温下降值为6.2℃。

在保温性能测试的基础上，可按照式（1）进一步计算标定水箱的电加热效率，结果为97.6%（水的比热容值取4186，单位为J/kg·k）。

式中：

η-电加热效率，由于电加热的工作性质，虽然水温会对效率有影响，但影响较小，所以文中出现的电加热效率，均以此公式计算结果为主；

EL-标定水箱由初始温度加热至设定温度所需输入的电能，单位为kW·h；

T2-标定规定的水箱水加热后的平均水温，单位为℃；

T1-标定规定的水箱水加热前的水温，单位为℃；

V-水箱容积，单位为L。

4.2 标定水箱漏热量测试

在标定水箱满足保温性能的基础上，进一步完成水箱的自身漏热量测试，该试验可在保温性能测试后直接测试。

再次开启电加热，使出水温度达到55℃±0.5℃的要求。为了和标定水箱与混水系统连接后的混水状态保持一致的水流流动性和电加热运行状态，当出水温度达到55℃±0.5℃时，搅拌泵和电加热器不停止运行，仍保持该运行状态运行一段时间，最后测量标定水箱维持出水温度所补偿输入的电能，计算水箱的自身漏热量。

水箱漏热量计算公式如下：

式中：

Qs-水箱漏热量，单位为W；

E-标定水箱恒定水温补偿输入的电能，单位为W·h；

η-电加热效率；

H-标定水箱恒定水温运行时间，单位为h。本次标定水箱在测量过程中，保持水温恒定运行了7.85 h，耗电量达到188.23 W·h，测得水箱的自身漏热量为23.4 W。

4.3 混水系统附加误差测量

混水装置附加误差测量的原理为：首先计算混水系统与标定水箱连接后维持水温所补偿的电能，计算出整个系统的漏热量；然后减去标定水箱自身漏热量，即为混水系统的漏热量；再根据混水装置附加误差公式，最终可算得混水系统的附加误差。

混水系统附加误差δ的计算公式（水的比热容值取4186，单位为J/kg·k）如下：

式中：

δ-混水系统附加误差；

QL-混水系统在测量时的散热量，单位为J；

Q-标定水箱水的热增量，单位为J；

η-电加热效率；

V-水箱容积，单位为L。

在进行试验前，先将标定水箱的水排空，然后再将标定水箱连接到混水系统循环水路中，进水温度需保持在15℃±0.5℃，注水完成后，再将混水装置与标定水箱连接的软管内的水排空。

试验环境保持标况下的温度和风速，开启标定水箱电加热和搅拌泵，当出水温度达到55℃±0.5℃时，关闭标定水箱自身循环的阀门，开启混水阀门，进行混水。标准对不同容积的水箱有相应的混水时间要求，200 L的水箱对应的混水时间是6 min，按照要求的时间混水后，测得该时间段所投入的电能，然后计算混水系统的附加误差。考虑到混水系统管路的蓄热以及漏热量等会对结果造成一定的影响，所以本次测试中对附加误差进行了补偿系数的计算，作为最终的计算结果。

本次测试中附加误差的最终结果为0.81%，标准中规定当附加误差0.5%＜δ≤1.0%时，需根据公式4的要求对实测值进行修正（水的比热容值取4186，单位为J/kg·k），修正后的结果整理详见表1。