家用靜態(tài)熱泵熱水器熱損耗標(biāo)定裝置及方法淺析

王志坤 馬安娜 楊雙 蔡寧 李浩 徐玲 陳潔

1.中家院（北京）檢測(cè)認(rèn)證有限公司 北京 100176；2.滁州市技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)中心 安徽滁州 239000

1 引言

隨著國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排政策以及人民節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷提高，熱泵熱水器作為一種利用空氣能的產(chǎn)品，因其節(jié)能高效且對(duì)環(huán)境友好的特性，發(fā)展規(guī)模逐年壯大。為適應(yīng)熱泵熱水器產(chǎn)品的升級(jí)換代，新版標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2020《家用和類似用途熱泵熱水器》[1]在2008版[2]的基礎(chǔ)上，針對(duì)熱水器的性能檢測(cè)方法及其要求上做了較大幅度的修改，該標(biāo)準(zhǔn)已于2020年11月1日開(kāi)始實(shí)施。

其中，對(duì)于靜態(tài)加熱式熱泵熱水器的性能測(cè)試要求，特別增加了規(guī)范性附錄C水箱內(nèi)水溫試驗(yàn)測(cè)試方法。該方法中對(duì)混水時(shí)間、判定時(shí)間、管路的材質(zhì)以及混水流量都提出了明確要求，這些要求使得性能試驗(yàn)都在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行測(cè)試，便于測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，由此帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，但同時(shí)對(duì)測(cè)試裝置及試驗(yàn)操作帶來(lái)了更為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)新版標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，熱泵熱水器生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)都需要對(duì)試驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)的功能升級(jí)。鑒于上述原因，本文提出一種既滿足標(biāo)準(zhǔn)要求又能最大限度兼容原有試驗(yàn)室的自動(dòng)測(cè)試裝置[3][4]，以期更好地為標(biāo)準(zhǔn)的落地實(shí)施提供設(shè)備支撐。而測(cè)試過(guò)程中為保證結(jié)果的可靠性和一致性，裝置自身的漏熱量是不容忽略的，由此需要按照要求以及裝置特性進(jìn)行熱損耗標(biāo)定，計(jì)算附加誤差之后對(duì)溫度等進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償修正。基于此，本文針對(duì)熱損耗標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理以及測(cè)量的實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，以便相關(guān)人員參考實(shí)施，為熱泵熱水器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展提供幫助和支持。

2 設(shè)計(jì)原理

針對(duì)混水系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量附加誤差的缺陷，本文結(jié)合新版標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計(jì)了一套熱損耗標(biāo)定系統(tǒng)，實(shí)物如圖1所示。該系統(tǒng)主要通過(guò)電熱平衡原理實(shí)現(xiàn)對(duì)混水裝置熱損耗的標(biāo)定。標(biāo)定基本流程為：首先啟動(dòng)標(biāo)定水箱自循環(huán)，測(cè)試標(biāo)定裝置的自身保溫性能、電加熱效率以及漏熱量；其次將標(biāo)定水箱代替被測(cè)樣機(jī)連接到混水系統(tǒng)中，在特定環(huán)境下對(duì)混水裝置熱損耗進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 標(biāo)定水箱實(shí)物圖

3 軟、硬件實(shí)現(xiàn)

本文熱損耗標(biāo)定系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

（1）保溫箱體。保溫箱體由內(nèi)外兩層構(gòu)成，兩層箱體中間均勻填充保溫材料，滿足保溫的性能要求。

（2）攪拌泵。水在加熱過(guò)程中，不同高度的水在溫度上存在差異，為了解決水溫分層問(wèn)題，需要使用攪拌泵攪拌將水箱內(nèi)的水混合后，測(cè)量平均水溫。

（3）電加熱棒。電加熱棒是實(shí)現(xiàn)電能和熱能轉(zhuǎn)換器件，安裝于保溫箱體內(nèi)部，工作時(shí)間及電壓由功率調(diào)節(jié)器根據(jù)實(shí)際水箱溫度和設(shè)定溫度，通過(guò)PID智能算法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

（4）功率調(diào)節(jié)器。功率調(diào)節(jié)器會(huì)根據(jù)溫控表的輸出信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)整加熱棒的工作時(shí)間或電壓，常用的功率調(diào)節(jié)器有兩個(gè)形式，一固態(tài)繼電器類型，通過(guò)固態(tài)繼電器連續(xù)通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱量的控制；另外一種通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓，溫控表精度為0.1級(jí)。

（5）功率計(jì)。采用精度0.2級(jí)數(shù)字電參數(shù)儀，保證電量測(cè)量的準(zhǔn)確。

（6）溫度保護(hù)器。實(shí)現(xiàn)水箱水溫保護(hù)的重要部件，防止由于水箱溫度過(guò)高對(duì)設(shè)備或者人員造成危害。

（7）溫度測(cè)量單元。使用PT100溫度傳感器，測(cè)量水箱溫度，精度1/3 B級(jí)。

（8）測(cè)試系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)使用通訊接口與功率表、溫控表、攪拌泵連接，功率表記錄加熱器消耗功率，溫控表使用溫度傳感器測(cè)量值來(lái)控制調(diào)功器的輸出，調(diào)功器直接控制加熱器，實(shí)現(xiàn)溫度控制，計(jì)算機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，同時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)查看和數(shù)據(jù)分析。測(cè)控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 測(cè)控連接圖

4 熱損耗標(biāo)定方法實(shí)例分析

配合自研的混水測(cè)試裝置，標(biāo)定水箱的容量確定為200 L，分別對(duì)其進(jìn)行保溫性能測(cè)試、漏熱量測(cè)試和混水系統(tǒng)附加誤差的測(cè)量，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析處理，實(shí)現(xiàn)混水系統(tǒng)熱損耗的補(bǔ)償修正。

4.1 標(biāo)定水箱保溫性能測(cè)試

進(jìn)行標(biāo)定前，首先需要對(duì)標(biāo)定水箱的自身保溫性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2020中第5章表5對(duì)應(yīng)的保溫要求。

本文所述的標(biāo)定水箱容積為200 L，測(cè)試前首先對(duì)環(huán)境工況進(jìn)行設(shè)置，溫度需保持在20℃±2℃，且試驗(yàn)室的風(fēng)速不應(yīng)超過(guò)0.5 m/s。將水箱加滿15℃±0.5℃的水，設(shè)定水箱出水溫度為55℃，開(kāi)啟電加熱和攪拌泵。當(dāng)出水溫度運(yùn)行到滿足55℃±0.5℃時(shí)，關(guān)閉電源，保持靜置狀態(tài)24 h。由于水箱內(nèi)的水溫存在分層現(xiàn)象，所以需要再次開(kāi)啟攪拌泵，使水溫進(jìn)行充分混合，測(cè)得出水溫度，最終測(cè)得水溫下降值為6.2℃。

在保溫性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，可按照式（1）進(jìn)一步計(jì)算標(biāo)定水箱的電加熱效率，結(jié)果為97.6%（水的比熱容值取4186，單位為J/kg·k）。

式中：

η-電加熱效率，由于電加熱的工作性質(zhì)，雖然水溫會(huì)對(duì)效率有影響，但影響較小，所以文中出現(xiàn)的電加熱效率，均以此公式計(jì)算結(jié)果為主；

EL-標(biāo)定水箱由初始溫度加熱至設(shè)定溫度所需輸入的電能，單位為kW·h；

T2-標(biāo)定規(guī)定的水箱水加熱后的平均水溫，單位為℃；

T1-標(biāo)定規(guī)定的水箱水加熱前的水溫，單位為℃；

V-水箱容積，單位為L(zhǎng)。

4.2 標(biāo)定水箱漏熱量測(cè)試

在標(biāo)定水箱滿足保溫性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成水箱的自身漏熱量測(cè)試，該試驗(yàn)可在保溫性能測(cè)試后直接測(cè)試。

再次開(kāi)啟電加熱，使出水溫度達(dá)到55℃±0.5℃的要求。為了和標(biāo)定水箱與混水系統(tǒng)連接后的混水狀態(tài)保持一致的水流流動(dòng)性和電加熱運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出水溫度達(dá)到55℃±0.5℃時(shí)，攪拌泵和電加熱器不停止運(yùn)行，仍保持該運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行一段時(shí)間，最后測(cè)量標(biāo)定水箱維持出水溫度所補(bǔ)償輸入的電能，計(jì)算水箱的自身漏熱量。

水箱漏熱量計(jì)算公式如下：

式中：

Qs-水箱漏熱量，單位為W；

E-標(biāo)定水箱恒定水溫補(bǔ)償輸入的電能，單位為W·h；

η-電加熱效率；

H-標(biāo)定水箱恒定水溫運(yùn)行時(shí)間，單位為h。本次標(biāo)定水箱在測(cè)量過(guò)程中，保持水溫恒定運(yùn)行了7.85 h，耗電量達(dá)到188.23 W·h，測(cè)得水箱的自身漏熱量為23.4 W。

4.3 混水系統(tǒng)附加誤差測(cè)量

混水裝置附加誤差測(cè)量的原理為：首先計(jì)算混水系統(tǒng)與標(biāo)定水箱連接后維持水溫所補(bǔ)償?shù)碾娔?，?jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的漏熱量；然后減去標(biāo)定水箱自身漏熱量，即為混水系統(tǒng)的漏熱量；再根據(jù)混水裝置附加誤差公式，最終可算得混水系統(tǒng)的附加誤差。

混水系統(tǒng)附加誤差δ的計(jì)算公式（水的比熱容值取4186，單位為J/kg·k）如下：

式中：

δ-混水系統(tǒng)附加誤差；

QL-混水系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)的散熱量，單位為J；

Q-標(biāo)定水箱水的熱增量，單位為J；

η-電加熱效率；

V-水箱容積，單位為L(zhǎng)。

在進(jìn)行試驗(yàn)前，先將標(biāo)定水箱的水排空，然后再將標(biāo)定水箱連接到混水系統(tǒng)循環(huán)水路中，進(jìn)水溫度需保持在15℃±0.5℃，注水完成后，再將混水裝置與標(biāo)定水箱連接的軟管內(nèi)的水排空。

試驗(yàn)環(huán)境保持標(biāo)況下的溫度和風(fēng)速，開(kāi)啟標(biāo)定水箱電加熱和攪拌泵，當(dāng)出水溫度達(dá)到55℃±0.5℃時(shí)，關(guān)閉標(biāo)定水箱自身循環(huán)的閥門(mén)，開(kāi)啟混水閥門(mén)，進(jìn)行混水。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同容積的水箱有相應(yīng)的混水時(shí)間要求，200 L的水箱對(duì)應(yīng)的混水時(shí)間是6 min，按照要求的時(shí)間混水后，測(cè)得該時(shí)間段所投入的電能，然后計(jì)算混水系統(tǒng)的附加誤差?？紤]到混水系統(tǒng)管路的蓄熱以及漏熱量等會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的影響，所以本次測(cè)試中對(duì)附加誤差進(jìn)行了補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算，作為最終的計(jì)算結(jié)果。

本次測(cè)試中附加誤差的最終結(jié)果為0.81%，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定當(dāng)附加誤差0.5%＜δ≤1.0%時(shí)，需根據(jù)公式4的要求對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行修正（水的比熱容值取4186，單位為J/kg·k），修正后的結(jié)果整理詳見(jiàn)表1。

表1 混水系統(tǒng)附加誤差及水溫修正結(jié)果

式中：

T2-修正后水箱加熱后的平均水溫，單位為℃；

EL-混水系統(tǒng)熱損耗標(biāo)定，恒定水溫補(bǔ)償輸入的電能，單位為kW·h；

η-電加熱效率；

V-水箱容積，單位為L(zhǎng)。

5 結(jié)論

熱損耗標(biāo)定系統(tǒng)是基于新版標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2020附錄C的要求開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，旨在輔助混水裝置附加誤差的分析和確定，完善靜態(tài)加熱式熱泵熱水器制熱量測(cè)試流程。

通過(guò)在保溫性能、漏熱量計(jì)算、附加誤差計(jì)算分析可知，相關(guān)參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，該裝置的提出可為靜態(tài)熱泵熱水器的性能測(cè)試提供良好的設(shè)備支撐和技術(shù)手段。