一种商用循环热泵热水器性能测试装置及测试方法与流程

本发明涉及一种商用循环热泵热水器性能测试装置及测试方法，主要用于商用循环热泵热水器能力测试，属于空调及热泵技术领域。

背景技术：

热泵热水器与空调类似，只是传热介质是水,其吸收制冷系统冷凝器的热量获得热水。热泵热水器的测试原理是通过测试被测的热泵热水器加热水量及加热时间来计算热泵热水器的制热量。热泵热水器分为四类：一次加热式、商用循环加热式、家用循环加热式和家用静态加热式。目前标准GB/T 21362-2008规定的商用循环热泵热水器的测试方法是用标准水箱模拟用户水箱，通过管路、水泵连接标准水箱和被测机，测试标准水箱内布置的8个铂电阻平均温度作为测试水温，因为该温度不是在被测机进出口处测得，所以标准要求要在所测得的制热量基础上加上漏热量和水箱的蓄热量作为商用循环热泵热水器的最终制热能力。

目前标准GB/T 21362-2008规定的商用循环热泵热水器的测试方法所用测试装置如图1和图2所示。图1为提供水泵的热泵热水器的测试装置示意图，图2为不提供水泵的热泵热水器的测试装置示意图，其中，1是被测机组(被测机)，8是水泵，7是标准水箱，9是温度计；通过管路将被测机1与标准水箱7、水泵8连接。这种测试方法和测试装置由于管道及标准水箱漏热的影响，本身就存在着较大的测试不确定度，所以测试偏差较大、一致性较差。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种商用循环热泵热水器测试装置，该装置能采用直接测试方法测试商用循环热泵热水器的能力(即热泵制热量)，该测试装置能减少测试过程中的干扰因素，所以能够准确测得商用循环热泵热水器的热泵制热量。本发明的另一目的是提供一种商用循环热泵热水器测试方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种商用循环热泵热水器性能测试装置，所述测试装置包括：出水口测温元件、三通阀、流量计、标准水箱、水泵、进水口测温元件以及连接管路；其中，

所述出水口测温元件设置于被测机的出水口处，用于测试所述被测机的出水温度，所述被测机为所述商用循环热泵热水器；

所述三通阀的第一入口与所述被测机的出水管路连接，所述三通阀的第二入口与外部的恒温水进水管路连接，所述三通阀的出口经所述标准水箱的进水管路与所述标准水箱连接；

所述流量计设置于所述三通阀和所述标准水箱之间的进水管路上；

所述标准水箱用于储存被加热介质水；

所述水泵设置于所述标准水箱的出水管路上，用于将储存于所述标准水箱中的被加热介质水输送至所述被测机的进水口；

所述进水口测温元件设置于所述被测机的进水口处，用于测试所述被测机的进水温度。

上述测试装置中，作为一种优选实施方式，所述测试装置还包括控制系统，所述控制系统与所述出水口测温元件、流量计、进水口测温元件连接；用于实时采集、记录测试数据，并根据瞬时质量流量、瞬时进出水温度的平均温度下的水的比热、瞬时进水温度和瞬时出水温度计算所述被测机的瞬时热泵制热量，进而通过积算得到从试验开始时刻到试验结束时刻的热泵制热量，所述试验开始时刻为所述被测机的进水温度为设定初始温度时的时刻，所述试验结束时刻为所述被测机的出水温度为设定结束温度时的时刻，所述设定初始温度小于所述设定结束温度，且大于从所述恒温水进水管路注入的恒温水的温度。

上述测试装置中，作为一种优选实施方式，所述恒温水的温度为4℃～7℃。

上述测试装置中，作为一种优选实施方式，所述控制系统还与所述三通阀连接，当注水量达到设定值时，所述流量计向所述控制系统反馈控制信号，所述控制系统根据所述控制信号关闭所述三通阀的第二入口。

上述测试装置中，作为一种优选实施方式，所述出水口测温元件和所述进水口测温元件为热电阻、热电偶或温度计。

一种商用循环热泵热水器性能测试方法，采用上述商用循环热泵热水器性能测试装置，所述方法包括：

准备步骤，调节并控制测试房间内的环境温度为设定环境温度，打开所述三通阀的第二入口，预设容量的恒温水依次流经所述恒温水进水管路、所述三通阀、所述流量计和所述标准水箱的进水管路后注入所述标准水箱内，所述预设容量由所述流量计测量；

测试操作步骤，打开所述三通阀的第一入口，打开所述水泵和所述被测机，所述标准水箱内的水按照循环方式进行往复循环直至所述被测机的出水温度达到设定结束温度，循环方式为：所述标准水箱内的水依次流经所述标准水箱的出水管路、所述水泵后进入所述被测机内被加热，被加热后的水再依次流经所述被测机的出水管路、所述三通阀和所述标准水箱的进水管路后进入所述标准水箱内；

测试计算步骤，根据公式计算所述被测机的制热量，其中，Q是被测机的制热量，T₁是所述被测机的进水温度为设定初始温度时的时刻，T₂是所述被测机的出水温度为设定结束温度时的时刻，T是运行时间，即从T₁至T₂的时间，Q_i是被测机的瞬时制热量，Q_i＝m_si×C_pi×(t_outi-t_ini)，m_si是瞬时质量流量，C_pi是瞬时进出水温度的平均温度下的水的比热，t_outi是瞬时出水温度，t_ini是瞬时进水温度。

上述测试方法中，作为一种优选实施方式，所述恒温水的温度小于所述设定初始温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)现有标准的测试方法，由于测试端远离被测机，漏热量的影响较大，测试不准确；本发明提供的测试装置在被测机进出水管布置测温装置，在进水口布置水泵、在出水口布置流量计，通过所测得的进出口水温和水流量直接计算被测机的热泵制热量，代替了现有技术中用标准水箱的平均温度作为测试水温的做法，由于测试过程中减少了干扰因素，所以能够准确测得商用循环热泵热水器的热泵制热量。

(2)本发明提供的测试装置采用三通阀和流量计，一方面能够更准确地控制注水量，另一方面能够通过控制恒温水的进水温度为较低的温度，来保证在水温达到15℃之前工况重新稳定而无需冷却装置；本发明提供的测试装置结构简单，操作简便。

附图说明

图1为GB/T 21362-2008规定的提供水泵的热泵热水器的测试装置示意图；

图2为GB/T 21362-2008规定的不提供水泵的热泵热水器的测试装置示意图；

图3为本发明优选实施例中的商用循环热泵热水器测试装置示意图。

其中，1-被测机，2-出水口测温元件，3-进水口测温元件，4-三通阀，5-流量计，6-恒温水进水管路，7-标准水箱，8-水泵，9-温度计。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本发明提供一种商用循环热泵热水器测试装置，参见图3，该测试装置包括通过从被测机1(即热泵热水器)的出水口至被测机1的进水口的管路依次连接的出水口测温元件2、三通阀4、流量计5、标准水箱7、水泵8、进水口测温元件3，即被测机1的出水管路的一端与被测机1的出水口连接，另一端经三通阀4和标准水箱7的进水管路连通；被测机1的进水管路的一端与被测机1的进水口连接，另一端经水泵8与标准水箱7的出水管路连通，在标准水箱7的进水管路上设置有流量计5，流量计5靠近三通阀4侧，在被测机1的出水口处设置有出水口测温元件2，在被测机1的进水口处设置有进水口测温元件3。下面对以上部件一一进行说明。

出水口测温元件2和进水口测温元件3，分别安装在紧邻被测机1的出水口、进水口的位置，进水口测温元件2测试被测机1的进水温度t_in，出水口测温元件3测试被测机1的出水温度t_out。测温元件可以是热电阻如铂热电阻等，也可以是热电偶如镍铬-铜镍热电偶等，还可以是温度计如双金属温度计、玻璃温度计、半导体热敏电阻温度计等。

三通阀4，设置于出水口测温元件2和流量计5之间，用于连接出水口测温元件2和流量计5之间的管路，同时还与外部的恒温水进水管路6连接，即三通阀4的第一入口与被测机1的出水管路的另一端连接，三通阀4的第二入口与恒温水进水管路6连接，三通阀4的出口经标准水箱7的进水管路与标准水箱7连接。恒温水进水管路6内流通的水的温度为4℃～7℃，例如4℃、4.5℃、5℃、6℃、6.5℃、7℃。在本发明提供的测试装置中三通阀4有两种工作状态：当测试前由恒温水进水管路6向测试装置注水时，即向标准水箱7注水时，三通阀4应关闭与被测机1的出水口连接的管路(或称被测机1的出水管路)，即关闭三通阀4的第一入口，打开三通阀4的第二入口，而使得恒温水进水管路6与标准水箱7相通，从而使得恒温水能通过恒温水进水管路6进入测试装置，即恒温水能通过恒温水进水管路6经三通阀4的第二入口、三通阀4的出口，进入标准水箱7的进水管路，最终进入标准水箱7；注水完毕后，三通阀4应关闭恒温水进水管路6，即关闭三通阀4的第二入口，打开三通阀4的第一入口，而使得被测机1的出水管路与标准水箱7相通，从而自被测机1的出水口排出的被加热介质水经被测机1的出水管路、三通阀4的第一入口、三通阀4的出口，进入标准水箱7的进水管路，最终进入标准水箱7，换言之，此时被测机1、出水口测温元件2、三通阀4、流量计5、标准水箱7、水泵8、进水口测温元件2通过水管路连接在一起，测试过程中被加热介质水将在此水管路中循环。

流量计5，设置于三通阀4和标准水箱7之间，其作用与三通阀4的两种工作状态相适应，一是用于测量及控制实验开始时由恒温水进水管路6向测试装置注入的注水量，本发明实施例中流量计5具有自动累计功能，在开始注水后将自动计算注水量，确保注水量准确；二是在后续测量实验中测量循环水流量。本发明实施例中流量计5为质量流量计；注水前流量计5清零并设置好累计流量，当注水量达到设定值(即累计流量)时，下文的控制系统将自动关闭水路，保证准确注水量准确。本发明中流量计5也可以不带自动累计功能，而是通过下文的控制系统实现，具体为注水开始时计算机或PLC采集开始时的流量值并计算累计流量，在累计流量达到设定值时，关闭三通阀4与恒温水进水管路6之间的通路。

因为对于商用循环式热泵热水器，测试前需要向标准水箱注入一小时流量对应的水量，该值参与最终热泵制热量的计算，其准确性直接影响测试结果。但是标准并未明确规定如何注水，因为注水量是包含管路中的水，所以如果仅通过水箱的液位刻度值确定注入水箱中的水量来决定注水量是不准确的。相比现有技术中将注水口(或者称为补水口)设置于水箱上、直接从水箱补水的设计，本发明提供的热泵热水器性能测试装置中，恒温水进水管路6、三通阀4和流量计5的设置能够精确控制注入测试装置(也可以说是标准水箱)的水量。

在本发明中标准水箱7用于储存被加热介质水，与计算热泵制热量无关。

水泵8用于将储存于标准水箱7中的被加热介质水输送至被测机的进水口，从而驱动被加热介质水在水管路中的循环。

优选地，测试装置还包括控制系统，控制系统与出水口测温元件2、流量计5、进水口测温元件3连接；用于实时采集、记录测试数据，包括出水口测温元件2测得的出水温度、流量计5测得的流量、进水口测温元件3测得的进水温度以及试验时间，试验时间是从进水温度t_in达到设定的初始温度开始(即试验开始时刻)直至出水温度t_out达到设定的结束温度时(即试验结束时刻)所用时间，并通过计算商用循环热泵热水器性能测试装置的瞬时热泵制热量，进而通过积分积算得到从试验开始时刻到试验结束时刻的热泵制热量。上述控制系统可以是计算机或者PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)。设定的初始温度、设定的结束温度可以参照标准GB/T 21362-2008中的相关规定。对于普通型热泵热水器，设定初始温度为15℃，设定结束温度为55℃；对于低温型热泵热水器，设定初始温度为9℃，设定结束温度为55℃。在本发明提供的实施例中以设定的初始温度为15℃，设定的结束温度为55℃为例对商用循环水泵热水器性能测试方法进行说明。

更优选地，控制系统还与三通阀4连接，当注水量达到设定值时流量计5向控制系统反馈控制信号，此时控制系统根据控制信号关闭三通阀4的第二入口。在具体的实施例中，三通阀可以与计算机或PLC连接，当注水量达到设定值时流量计5向计算机或PLC反馈控制信号，此时计算机或PLC根据控制信号关闭三通阀的第二入口。

本发明的优选实施例提供商用循环热泵热水器测试装置的使用方法如下：测试前需要向测试装置注入一定量的恒温水，首先通过三通阀4关闭与被测机出水口连接的管路，使得恒温水进水管路6与流量计5相通，通过恒温水进水管路6向测试装置注水，流量计5的自动累计功能将自动计算注水量，确保注水量准确；

当完成注水后，三通阀4将关闭恒温水进水管路6，切换至被测机1的出水管路与标准水箱7相通；

进入测试状态时，载热介质水从标准水箱7流出进入水泵8、经过进水口测温元件2进入到被测机1，进水口测温元件2测试被测机1的进水温度t_in，水在被测机中经过换热后，温度升高从被测机1的出水口流出，流经出水口测温元件3时测试被测机1的出水温度t_out，再流过三通阀4、流量计5，由流量计5测试循环水质量流量M，进入标准水箱7，这样往复循环，直至被测机1的出水温度达到设定温度，结束试验。试验时间是从进水温度t_in达到设定的初始温度开始，出水温度t_out达到设定的结束温度结束。

计算瞬时制热量(瞬时制热量＝质量流量×进出口平均温度下水的比热×(出水温度-进水温度))，然后积算从试验开始时刻到试验结束时刻这段时间的积分热泵制热量。

下面以额定制热量为30kW的普通型商用循环式热泵水器为例进行详细说明。

试验开始前将环境温度调节并控制在20℃、环境湿度调节并控制在15℃，恒温水的水温调节并控制在7℃左右。将被测机1放置在环境温度与湿度可控的测试房间内，并与测试装置的进水管路和出水管路连接。经过计算，所需的注水量应该为0.646m³，在7℃时水的密度是999.9kg/m³，所以注水质量近似为646kg。将三通阀4关闭与被测机1的出水管路的连接，打开与恒温水进水管路6和标准水箱7的进水管路的连接，从恒温水进水管路6注入7℃的恒温水，注水前质量流量计5清零，并设置累计流量为646kg，当注水量达到646kg时，质量流量计5发送信号，系统将自动关闭水路，保证准确注水。

注水结束后，将三通阀4关闭与恒温水进水管路6的通路，打开与被测机1的出水管路的连接，被测机1、出水口测温元件2、三通阀4、流量计5、标准水箱7、水泵8、进水口测温元件2通过水管路连接在一起。启动被测机1、水泵8等开始测试。被加热介质水将在此水路中被循环加热。

被测机1开始启动时，环境的温度和湿度会波动——先降低再升高，再趋于稳定，从进口水温(由进水口测温元件3测得)7℃加热到15℃这段时间内，环境温度和湿度会再次达到稳定，记录进口水温(即进水温度)为15℃这一时刻作为试验开始时刻，计算从此刻开始，随着被测机1的运行水温会逐渐升高，直至出口水温(由出水口测温元件2测得)达到55℃这一时刻作为试验结束时刻，从试验开始同时实时采集质量流量计5的流量。

计算瞬时热泵制热量的公式如下：

Q_i＝m_si×C_pi×(t_outi-t_ini)

式中：Q_i为瞬时热泵制热量，单位:kW；m_si为瞬时质量流量，单位：kg/h；C_pi为在此进出口平均温度下的水的比热，单位：kJ/(kg·℃)，此进出口平均温度为瞬时进水温度和瞬时出水温度的平均温度，其等于(t_outi+t_ini)/2；t_outi为瞬时出水温度，单位：℃；t_ini为瞬时进水温度，单位：℃。

然后根据下式计算热泵制热量Q：

式中，T₁是试验开始时刻，T₂是试验结束时刻，Q_i是瞬时制热量，T是运行时间，即试验时间。

实际测试时，可以每隔一定的采集间隔采集一组数据，如采集间隔为10s，则10s采集一组数据，并计算对应的瞬时热泵制热量，积算从试验开始时刻到试验结束时刻的热泵制热量。

本实施例中，测得的积算的热泵制热量是30.25kW；而用标准规定的标准水箱测试方法(GB/T 21362-2008)测得的热泵制热量是27.6kW，用标定装置标定的热量是30.1kW。可见本发明提供的测试装置测得的热泵热水机制热量更准确。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。