地源熱泵系統的能效測試及故障診斷的探討

余意 李玉云 陳焰華 蔣修英 馬勇 胡先芳

地源熱泵系統的能效測試及故障診斷的探討

余意1李玉云1陳焰華2蔣修英3馬勇1胡先芳1

1武漢科技大學城市建設學院
2中南建筑設計院
3中信建筑設計研究總院有限公司

為提高地源熱泵能效測試的科學性和準確性，論文根據能效測試的原理及方法，討論了測試儀器的選型、安裝、測點布置的要求，給出了如何根據現場具體情況診斷儀器及工藝系統的故障，并給出了故障原因及排除故障的方法。

地源熱泵能效測試故障診斷

地源熱泵系統從勘測、設計、施工到調試涉及多個單位，使得地源熱泵系統在應用效果方面存在一定程度的不確定性。因此，科學合理地對地源熱泵系統能效進行測試、評價，獲得盡可能接近真值測量結果，對于提高地源熱泵系統能效，規范地源熱泵行業發展具有重要的作用。本文以武漢地源熱泵系統能效測評為案例，探討地源熱泵系統能效測試及故障診斷。

1測試原理

地源熱泵與系統的能效分別用熱泵機組制冷/制熱性能系數與典型季節熱泵系統能效比描述，計算式分別見式（1）、式（2）[1]：

式中：COP為熱泵機組的制冷/制熱性能系數；Q為測試期間機組的平均制冷/制熱量，kW；NI為測試期間機組的平均輸入功率，kW；V為熱泵機組用戶側平均流量，m3/h；t1、t2為熱泵機組/系統用戶側進出口水溫度，℃；ρ為冷（熱）水平均密度，kg/m3；C為冷（熱）水平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)；COPS為典型季節熱泵系統能效比；ΣN2為測試期間地源側、用戶側及熱回收水泵（對應熱回收系統）所耗電量。

2測試儀器選型、安裝及故障診斷

熱泵系統能效測試方法按時間分類有短期法與累計法，第三方測評一般采用短期法，因此，所用儀器一般采用便攜式。測試儀器選型主要考慮測試儀器的型號、精度、測量范圍、可靠性、被測介質的物理化學性質以及經濟性。分別選用鉑電阻溫度計、超聲波流量計、電力諧波分析儀測量溫度、流量和功率，所選設備均滿足《可再生能源建筑應用示范項目測評導則》中對測試儀器的精度要求。

2.1溫度計的安裝

1）測點布置：測試機組的性能系數，為了減少流體在管道中的溫度損失，使測量的溫度盡量接近機組進出口的真實溫度，溫度探頭的安裝需盡量靠近機組進出口管道；測試系統能效，首先要保證所測量的回水溫度是用戶側的總回水溫度，不應是回水與旁通水的混合溫度；其次是測點盡量靠近用戶，但由于管道隱蔽布置，難以做到，一般是測量機房回水母管的溫度。

2）儀器安裝：采用表面粘貼式安裝鉑電阻，還要保證鉑電阻與被測管道接觸良好，其一是通過對管道打磨保持與傳感器接觸部分清潔，減少熱阻，并通過耦合劑使傳感器與管道接觸，加強換熱效果；其二是通過捆綁使傳感器與管道充分接觸，避免中間聚集空氣；其三是做好測頭保溫，避免受環境溫度影響。實際操作時將測點打磨至光亮，鉑電阻溫度探頭用偶合劑硅脂或黃油涂抹均勻、無雜質及小氣泡產生后，把探頭牢牢地貼在管壁上，恢復管道保溫層的門型開口并緊緊地固定住溫度探頭，此時需注意保證溫度探頭沒有挪離打磨點，然后用膠帶等固定，見圖1。

圖1溫度傳感器安裝

測試過程中常見的故障是測試溫度偏高及溫差偏小。因此，測試期間，務必要與機組本體安裝的溫度傳感器顯示的溫度、溫差比較，其目的是判斷傳感器

安裝是否正確以及系統是否串水。

2.2流量計的安裝及故障診斷

2.2.1流量計的安裝

1）工藝管道。選擇充滿流體的材質均勻質密、易于超聲波傳輸的管段，如垂直管段（流體向上流動）或水平管段。

2）了解現場地源熱泵系統的管道布置，合理選擇測點及安裝方式。在實際應用中，安裝方式大多采用單聲道安裝方法（Z法或V法），選擇安裝方式是根據管道直徑，當D＞300mm的管道采用Z法安裝[2]。要減小流量測試誤差，根據超聲波測試原理，傳感器所測的流速基本穩定且能代表管道的實際流速，因此，管道測點布置要滿足文獻[3]中傳感器對工藝管道上下游距離的要求。

3）管道直徑。考慮到管道加工問題以及設計、施工管理問題，對管道直徑的確定方法：第一是根據施工設計圖紙確定管道直徑及相應的壁厚；第二是向項目管理運行人員了解管內壁襯里材料及厚度，以及根據運行時間判斷管壁內結垢情況；第三是實際測量管道直徑，并從管道尺寸規格表中查詢相應的管道直徑及管壁厚度，要多點測量取其平均值。根據以上三步驟確定，并將正確的管道直徑、壁厚、材質及襯里加上結垢厚度一起輸入到流量計主機使其準確計算出探頭安裝距離。

圖2超聲波流量計安裝

4）傳感器安裝。傳感器的安裝間距增加/減少1%，測得的流量增加/減少1%[4]；其二是傳感器的縱向邊緣必須與管道軸線平行，夾角偏離1°將會引起1.7%的流量誤差[4]；其三是管道內徑誤差±1%，會帶來±2%的流量誤差[5]；其四是不能測量含有氣泡或體積較大的固體顆粒的液體。準確安裝是測量流體的實際流速——即是保證獲得實際流量值的關鍵。測量點管壁應打磨光亮、無較深的麻坑，打磨面積約為探頭面積的3倍，嚴格按流量計計算出的安裝距離安裝傳感器。一般在水平管道上布置測點概率最大，對于水平管路，探頭應安裝在水平中心線的±45°范圍之內，且兩個傳感器必須安裝與管道軸線平行，要將探頭所用偶合劑硅脂或黃油涂抹均勻、無雜質及小氣泡產生，把探頭牢牢地貼在管壁上，用布帶或鋼帶固定探頭，見圖2。

2.2.2故障診斷

1.2 方法 2015年選取栽植15株樹，3株1個小區，5次重復，萌芽前（山東煙臺地區4月中旬），將發枝素與水按1∶1的比例混勻，用毛刷涂抹幼樹主干，涂抹范圍為幼樹頂部剪口向下10 cm處至離地面60 cm區域，第2年對幼樹上部新生主干用同樣的方法涂抹。2016年萌芽前，對主干上抽生分枝涂抹促花劑，方法是將促花劑與水按照1∶1的比例混勻，用毛刷涂抹分枝。對照不作任何處理。

測試過程中，常見的故障是超聲波流量計無接收信號或者流量偏大、偏小，其中流量偏小是最常見的。引起這種故障的原因主要有：儀器故障、管道部分閥門開度太小、串水、管道氣堵、系統缺水、過濾網堵塞等。

1）超聲波流量計無接收信號。該類故障主要是儀器的安裝引起，排除故障的方法是，檢查測點的布置是否符合流量計安裝的要求，以及參數的輸入是否正確；其次，需特別注意的是管道材質、探頭的安裝形式、管道是否有內襯等的輸入是否準確；其三，判斷管道打磨、涂抹偶合劑是否滿足要求，如果傳感器與管道不能良好接觸，超聲波流量計無接收信號。

2）流量偏小的故障。在確認儀器的安裝、測點的布置、參數的輸入都準確無誤的情況下，應對系統進行檢查分析。根據H=SQ2，管道閥門開度太小、過濾網堵塞都會引起流量偏小，對管道的閥門、過濾網進行檢查，末端閥門是否完全打開，同時，還應關閉不運行機組和水泵的進出口閥門，防止旁通水導致的水流量減少。如果問題還得不到解決，此時就應考慮系統是否缺水或管道中是否混雜著大量氣泡（在實際測試過程中此類問題引起流量偏小最為常見）。

3）系統缺水故障。系統是否缺水可根據膨脹水箱中的水位判斷，膨脹水箱一般設在系統的最高點，起著膨脹、補水、排氣等作用。由于不重視調試工作，該類故障在現場也常見。

4）管道中混雜著大量氣泡可根據水泵出口壓力和最高點的排氣閥進行判斷，如果管道中有氣泡，水泵出口壓力表指針不穩定，擺動幅度較大；或水泵進出口壓力表壓差較小，此時，應對管道最高點的排氣閥進行手動排氣，并對系統進行補水。

5）系統串水或者旁通。系統串水或者旁通造成機組能效較低的現象在測試過程中也經常遇到。第一種情況：一些空調主機房的操作人員開機時，未將不運行機組蒸發器上的進出水閥關閉，造成一部分冷水從不運行的機組蒸發器旁通，影響工作狀態下機組的制冷效果。判斷此類故障可根據H=SQ2，無論是管段、閥門附件、或是設備，其進出口兩端壓差與通過的流量之間為二次函數關系，機組蒸發器的內部構造（流程數、流通截面、流程長度等）是固定不變的，不可能像閥門那樣可以改變流量特性曲線，所以蒸發器或冷凝器進出口兩端壓差的大小，間接說明了通過的流量大小。排除故障的方法是關閉不運行機組的進出口閥門即可正常運行。第二種情況是，冬夏轉換閥泄漏量大，地源水泄露進入冷凍水管（制冷工況），導致冷凍水供水溫度升高，供回水溫差減小，系統能效降低。診斷該類故障的方法是將總管供水溫度與機組出口溫度比較，但要注意排除溫度計故障，解決辦法是更換閥門。

6）流量偏大的故障。第一種情況是，循環水泵選型偏大，管道直徑偏大，導致循環水流量偏大，供回水溫差減小，水泵耗電量增大。第二種情況是，傳感器安裝位置不正確，沒有把傳感器安裝在用戶側的管道上，或者安裝在機房側，又沒有關閉供回水總管的旁通管，所測流量為供回水旁通流量和用戶回水的混合流量。兩種情況都會導致能效測試偏大或偏小。

耗電量的測量相對流量、溫度的測試要簡單許多，測量誤差也相對較小、較穩定，但測試過程中有幾點需注意以下幾點：

1）配合現場測試的設計、施工及運行人員一般對冷熱源系統的設備配電柜不清楚，經常誤導，能效測試人員必須根據設備額定電功率仔細比對測試結果，確認各臺機組、水泵對應的配電柜便于準確接線測量。

2）在測試前，用試觸法或根據設備的額定參數初步估算導線中電流的大小，確定電流傳感器的形式（鉗形電流傳感器與可彎曲式鉗式傳感器），合理選擇測試儀表的量程。

3）電力諧波分析儀有7根接線（三相四線），必須相位正確，才能記錄，在設備未運行的情況下，無法進行相位自檢測，待設備正常運行時進行相位檢測，保證電流、電壓相位的一致性。

4）測試前應注意設置數據的自動保存（2～5分鐘保存一次數據），測試完成后應確認數據已經存儲，然后關閉儀器（先拆除電壓傳感器，后拆除電流傳感器，最后關機）。

3結語

根據上面的分析討論，可得出以下幾點：

1）地源熱泵能效測試是一個系統工程，包括測量方法選擇、儀器的選型、安裝以及工藝管道的布置。選型包括儀器型號、準確性、測量范圍，短期能效測試儀器一般選擇便攜式，溫度、流量傳感器采用粘貼式。

2）通過能效測試，還能診斷冷熱源系統的故障，并給出了診斷、排除故障的方法。例如，串水、旁通、閥門、管道氣堵、系統缺水、過濾網堵塞以及設備、管道選型等。

3）通過傳感器與管道充分接觸，流量傳感器安裝在流體相對穩定的管道上等措施來提高測試的準確性。

[1]徐偉,孫峙峰,何濤,等.《可再生能源建筑應用示范項目測評導則》解讀—檢測程序·測評標準·測試方法[J].建設科技,2009, (16):40-45

[2]薛梅花,高建杰.超聲波流量計安裝中應注意的問題[J].工業計量,2004,14(5):55-56

[3]鄭海軍,陳健.超聲波流量計對在線流量計的比對測試方法探討[J].電站系統工程,2005,21(1):64-65

[4]何明武,張明理.超聲波流量計測量誤差分析與校驗[A].見:中國科協2005年學術年會分會場—企業計量測試與質量管理[C].2005,457-463

[5]胡江順,何松杰.管道參數對便攜式超聲波流量計測量的影響[J].計量技術,2001,(9):7-8

Ene rgy Effic ie nc y Te s ting of Ground Sourc e He a t Pum p Sys te m a nd Dis c us s ion of Fa ult Dia gnos is

YU Yi1,LI Yu-yun1,CHEN Yan-hua2,JIANG Xiu-ying3,MA Yong1,HU Xian-fang1
1 College of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology
2 Central South Architectural Design Institute
3 CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co.,Ltd.

In order to improve the scientificity and accuracy of ground source heat pump energy efficiency testing,the paper discusses the principles and methods of energy efficiency testing,the requirements of the testing instruments’selection and installation and the arrangement of measuring points.The paper shows how to diagnosis instruments and process system failure according to the concrete situation on site,and points out the methods of systematic troubleshooting and fault elimination.

ground source heat pump,energy efficiency,test,fault diagnosis

1003-0344（2014）05-064-4

2013-7-12

余意（1989～），男，碩士研究生；武漢市雄楚大道199號武科大洪山校區（430070）；E-mail:1091025991@qq.com