水源熱泵性能測試實驗平臺開發

王宇新 姜國偉 王云龍 于廣旭

摘? 要：水源熱泵性能測試實驗平臺是一種測量水源熱泵機組工作效率及運行狀態的實驗設備，主要應用在實驗室專業教學。該實驗平臺可以幫助學生們理解水源熱泵系統的工作原理，了解制冷循環系統的組成等。

關鍵詞：水源熱泵機組;COP測試;實驗平臺

中圖分類號：TU83 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0046-03

Abstract： The performance test platform of water source heat pump is a kind of experimental equipment to measure the working efficiency and operation state of water source heat pump unit. It is mainly used in laboratory teaching. The experimental platform can help students understand the working principle of water source heat pump system， understand the composition of refrigeration cycle system and so on.

Keywords： water source heat pump unit; COP test; experimental platform

1 概述

近年來，隨著經濟與信息技術的迅速發展，能源和環境的問題逐漸凸顯。水源熱泵己經被用于生活供暖、生活廢水處理等領域。在高校教學實驗工作中，對水源熱泵的原理及相關知識的研究教學也被廣泛重視。

目前很多高校相關的水源熱泵實驗教學內容單一，多為演示實驗，缺乏實踐性和創新性。更有許多設備年久失修，導致實驗結果不準確，不能達到實驗的真正目的。為此我們搭建一個可以直觀表達實驗原理、數據可以實時顯示的高效率的水源熱泵實驗平臺。

2 實驗平臺設計方案

水源熱泵性能測試實驗平臺由水源熱泵系統、用戶側末端裝置系統、控制及數據采集系統組成。實驗平臺啟動時，通過控制系統由用戶側和水源側等末端裝置先行啟動，進行水循環。制熱時，熱泵機組吸收低溫端水源側換熱器的熱量，并且通過制冷劑循環系統將吸收的熱量傳遞到高溫端的用戶側換熱器進行放熱。制冷時，剛好是一個相反過程。整個實驗過程由觸摸屏上操作完成，人機對話界面方便智能，完全可以通過屏幕進行機組的啟停控制、數據的讀取和報警提示等操作。

2.1 水源熱泵制冷循環系統設計

本實驗平臺水源熱泵制冷循環系統圖如圖1所示，由壓縮機、水源側套管換熱器、用戶側套管換熱器、熱力膨脹閥、氣液分離器、四通換向閥、干燥過濾器、儲液罐、單向閥等通過銅管連接組成。壓縮機起著壓縮和輸送循環工質從低溫低壓到高溫高壓處的作用。蒸發器與冷凝器采用的是換熱效率較高的套管式換熱器，使制冷劑與水進行高效換熱，制熱時水源側套管換熱器為蒸發器，用戶側套管換熱器為冷凝器，制冷時則相反。熱力膨脹閥對循環工質起到節流降壓作用，并調節進入蒸發器的循環工質流量，達到控制蒸發器溫度的作用。根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功（電能）起到補償作用，使循環工質不斷地從低溫環境中吸收，并向高溫環境放熱。機組中設置了四通換向閥進行制冷與制熱工況的切換。為了保證制冷劑工質同一個方向進入熱力膨脹閥，制冷系統中設置了4個單向閥。

2.2 水源熱泵控制系統設計

本實驗平臺采用嵌入式觸摸屏與DDC控制器聯合控制系統，嵌入式觸摸屏是控制系統的指揮中心，與下設的DDC設備進行數據通信，指揮設備的控制運行狀態及采集設備的運行狀態參數，并且實現友好的人機對話。DDC控制器主要負責現場水源熱泵機組的控制啟停和供回水溫度、制冷系統溫度、水流量、運行狀態及電量參數監測。

如圖2所示，為水源熱泵實驗平臺控制系統原理圖，在原有常規水源熱泵空調機組系統的基礎上，在壓縮機出口處安裝高壓保護開關、溫度傳感器，入口處安裝了低壓保護開關、溫度傳感器。為了滿足實驗測試要求我們在兩個換熱器機組出口和入口處安裝了溫度傳感器，進水管上安裝溫度傳感器，出水管上安裝流量傳感器、溫度傳感器等。

換熱器出水流量傳感器主要用于檢測機組水側的流量狀態;進水溫度傳感器、出水溫度傳感器主要用于檢測空調水的進水及出水的溫度，與流量傳感器配合可以使實驗者能測量出實時的空調系統的制冷（熱）量。

壓縮機進、出口溫度傳感器主要用于壓縮機進出口的溫度值，以便了解其運行狀況，防止進出口溫度過高或過低對壓縮機造成損壞。高、低壓保護開關主要用于檢測反饋壓縮機進出口的壓力值，防止進口壓力過低和出口壓力過高而對壓縮機造成損壞。

3 MCGS嵌入式觸摸屏系統設計

觸摸屏系統采用MCGS工業控制屏，主界面如圖3所示，具備動態友好人機界面，實時數據顯示，數據庫儲存等功能。實驗需要測量的溫度、流量、電流、電壓、壓縮機功率、制冷量、制熱量等均可在主界面中實時動態顯示。MCGS觸摸屏負責系統的算法運算、指令輸出、數據存儲、曲線跟蹤、遠程數據傳送等功能;DDC控制采集器主要功能是執行指令控制設備的啟停狀態、設備的運行狀態采集、溫度采集、壓力采集、水流量采集、電量參數采集等。

4 實驗內容及測試

機組運行基本原理依據是逆卡諾循環原理：液態工質首先在蒸發器內吸收水中的熱量而蒸發形成蒸汽（汽化），汽化潛熱即為所回收熱量，而后經壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，進入冷凝器內冷凝成液態（液化）把吸收的熱量釋放給需要加熱的水，液態工質經膨脹閥降壓膨脹后重新回到膨脹閥內，吸收熱量蒸發而完成一個循環，如此往復，不斷吸收低溫端的熱量，在高溫端進行放熱。該實驗平臺可以通過測量制冷量、制熱量、壓縮機輸入功、制冷循環各點溫度狀態及蒸發壓力與冷凝壓力等，測量計算出水源熱泵系統的制冷能效比、制熱能效比，并在制冷劑壓焓圖上繪制出實際過程圖。通過實驗，可以讓學生直觀的了解到整個制冷循環的實際過程。

從表1中測試數據我們可以看出，制冷工況時，由于冷凝溫度比較低，壓縮機輸入功耗也相對比較低，制冷能效比達到了4.5，即每輸入1kW電功率，產生了4.5kW的制冷量。

從表2中測試數據我們可以看出，制熱工況時，由于冷凝溫度的提高，壓縮機輸入功比制冷時增加不少，同時冷凝器上產生的熱量也降低了不少，制熱能效比為2.8，即每輸入1kW電功率，產生了2.8kW的制熱量。

5 結束語

水源熱泵性能測試實驗平臺的開發，可以讓學生直觀的了解水源熱泵的結構，加深理解熱泵的工作原理。通過實驗數據的測試顯示，該實驗平臺測試的數據更加精準，貼近實際工程應用。

參考文獻：

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