水源熱泵性能測試實驗平臺開發(fā)

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(tài)的實驗設(shè)備，主要應(yīng)用在實驗室專業(yè)教學(xué)。該實驗平臺可以幫助學(xué)生們理解水源熱泵系統(tǒng)的工作原理，了解制冷循環(huán)系統(tǒng)的組成等。

關(guān)鍵詞：水源熱泵機組;COP測試;實驗平臺

中圖分類號：TU83 文獻標(biāo)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(jīng)濟與信息技術(shù)的迅速發(fā)展，能源和環(huán)境的問題逐漸凸顯。水源熱泵己經(jīng)被用于生活供暖、生活廢水處理等領(lǐng)域。在高校教學(xué)實驗工作中，對水源熱泵的原理及相關(guān)知識的研究教學(xué)也被廣泛重視。

目前很多高校相關(guān)的水源熱泵實驗教學(xué)內(nèi)容單一，多為演示實驗，缺乏實踐性和創(chuàng)新性。更有許多設(shè)備年久失修，導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)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(shù)據(jù)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(shè)計方案

水源熱泵性能測試實驗平臺由水源熱泵系統(tǒng)、用戶側(cè)末端裝置系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實驗平臺啟動時，通過控制系統(tǒng)由用戶側(cè)和水源側(cè)等末端裝置先行啟動，進行水循環(huán)。制熱時，熱泵機組吸收低溫端水源側(cè)換熱器的熱量，并且通過制冷劑循環(huán)系統(tǒng)將吸收的熱量傳遞到高溫端的用戶側(cè)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(shù)據(jù)的讀取和報警提示等操作。

2.1 水源熱泵制冷循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

本實驗平臺水源熱泵制冷循環(huán)系統(tǒng)圖如圖1所示，由壓縮機、水源側(cè)套管換熱器、用戶側(cè)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(huán)工質(zhì)從低溫低壓到高溫高壓處的作用。蒸發(fā)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(cè)套管換熱器為蒸發(fā)器，用戶側(cè)套管換熱器為冷凝器，制冷時則相反。熱力膨脹閥對循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量，達到控制蒸發(fā)器溫度的作用。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機所消耗的功（電能）起到補償作用，使循環(huán)工質(zhì)不斷地從低溫環(huán)境中吸收，并向高溫環(huán)境放熱。機組中設(shè)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(zhì)同一個方向進入熱力膨脹閥，制冷系統(tǒng)中設(shè)置了4個單向閥。

2.2 水源熱泵控制系統(tǒng)設(shè)計

本實驗平臺采用嵌入式觸摸屏與DDC控制器聯(lián)合控制系統(tǒng)，嵌入式觸摸屏是控制系統(tǒng)的指揮中心，與下設(shè)的DDC設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信，指揮設(shè)備的控制運行狀態(tài)及采集設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)，并且實現(xiàn)友好的人機對話。DDC控制器主要負責(zé)現(xiàn)場水源熱泵機組的控制啟停和供回水溫度、制冷系統(tǒng)溫度、水流量、運行狀態(tài)及電量參數(shù)監(jiān)測。

如圖2所示，為水源熱泵實驗平臺控制系統(tǒng)原理圖，在原有常規(guī)水源熱泵空調(diào)機組系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在壓縮機出口處安裝高壓保護開關(guān)、溫度傳感器，入口處安裝了低壓保護開關(guān)、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(cè)的流量狀態(tài);進水溫度傳感器、出水溫度傳感器主要用于檢測空調(diào)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(diào)系統(tǒng)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(guān)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(tǒng)設(shè)計

觸摸屏系統(tǒng)采用MCGS工業(yè)控制屏，主界面如圖3所示，具備動態(tài)友好人機界面，實時數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)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(tài)顯示。MCGS觸摸屏負責(zé)系統(tǒng)的算法運算、指令輸出、數(shù)據(jù)存儲、曲線跟蹤、遠程數(shù)據(jù)傳送等功能;DDC控制采集器主要功能是執(zhí)行指令控制設(shè)備的啟停狀態(tài)、設(shè)備的運行狀態(tài)采集、溫度采集、壓力采集、水流量采集、電量參數(shù)采集等。

4 實驗內(nèi)容及測試

機組運行基本原理依據(jù)是逆卡諾循環(huán)原理：液態(tài)工質(zhì)首先在蒸發(fā)器內(nèi)吸收水中的熱量而蒸發(fā)形成蒸汽（汽化），汽化潛熱即為所回收熱量，而后經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，進入冷凝器內(nèi)冷凝成液態(tài)（液化）把吸收的熱量釋放給需要加熱的水，液態(tài)工質(zhì)經(jīng)膨脹閥降壓膨脹后重新回到膨脹閥內(nèi)，吸收熱量蒸發(fā)而完成一個循環(huán)，如此往復(fù)，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(huán)各點溫度狀態(tài)及蒸發(fā)壓力與冷凝壓力等，測量計算出水源熱泵系統(tǒng)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(xué)生直觀的了解到整個制冷循環(huán)的實際過程。

從表1中測試數(shù)據(jù)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(chǎn)生了4.5kW的制冷量。

從表2中測試數(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)生了2.8kW的制熱量。

5 結(jié)束語

水源熱泵性能測試實驗平臺的開發(fā)，可以讓學(xué)生直觀的了解水源熱泵的結(jié)構(gòu)，加深理解熱泵的工作原理。通過實驗數(shù)據(jù)的測試顯示，該實驗平臺測試的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，貼近實際工程應(yīng)用。

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