家用靜態熱泵熱水器熱損耗標定裝置及方法淺析

王志坤 馬安娜 楊雙 蔡寧 李浩 徐玲 陳潔

1.中家院（北京）檢測認證有限公司 北京 100176；2.滁州市技術監督檢測中心 安徽滁州 239000

1 引言

隨著國家大力倡導節能減排政策以及人民節能環保意識的不斷提高，熱泵熱水器作為一種利用空氣能的產品，因其節能高效且對環境友好的特性，發展規模逐年壯大。為適應熱泵熱水器產品的升級換代，新版標準GB/T 23137-2020《家用和類似用途熱泵熱水器》[1]在2008版[2]的基礎上，針對熱水器的性能檢測方法及其要求上做了較大幅度的修改，該標準已于2020年11月1日開始實施。

其中，對于靜態加熱式熱泵熱水器的性能測試要求，特別增加了規范性附錄C水箱內水溫試驗測試方法。該方法中對混水時間、判定時間、管路的材質以及混水流量都提出了明確要求，這些要求使得性能試驗都在一個標準條件下進行測試，便于測試數據的統一性，由此帶來的優勢是顯而易見的，但同時對測試裝置及試驗操作帶來了更為嚴苛的挑戰。為應對新版標準的實施，熱泵熱水器生產企業及相關檢測機構都需要對試驗室進行相應的功能升級。鑒于上述原因，本文提出一種既滿足標準要求又能最大限度兼容原有試驗室的自動測試裝置[3][4]，以期更好地為標準的落地實施提供設備支撐。而測試過程中為保證結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行熱損耗標定，計算附加誤差之后對溫度等進行相應的補償修正。基于此，本文針對熱損耗標定系統的設計原理以及測量的實現等進行了詳細的介紹，以便相關人員參考實施，為熱泵熱水器產品的標準化發展提供幫助和支持。

2 設計原理

針對混水系統無法實現自動測量附加誤差的缺陷，本文結合新版標準的要求，設計了一套熱損耗標定系統，實物如圖1所示。該系統主要通過電熱平衡原理實現對混水裝置熱損耗的標定。標定基本流程為：首先啟動標定水箱自循環，測試標定裝置的自身保溫性能、電加熱效率以及漏熱量；其次將標定水箱代替被測樣機連接到混水系統中，在特定環境下對混水裝置熱損耗進行標定。

圖1 標定水箱實物圖

3 軟、硬件實現

本文熱損耗標定系統主要由以下幾部分組成：

（1）保溫箱體。保溫箱體由內外兩層構成，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題，需要使用攪拌泵攪拌將水箱內的水混合后，測量平均水溫。

（3）電加熱棒。電加熱棒是實現電能和熱能轉換器件，安裝于保溫箱體內部，工作時間及電壓由功率調節器根據實際水箱溫度和設定溫度，通過PID智能算法，實現動態調節。

（4）功率調節器。功率調節器會根據溫控表的輸出信號，動態調整加熱棒的工作時間或電壓，常用的功率調節器有兩個形式，一固態繼電器類型，通過固態繼電器連續通斷，實現對加熱量的控制；另外一種通過調節輸出電壓，溫控表精度為0.1級。

（5）功率計。采用精度0.2級數字電參數儀，保證電量測量的準確。

（6）溫度保護器。實現水箱水溫保護的重要部件，防止由于水箱溫度過高對設備或者人員造成危害。

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

（8）測試系統。計算機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量值來控制調功器的輸出，調功器直接控制加熱器，實現溫度控制，計算機將采集到的數據顯示出來，同時存儲到數據庫中，實現查看和數據分析。測控系統如圖2所示。

圖2 測控連接圖

4 熱損耗標定方法實例分析

配合自研的混水測試裝置，標定水箱的容量確定為200 L，分別對其進行保溫性能測試、漏熱量測試和混水系統附加誤差的測量，通過對采集數據的分析處理，實現混水系統熱損耗的補償修正。

4.1 標定水箱保溫性能測試

進行標定前，首先需要對標定水箱的自身保溫性能進行測試，測試結果應滿足標準GB/T 23137-2020中第5章表5對應的保溫要求。

本文所述的標定水箱容積為200 L，測試前首先對環境工況進行設置，溫度需保持在20℃±2℃，且試驗室的風速不應超過0.5 m/s。將水箱加滿15℃±0.5℃的水，設定水箱出水溫度為55℃，開啟電加熱和攪拌泵。當出水溫度運行到滿足55℃±0.5℃時，關閉電源，保持靜置狀態24 h。由于水箱內的水溫存在分層現象，所以需要再次開啟攪拌泵，使水溫進行充分混合，測得出水溫度，最終測得水溫下降值為6.2℃。

在保溫性能測試的基礎上，可按照式（1）進一步計算標定水箱的電加熱效率，結果為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，雖然水溫會對效率有影響，但影響較小，所以文中出現的電加熱效率，均以此公式計算結果為主；

EL-標定水箱由初始溫度加熱至設定溫度所需輸入的電能，單位為kW·h；

T2-標定規定的水箱水加熱后的平均水溫，單位為℃；

T1-標定規定的水箱水加熱前的水溫，單位為℃；

V-水箱容積，單位為L。

4.2 標定水箱漏熱量測試

在標定水箱滿足保溫性能的基礎上，進一步完成水箱的自身漏熱量測試，該試驗可在保溫性能測試后直接測試。

再次開啟電加熱，使出水溫度達到55℃±0.5℃的要求。為了和標定水箱與混水系統連接后的混水狀態保持一致的水流流動性和電加熱運行狀態，當出水溫度達到55℃±0.5℃時，攪拌泵和電加熱器不停止運行，仍保持該運行狀態運行一段時間，最后測量標定水箱維持出水溫度所補償輸入的電能，計算水箱的自身漏熱量。

水箱漏熱量計算公式如下：

式中：

Qs-水箱漏熱量，單位為W；

E-標定水箱恒定水溫補償輸入的電能，單位為W·h；

η-電加熱效率；

H-標定水箱恒定水溫運行時間，單位為h。本次標定水箱在測量過程中，保持水溫恒定運行了7.85 h，耗電量達到188.23 W·h，測得水箱的自身漏熱量為23.4 W。

4.3 混水系統附加誤差測量

混水裝置附加誤差測量的原理為：首先計算混水系統與標定水箱連接后維持水溫所補償的電能，計算出整個系統的漏熱量；然后減去標定水箱自身漏熱量，即為混水系統的漏熱量；再根據混水裝置附加誤差公式，最終可算得混水系統的附加誤差。

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

式中：

δ-混水系統附加誤差；

QL-混水系統在測量時的散熱量，單位為J；

Q-標定水箱水的熱增量，單位為J；

η-電加熱效率；

V-水箱容積，單位為L。

在進行試驗前，先將標定水箱的水排空，然后再將標定水箱連接到混水系統循環水路中，進水溫度需保持在15℃±0.5℃，注水完成后，再將混水裝置與標定水箱連接的軟管內的水排空。

試驗環境保持標況下的溫度和風速，開啟標定水箱電加熱和攪拌泵，當出水溫度達到55℃±0.5℃時，關閉標定水箱自身循環的閥門，開啟混水閥門，進行混水。標準對不同容積的水箱有相應的混水時間要求，200 L的水箱對應的混水時間是6 min，按照要求的時間混水后，測得該時間段所投入的電能，然后計算混水系統的附加誤差。考慮到混水系統管路的蓄熱以及漏熱量等會對結果造成一定的影響，所以本次測試中對附加誤差進行了補償系數的計算，作為最終的計算結果。

本次測試中附加誤差的最終結果為0.81%，標準中規定當附加誤差0.5%＜δ≤1.0%時，需根據公式4的要求對實測值進行修正（水的比熱容值取4186，單位為J/kg·k），修正后的結果整理詳見表1。

表1 混水系統附加誤差及水溫修正結果

式中：

T2-修正后水箱加熱后的平均水溫，單位為℃；

EL-混水系統熱損耗標定，恒定水溫補償輸入的電能，單位為kW·h；

η-電加熱效率；

V-水箱容積，單位為L。

5 結論

熱損耗標定系統是基于新版標準GB/T 23137-2020附錄C的要求開發設計，旨在輔助混水裝置附加誤差的分析和確定，完善靜態加熱式熱泵熱水器制熱量測試流程。

通過在保溫性能、漏熱量計算、附加誤差計算分析可知，相關參數均滿足標準要求，該裝置的提出可為靜態熱泵熱水器的性能測試提供良好的設備支撐和技術手段。