儲(chǔ)水式熱水能效自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

效率低下管理制度是我國(guó)一項(xiàng)重要的能源使用管理制度。家庭和能源是能源效率低下管理制度實(shí)施的重要產(chǎn)品。近年來(lái)，眾多家庭和工業(yè)積極實(shí)施效率低下管理制度，通過(guò)提供節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，為我國(guó)的節(jié)能減排目標(biāo)逐步實(shí)現(xiàn)做出了貢獻(xiàn)。自2004年8月13日國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、國(guó)家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了《能源效率標(biāo)識(shí)管理辦法》(國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家質(zhì)檢總局第17號(hào)令),在我國(guó)正式實(shí)施強(qiáng)制性能效標(biāo)識(shí)制度,該制度實(shí)行目錄化管理,即列入目錄內(nèi)的產(chǎn)品必須按規(guī)定進(jìn)行加貼能效標(biāo)識(shí)和備案。能效標(biāo)識(shí)管理制度至今在中國(guó)實(shí)施已經(jīng)6年多,國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家質(zhì)檢總局和國(guó)家認(rèn)監(jiān)委已經(jīng)聯(lián)合發(fā)布了7批目錄共計(jì)23類產(chǎn)品,其中儲(chǔ)水式電熱水器在第4批能源效率標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品目錄內(nèi),2009年3月1日起正式實(shí)施。其能效標(biāo)準(zhǔn)GB21519-2008《儲(chǔ)水式電熱水器能效限定值及能效等級(jí)》為2008年4月1日首次發(fā)布,實(shí)施日期為2008年11月1日,儲(chǔ)水式電熱水器產(chǎn)品在此標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之前并無(wú)能效限定值要求,因此儲(chǔ)水式電熱水器能效檢測(cè)設(shè)備也屬于非標(biāo)設(shè)備,生產(chǎn)企業(yè)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)為適應(yīng)儲(chǔ)水式電熱水器能效檢測(cè)的需要,每個(gè)使用單位根據(jù)自身的使用情況不同均有不同的功能要求。根據(jù)該項(xiàng)目調(diào)研階段的調(diào)研情況,目前國(guó)內(nèi)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)普通采用人工的方式進(jìn)行電熱水器能效測(cè)試和數(shù)據(jù)計(jì)算,電熱水器能效測(cè)試方法復(fù)雜,檢測(cè)周期較長(zhǎng),數(shù)據(jù)采集、記錄和計(jì)算的工作量大,計(jì)算公式復(fù)雜,每臺(tái)熱水器測(cè)試并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理需要大量的工時(shí),現(xiàn)有的裝備制約了儲(chǔ)水式熱水器能效檢測(cè)工作的開(kāi)展,影響了檢測(cè)工作的效率。因此,研制一套儲(chǔ)水式熱水器能效指標(biāo)全自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),對(duì)于從事儲(chǔ)水式熱水器產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域和檢測(cè)機(jī)構(gòu)均具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。1計(jì)算儲(chǔ)水容量的公式為1.12計(jì)算4h固的能耗系數(shù)的公式為1.1.1儲(chǔ)水溫度ijmn不排水時(shí)儲(chǔ)水平均溫度的計(jì)算公式為???????????????????θA=∑j=1m∑i=1nθAijmn(i=1,2,?n;j=1,2,?,m)θE=∑j=1m∑i=1nθEijmn(i=1,2,?n;j=1,2,?,m)θM=θA+θE2(1){θA=∑j=1m∑i=1nθAijmn(i=1,2,?n;j=1,2,?,m)θE=∑j=1m∑i=1nθEijmn(i=1,2,?n;j=1,2,?,m)θΜ=θA+θE2(1)式中,θAij為溫控器某一測(cè)試點(diǎn)某次斷開(kāi)時(shí)的儲(chǔ)水溫度,單位為℃;θEij為溫控器接通時(shí)某一測(cè)試點(diǎn)某次接通時(shí)的儲(chǔ)水溫度,單位為℃;n為測(cè)量次數(shù),可自定義;m為測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù),單容器為5,雙容器為10;θM為不排水時(shí)的儲(chǔ)水平均溫度,單位為℃,不排水儲(chǔ)水平均溫度θM在(65±3)℃的范圍內(nèi)。1.1.2溫控器第1次間斷時(shí)能量損耗計(jì)算電熱水器24h能量損耗E的計(jì)算公式為E=24×E1t1(kW?h)E=24×E1t1(kW?h)(2)式中,24為24h;E1為溫控器某次斷開(kāi)電源時(shí)開(kāi)始,經(jīng)過(guò)48h以后溫控器第1次斷開(kāi)時(shí)的能量損耗,單位為kW·h,精確到0.01kW·h;t1為計(jì)算電能損耗量E1時(shí)的測(cè)量時(shí)間,單位為h。1.1.3固有能耗qpr計(jì)算m調(diào)整環(huán)境溫度或溫度器設(shè)定,以滿足40℃≤(θM-θamb)≤50℃的條件。24h固有能耗Qpr按下式計(jì)算Qpr=E×45(θM?θamb)(kW?h)Qpr=E×45(θΜ-θamb)(kW?h)(3)式中,45為45℃;θamb為試驗(yàn)E1期間的平均環(huán)境溫度,單位為℃。1.1.4cbp的計(jì)算電熱水器24h固有能耗系數(shù)ε為ε=QprQε=QprQ(4)式中,Qpr為電熱水器24h固有能耗,單位為kW·h;Q為電熱水器24h固有能耗基準(zhǔn)數(shù)值。1.2進(jìn)水溫度及熱水輸出率在排水期間每間隔5s記錄一次,從開(kāi)始放水15s后記錄進(jìn)水溫度θci和出水溫度θpi,記錄在排水期間的最高出水溫度θmax,連續(xù)排水至出水溫度比最高出水溫度θmax低20℃為止。熱水輸出率μ按下式計(jì)算μ=103mp?θp?θc(θA1?θc)?ρ?CR×100%μ=103mp?θp-θc(θA1-θc)?ρ?CR×100%(5)式中,θp為平均出水溫度,單位為℃;θc為平均進(jìn)水溫度,單位為℃;ρ為在平均出水溫度θp下水的密度,單位為kg/cm3;mp為排水量的質(zhì)量,單位為kg;θA1為溫控器首次斷開(kāi)時(shí)的儲(chǔ)水平均溫度,單位為℃。2生產(chǎn)力自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求(1)儲(chǔ)水式熱泵同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)和自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集①自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)試驗(yàn)方法規(guī)定的條件自動(dòng)判斷試驗(yàn)開(kāi)始或結(jié)束的條件,并能自動(dòng)開(kāi)始或結(jié)束試驗(yàn);②能實(shí)現(xiàn)3臺(tái)儲(chǔ)水式熱水器同時(shí)測(cè)試,能分別進(jìn)行自動(dòng)采集試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù),按一定時(shí)間間隔記錄試驗(yàn)過(guò)程中的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)并自動(dòng)保存;③試驗(yàn)結(jié)束后,系統(tǒng)按照給定的計(jì)算公式能自動(dòng)計(jì)算出24h固有能耗系數(shù)和熱水輸出率的測(cè)試結(jié)果并自動(dòng)形成報(bào)表。(2)熱水、溫濕度測(cè)試①環(huán)境溫、濕度。溫度要求保持在(20±2)℃,相對(duì)濕度不超過(guò)85%;環(huán)境溫度的測(cè)點(diǎn)應(yīng)該在被測(cè)電熱水器與測(cè)試角壁的中間點(diǎn),或者離被測(cè)熱水器1m處,位于熱水器一半高度。②水溫。電熱水器測(cè)試用進(jìn)水水溫要求保持在(15±2)℃,從水箱到熱水器之間的進(jìn)水管需要進(jìn)行保溫處理。③壓力。測(cè)試期間不排水時(shí)熱水器內(nèi)水壓應(yīng)在0.28MPa與額定壓力之間保持穩(wěn)定,波動(dòng)在±0.05MPa范圍內(nèi)。④空氣流速。測(cè)試中空氣流速不應(yīng)大于0.25m/s。⑤在被測(cè)電熱水器的額定輸入功率下進(jìn)行測(cè)試,偏差不大于±5%。(3)試驗(yàn)工作場(chǎng)所和能源消耗的要求有三個(gè)測(cè)試孔，每個(gè)安裝孔的安裝支架必須承受300個(gè)標(biāo)準(zhǔn)孔kg,支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)能方便安裝電熱水器。電壓輸入電壓3kW計(jì)算,應(yīng)滿足3臺(tái)電熱水器同時(shí)進(jìn)行測(cè)試的需要。水箱容量為3臺(tái)100千件L電熱水器同時(shí)測(cè)量的水量設(shè)計(jì),并且應(yīng)保證整個(gè)水箱中水溫的均勻性。3自動(dòng)測(cè)試技術(shù)路線根據(jù)儲(chǔ)水式能效自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和能效標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法的要求,采用以下設(shè)計(jì)方案和技術(shù)路線來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)具備的測(cè)試條件和預(yù)期的自動(dòng)測(cè)試功能。3.1測(cè)房風(fēng)速控制測(cè)試房的尺寸為5m×4m×2.5m,使用聚苯庫(kù)板搭建測(cè)試房,聚苯庫(kù)板的厚度為50mm。室內(nèi)無(wú)特殊的負(fù)荷,溫度為(20±2)℃,采用高精度的溫度傳感器通過(guò)風(fēng)冷工況機(jī)組和加熱器控制測(cè)試房室內(nèi)的溫度,功率均為5kW。室內(nèi)濕度要求不高,相對(duì)濕度在85%以內(nèi)即可,因此濕度不需要另外設(shè)置控制系統(tǒng)即可滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試條件。為保證測(cè)試房?jī)?nèi)的氣流速度不大于0.25m/s的測(cè)試條件,測(cè)試房風(fēng)速控制采用孔板送風(fēng),孔板送風(fēng)方式多用于對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、潔凈度和氣流分布的均勻性有較高要求的空調(diào)系統(tǒng)中,孔板送風(fēng)是利用頂棚上面的空間為穩(wěn)壓層,空氣由送風(fēng)管進(jìn)入穩(wěn)壓層后,在靜壓的作用下通過(guò)在頂棚上開(kāi)設(shè)的具有大量小孔的多孔板,均勻地進(jìn)入空調(diào)房間內(nèi)的送風(fēng)方式。在孔板送風(fēng)方式下,要使室內(nèi)氣流分布均勻,首先要使靜壓箱內(nèi)靜壓分布平衡。在解決靜壓箱內(nèi)靜壓平衡問(wèn)題時(shí),要綜合考慮靜壓箱的幾何尺寸和孔板的開(kāi)孔率,具體情況具體分析,不能拘泥于原有的經(jīng)驗(yàn)公式。本系統(tǒng)采用全面孔板,即空調(diào)房間的整個(gè)頂棚上(扣除布置照明燈具的面積)均勻布置孔口的孔板,孔板的孔口直徑為8mm,孔中心距離為30mm。3.2溫度采集模塊溫度監(jiān)控系統(tǒng)是適用于各個(gè)行業(yè)所需要采集溫度并通過(guò)電腦進(jìn)行監(jiān)控的一個(gè)系統(tǒng)。其主要工作原理是通過(guò)RS485與電腦主機(jī)進(jìn)行通信,并實(shí)時(shí)顯示溫度采集模塊的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)方案的溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用24通道的多路溫度記錄儀和直徑為0.3mm的K型細(xì)絲熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集,采用數(shù)字式調(diào)節(jié)器進(jìn)行溫度控制。根據(jù)業(yè)務(wù)量需求,本方案設(shè)計(jì)3個(gè)電熱水器測(cè)試工位,每個(gè)工位布置6個(gè)溫度傳感器,其中5個(gè)傳感器用于熱水器內(nèi)膽表面溫度監(jiān)測(cè),另1個(gè)傳感器用于監(jiān)測(cè)熱水器周圍的測(cè)試環(huán)境溫度。3.3冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)試驗(yàn)用水的溫度控制是采用制冷機(jī)組制冷和加熱器加熱來(lái)分別實(shí)現(xiàn)水溫高于和低于試驗(yàn)條件時(shí)將水制冷和加熱到試驗(yàn)溫度。制冷機(jī)組的制冷量選擇應(yīng)確?？梢约皶r(shí)地將水冷卻到(15±2)℃范圍,水箱容量設(shè)計(jì)為300L,制冷量保證夏季放進(jìn)水箱的水可以及時(shí)冷卻到15℃,夏季進(jìn)水平均溫度按28℃計(jì)算,假設(shè)300L水從28℃降到15℃所需時(shí)間0.5h,選擇冷水機(jī)組應(yīng)滿足最小制冷量(W)=體積(L)×水溫差(K)÷降溫時(shí)間(h)÷0.86(系數(shù))=300×(28-15)÷0.5÷0.86=9070(W),因此本系統(tǒng)選擇制冷量為10kW的冷水機(jī)組,同樣加熱器相應(yīng)也選擇10kW。進(jìn)行熱水輸出率試驗(yàn)用水的流量是通過(guò)水泵和閥門調(diào)節(jié),水泵保證水壓,測(cè)量前先用進(jìn)水調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)合適的流量,測(cè)試期間不排水時(shí)熱水器內(nèi)水壓應(yīng)為0.28MPa,與額定壓力之間保持穩(wěn)定,波動(dòng)在±0.05MPa范圍內(nèi)。通過(guò)安裝在進(jìn)水口的閥門控制排水流量滿足下面要求,如果流量達(dá)不到要求,通過(guò)增大壓力到滿足以下進(jìn)行熱水輸出率試驗(yàn)用水的流量要求:①額定容量<10L,流速為2L/min;②10L<額定容量≤70L,流速為5L/min;③70L<額定容量≤200L,流速為10L/min;④額定容量>200L,流速為5%的額定容量/min。3.4電能消耗測(cè)量電能消耗的測(cè)量采用具有積分功能的橫河WT230型號(hào)的數(shù)字式電參數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行電能消耗測(cè)量,并通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄;采用10kVA變頻穩(wěn)壓電源為待測(cè)試的儲(chǔ)水式電熱水器和電參數(shù)測(cè)試儀提供穩(wěn)定的測(cè)試電源。3.5測(cè)試軟件組成系統(tǒng)自動(dòng)判斷試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束條件的功能是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)測(cè)試軟件通過(guò)用VB語(yǔ)言編寫,按照GB21519-2008標(biāo)準(zhǔn)的要求,按一定時(shí)間間隔記錄試驗(yàn)過(guò)程中的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)并自動(dòng)保存,試驗(yàn)結(jié)束后,按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算公式能計(jì)算出測(cè)試結(jié)果并形成報(bào)表和測(cè)試曲線,測(cè)試軟件由以下兩部分組成:①24h固有能耗系數(shù)測(cè)試時(shí)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)及計(jì)算軟件。該部分軟件能夠按照給出的公式計(jì)算溫控器斷開(kāi)時(shí)的平均溫度θA、溫控器接通時(shí)的平均溫度θE和不排水時(shí)的儲(chǔ)水平均溫度θM,并且判斷不排水時(shí)的儲(chǔ)水平均溫度θM是否滿足在(65±3)℃范圍內(nèi)的試驗(yàn)開(kāi)始條件,24h固有能耗系數(shù)測(cè)試開(kāi)始,并直到經(jīng)過(guò)48h以后,溫控器第1次斷開(kāi)電源為止,此期間軟件測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)記錄電能消耗量E1,同時(shí)用計(jì)時(shí)器測(cè)量其相應(yīng)的測(cè)量時(shí)間t1。②熱水輸出率測(cè)試軟件。熱水輸出率測(cè)試軟件能在排水期間每間隔5s記錄一次出水溫度,從開(kāi)始放水15s后記錄進(jìn)水溫度θci和出水溫度θpi,記錄在排水期間的最高出水溫度θmax,連續(xù)排水至出水溫度比最高出水溫度θmax低20℃為止,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷試驗(yàn)結(jié)束條件,并根據(jù)自動(dòng)記錄的數(shù)據(jù)完成熱水輸出率計(jì)算。4設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定通過(guò)研制單位調(diào)試期間的測(cè)試數(shù)據(jù)及與其他實(shí)驗(yàn)室的比對(duì)結(jié)果可知,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于24h固有能耗系數(shù)和熱水輸出率測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)很多,限于文章篇幅,本文不反映測(cè)試記錄的報(bào)表數(shù)據(jù),僅將系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)形成的曲線和結(jié)果報(bào)表列出,省略試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)控和采集的數(shù)據(jù)記錄。4.12固有能耗系數(shù)測(cè)試24h固有能耗系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)形成的曲線見(jiàn)圖1,系統(tǒng)計(jì)算的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。圖1測(cè)試曲線中的峰為電熱水器溫控器斷開(kāi)瞬間熱水器內(nèi)膽中的平均水溫,此后水溫逐漸降低,當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí)電熱水器的溫控器接通,圖1測(cè)試曲線中的谷即為溫控器接通時(shí)熱水器內(nèi)膽中的平均水溫,系統(tǒng)不斷地進(jìn)行計(jì)算溫控器斷開(kāi)和接通瞬間的平均水溫,當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算并判斷的不排水儲(chǔ)水平均溫度在(65±3)℃的范圍內(nèi)時(shí),確定滿足24h固有能耗系數(shù)測(cè)試開(kāi)始條件,溫控器從某次電源斷開(kāi)時(shí)開(kāi)始,直到48h后溫控器第1次斷開(kāi)為止,系統(tǒng)記錄期間溫控器每次通斷的各點(diǎn)溫度、耗電量和時(shí)間,試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行24h固有能耗系數(shù)計(jì)算,結(jié)果如表1所示。4.2排水期間流體溫度變化熱水輸出率測(cè)試數(shù)據(jù)形成的曲線見(jiàn)圖2,系統(tǒng)計(jì)算的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。圖2中的排水開(kāi)始點(diǎn)為溫控器首次斷開(kāi)時(shí)的儲(chǔ)水平均溫度,在排水期間每間隔5s記錄一次,從開(kāi)始放水15s后記錄進(jìn)水溫度和出水溫度,記錄在排水期間的最高出水溫度,連續(xù)排水至出水溫度比最高出水溫度低20℃為止,系統(tǒng)通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量排水期間排出水的質(zhì)量,并根據(jù)公式計(jì)算熱水輸出率,計(jì)算結(jié)果如表2所示。4.3方案2:熱能系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室間數(shù)據(jù)一致性測(cè)試該系統(tǒng)建成后,參加了中國(guó)能效標(biāo)識(shí)管理中心組織的儲(chǔ)水式電熱水器能效檢測(cè)數(shù)據(jù)一致性核驗(yàn),通過(guò)與其他實(shí)驗(yàn)室間數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)的結(jié)果證明,利用該系統(tǒng)測(cè)試的24h固有能耗系數(shù)和熱水輸出率的測(cè)試結(jié)果Z值均小于2,比對(duì)結(jié)果較為滿意。4.4固有能耗系數(shù)測(cè)量引入的不確定度分析根據(jù)24h固有能耗系數(shù)和熱水輸出率的計(jì)算公式和測(cè)試方法分析,影響該項(xiàng)目的參數(shù)有:儲(chǔ)水平均溫度、電能消耗量、測(cè)量時(shí)間、進(jìn)水溫度、輸出熱水的質(zhì)量以及測(cè)試環(huán)境溫度,另外溫度傳感器的布點(diǎn)方式、溫度數(shù)據(jù)采集器和傳感器的精度和測(cè)量時(shí)間不同步等因素也會(huì)引入測(cè)量不確定度,具體來(lái)源分析如下:①溫度測(cè)量引入的不確定度。它主要來(lái)源于溫度數(shù)據(jù)采集儀和溫度傳感器,依據(jù)檢定/校準(zhǔn)證書和有關(guān)資料確定;②功率計(jì)電能量測(cè)量引入的不確定度。它主要來(lái)源于數(shù)字功率計(jì)的讀數(shù)精度和量程精度誤差,根據(jù)功率計(jì)校準(zhǔn)證書和說(shuō)明書中的參數(shù)來(lái)確定。③時(shí)間測(cè)量引入的不確定度。它主要來(lái)源于測(cè)量計(jì)算電能損耗量E1時(shí)的時(shí)間測(cè)量?jī)x表引入的不確定度,根據(jù)時(shí)間計(jì)時(shí)器的校準(zhǔn)證書來(lái)確定;④質(zhì)量測(cè)量引入的不確定度。它主要來(lái)源于流量計(jì)測(cè)量熱水輸出率時(shí)出水的質(zhì)量的測(cè)量誤差。依據(jù)流量計(jì)的檢定/校準(zhǔn)證書和有關(guān)資料確定;⑤溫度傳感器的布點(diǎn)方式引入的不確定度。24h固有能耗系數(shù)測(cè)試時(shí)由于測(cè)量不排水平均儲(chǔ)水溫度用的傳感器是固定在內(nèi)膽的外側(cè),固定方式不理想會(huì)引入較大的不確定度;熱水輸出率測(cè)試時(shí),用于測(cè)量電熱水器出水溫度的傳感器是固定在電熱水器的出水口處,其固定方式不理想同樣會(huì)導(dǎo)致傳感器探測(cè)到的水溫與實(shí)際的出水溫度會(huì)有偏差,會(huì)引入不確定度,此不確定度分量根據(jù)固定方式和經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。5能自動(dòng)采集試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)創(chuàng)新點(diǎn)為以下四方面:①根據(jù)江蘇省科技查新