一种水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试装置

摘要

本发明公开了一种水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试装置，采用管路兑水/间壁换热结构设计，包括冷却水系统、冷媒水系统、管路兑水/间壁换热系统、热量耗散系统和乙二醇溶液存储系统五部分。该测试装置主要试验（冷媒水侧）采用液体载冷剂法进行试验测定和计算，校核试验（冷却水侧）采用机组热平衡法进行试验测定和计算，可以准确测定水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组的制冷量、制冷消耗功率和制冷能效比等性能参数以及重要的温度和流量等技术参数，为水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组的性能测试和开发研究提供了重要手段，具有装置运行节能，测试结果精确，满足全天候全工况测试的优点。

说明书

技术领域

本发明属于水源热泵机组试验装置领域，具体涉及一种水-水型/水-乙二醇型水源热泵机 组性能测试装置。

背景技术

水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试装置是一种能为水-水型/水-乙二醇型水源 热泵机组提供试验运行工况环境下性能测试的试验装置，能够准确测定水-水型/水-乙二醇型 水源热泵机组的制冷量、制冷消耗功率和制冷能效比等性能参数以及蒸发器进出水温度、冷 凝器进出水温度、蒸发器进出口压差、冷凝器进出口压差、蒸发器水流量、冷凝器水流量等 技术参数，为水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组的性能测试和开发研究提供了重要手段。

中国专利CN102706679A公开了一种水冷冷水机组性能试验用恒温水箱，提供一种具 有分隔的、但并非完全独立的三个区域的、能够为水冷冷水机组性能试验提供恒定的进水工 况条件的水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱，包括箱体、溢流腔、纵向隔板和横向隔板。 纵向隔板和横向隔板将箱体分隔为热量释放区、混合平衡区和恒温控制区，设置有液位计、 温度探头和电加热装置等。采用这种恒温水箱设计的水箱兑水结构式的水-水型水源热泵机 组性能测试装置不仅操作复杂，设备运行调节缓慢，还不能满足水-水型水源热泵机组的出 口冷却水水温低于冷媒水水温的测试工况要求。

中国专利CN102288421A公开了一种可变容量式冷水机组测试装置，这种试验装置用 于水-水型水源热泵机组性能测试时虽然满足了被测机组的进口冷却水水温低于冷媒水水温 的测试工况要求，但是当夏季温度较高或者运行一些特殊工况（冷却水出口温度较低）时便 不能满足测试工况要求，水温测试范围狭小，不能满足全天候全工况的测试条件，同时这种 试验装置仅能用于普通的水-水型水源热泵机组性能试验，还不能满足乙二醇载冷剂循环的 水-乙二醇型水源热泵机组性能测试试验。

现有水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试装置一般仅有一个被试机组安装工位， 机组接管类型单一。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种能量利用率高、扩大了测试机组对载冷剂工质的适应范围、 工况平稳可靠，测试结果精确的水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试装置。

技术方案：本发明的水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试装置，包括依次连接的 冷却水系统、管路兑水/间壁换热系统、冷媒水系统和乙二醇溶液存储系统，以及与冷却水 系统连接的热量耗散系统。

冷却水系统包括依次连接的第一三通、第二三通、第三三通、第四三通、第一水泵和第 一流量计，第一水泵的进口与第四三通连接，出口与第一流量计连接。

冷媒水系统包括依次连接的第五三通、第六三通、第七三通、第八三通、第二水泵、第 二流量计，以及与第八三通连接的膨胀水箱，第二水泵的进口与第八三通连接，出口与第二 流量计连接。

管路兑水/间壁换热系统包括第三水泵、乙二醇板式换热器、第四水泵。第三水泵的进 口与第二三通连接，第三水泵的出口分为两路，一路与乙二醇板式换热器的冷却水进口端连 接，另一路与第七三通连接，乙二醇板式换热器的冷媒水出口端与第六三通连接，第四水泵 的进口与第五三通连接，第四水泵的出口分为两路，一路与第三三通连接，另一路与乙二醇 板式换热器的冷媒水进口端连接，乙二醇板式换热器的冷却水出口端也与第三三通连接。

热量耗散系统的进水端与第一三通连接，出水端与第四三通连接；乙二醇溶液存储系统 的回收/补充端连接在第八三通与第二水泵之间的管路上。

本发明装置中，热量耗散系统包括冷却塔、第五水泵、换热器、风冷冷水机组、恒温水 箱、第六水泵和第七水泵，换热器的冷却水进口端即为热量耗散系统的进水端，与第一三通 连接，换热器的冷却塔水出口端与冷却塔回水端连接，冷却塔的出水端与第五水泵进口连接， 第五水泵出口与换热器的冷却塔水进口端连接，换热器的冷却水出口端与恒温水箱的上部进 水端连接，恒温水箱下部出水端与第六水泵进口连接，第六水泵出口与风冷冷水机组的进口 端连接，风冷冷水机组的出口端与恒温水箱的下部进水端连接，恒温水箱下部的另一出口端 与第七水泵进口连接，第七水泵出口即为热量耗散系统的出水端，与第四三通连接。

本发明装置中，乙二醇溶液存储系统包括依次连接的第一阀门、第二阀门、第八水泵、 第三阀门、第四阀门、乙二醇存储箱，还包括第五阀门、第六阀门和第七阀门。第一阀门的 一端与第二阀门连接，另一端即为乙二醇溶液存储系统的回收/补充端，第八水泵的进口与 第二阀门连接，出口与第三阀门连接。第一阀门和第二阀门之间的管路上还连通有乙二醇加 注管路，第五阀门即设置在乙二醇加注管路上，第六阀门的一端连接在第三阀门与第八水泵 出口之间的管路上，另一端连接在第一阀门和第二阀门之间的管路上。第七阀门的一端连接 在第三阀门与第四阀门之间的管路上，另一端连接在第八水泵进口和第二阀门之间的管路 上。

本发明装置的一个优选方案中，冷却水系统中设置有旁通管路，旁通管路上设置有阀门， 旁通管路的一端连接在第一水泵出口与第一流量计之间的管路上，另一端连接在第三三通与 第四三通之间的管路上。冷媒水系统中也设置有旁通管路，旁通管路上设置有阀门，旁通管 路的一端连接在第二水泵出口与第二流量计之间的管路上，另一端连接在第七三通与第八三 通之间的管路上。

本发明装置中，冷却水系统的出水端，也即第一流量计的出水端与被测机组冷凝器侧连 接，冷媒水系统的出水端，也即第二流量计的出水端与被测机组蒸发器侧连接。

本发明装置中，冷却水系统和冷媒水系统之间设置管路兑水/间壁换热系统，对于普通 的水载冷剂循环的水-水型水源热泵机组性能测试，冷却水管路中的水通过管路引入冷媒水 管路，冷却水和冷媒水之间直接混合勾兑换热，混合后的部分冷媒水通过管路再返回到冷却 水管路；对于乙二醇载冷剂循环的水-乙二醇型水源热泵机组性能测试，被试机组冷凝器中 冷却水和蒸发器中乙二醇溶液通过乙二醇板式换热器间壁换热，实现冷却水和乙二醇溶液间 的热量交换。

根据热力学第一定律可知，水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组冷却水侧的制热量等于水 -水型/水-乙二醇型水源热泵机组冷媒水侧的制冷量和压缩机的输入功之和，欲使被试机组冷 凝器侧产生的热量和蒸发器侧产生的冷量彼此平衡，需要外接冷源消耗的能量只相当于压缩 机输入功那么大。压缩机输入功的功当量的热量通过冷却塔散热水路和冷却水热量耗散水路 散失，冷却水热量耗散水路和冷却塔散热水路之间通过换热器进行间壁式换热，从而实现被 试水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组冷凝器侧产生的热量和蒸发器侧产生的冷量彼此平衡。 该测试装置还增加了两台风冷冷水机组作为恒温水箱的冷源，开启风冷冷水机组便能满足全 天候、全工况的测试条件。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）能量利用率高，降低了测试装置的运行成本，提高了接管效率和测试效率。

该测试装置能实现被试机组冷凝器侧产生的热量和蒸发器侧产生的冷量彼此平衡，冷媒 水和冷却水采用管路直接混合勾兑换热或者乙二醇板式换热器间壁换热，充分利用了被测机 组产生的冷热量，能量利用率高，比起水箱兑水式结构设计的性能测试装置不需要设置专门 搅动装置和电加热装置，降低了测试成本，大大提高了水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性 能测试装置运行的经济性。同时可在冷凝器侧冷却水的进口和出口布置三路可以自由切换使 用的水管，蒸发器侧冷媒水的进口和出口也布置三路可以自由切换使用的水管，其中都有一 路被布置在试验环境间的外部，满足了不同类型接管机组的接管需求，提高了不同接口机组 接管效率，可设置有两个被试机组安装工位，测量控制系统共用，实现一台机组在测试时， 另一台机组在室外进行安装，提高了试验室的测试效率。

（2）装置可以进行水-水型和水-乙二醇型水源热泵机组性能测试，扩大了测试机组对 载冷剂工质的适应范围。

该测试装置设置管路兑水/间壁换热系统，通过阀门启闭，管路兑水换热系统用于普通 的水-水型水源热泵机组性能测试试验，实现冷却水和冷媒水混合勾兑换热，乙二醇溶液存 储系统和间壁换热系统用于乙二醇载冷剂循环的水-乙二醇型水源热泵机组性能测试试验， 通过乙二醇板式换热器实现冷凝器中冷却水和蒸发器中乙二醇溶液间壁换热，由此扩大了被 测水源热泵机组对载冷剂工质的适应范围。

（3）测试工况平稳可靠，测试结果精确。

该测试装置的热量耗散系统中设置换热器，实现部分冷却水与冷却塔出水间壁换热，压 缩机输入功的功当量的热量不仅能被冷却塔散热水路散失，还能通过换热器间壁换热被冷却 水热量耗散水路进一步散失，恒温水箱能向冷却水系统提供温度恒定和流量均匀的冷却水进 水，从而能保证在水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试过程中迅速达到相关标准所要 求的测试工况条件，并且测试装置工作稳定可靠，测试误差小，结果精确。

（4）扩大了机组水温测试范围，满足了全天候全工况的测试条件。

该测试装置增加了两台风冷冷水机组作为恒温水箱的冷源，当夏季温度较高或者运行一 些特殊工况（冷却水出口温度较低）时，压缩机输入功的功当量的热量不能通过冷却塔散失， 开启风冷冷水机组向恒温水箱提供冷水，由此便满足了全天候、全工况的测试条件，扩大了 水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组水温测试范围，满足了冷媒水温度较低的试验（如国标低 温制冷运行试验）。

附图说明

图1是现有技术公开的一种水冷冷水机组性能试验用恒温水箱原理图。

图2是现有技术公开的一种可变容量式冷水机组测试装置结构示意图。

图3是本发明测试装置的原理示意图。

图中：1—冷却水系统；11—第一三通；12—第二三通；13—第三三通；14—第四三通； 15—第一流量计；16—第一水泵；2—冷媒水系统；21—第五三通；22—第六三通；23—第 七三通；24—第八三通；25—第二水泵；26—第二流量计；27—膨胀水箱；3—管路兑水/ 间壁换热系统；31—第三水泵；32—乙二醇板式换热器；33—第四水泵；4—热量耗散系统； 41—冷却塔；42—第五水泵；43—换热器；44—风冷冷水机组；45—恒温水箱；46—第六水 泵；47—第七水泵；5—乙二醇溶液存储系统；51—第一阀门；52—第二阀门；53—第三阀 门；54—第四阀门；55—第五阀门；56—第六阀门；57—第七阀门；58—第八水泵；59—乙 二醇存储箱；61—被测水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组冷凝器侧；62—被测水-水型/水- 乙二醇型水源热泵机组蒸发器侧；7—水源。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。

如图3所示，本发明的水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试装置，包括与被测试 水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组冷凝器侧61连接的冷却水系统1，与被测试水-水型/水- 乙二醇型水源热泵机组蒸发器侧62连接的冷媒水系统2，冷却水系统1和冷媒水系统2之 间设置有用于冷却水和冷媒水之间进行热量交换的管路兑水/间壁换热系统3，以及与冷却水 系统1连接的热量耗散系统4和与冷媒水系统2连接的乙二醇溶液存储系统5。

冷却水系统1包括依次用管路连接的第一三通11、第二三通12、第三三通13、第四三 通14、第一水泵16和第一流量计15，第一水泵16的进口与第四三通14连接，出口与第一 流量计15连接。

本发明的一个优选实施例中，冷却水系统1中设置有旁通管路，旁通管路上设置有阀门， 旁通管路的一端连接在第一水泵16出口与第一流量计15之间的管路上，另一端连接在第三 三通13与第四三通14之间的管路上。

冷媒水系统2包括依次用管路连接的第五三通21、第六三通22、第七三通23、第八三 通24、第二水泵25和第二流量计26的冷媒水管路，以及与第八三通24连接的膨胀水箱27， 第二水泵25的进口与第八三通24连接，出口与第二流量计26连接。

本发明的一个优选实施例中，冷媒水系统2中设置有旁通管路，旁通管路上设置有阀门， 旁通管路的一端连接在第二水泵25出口与第二流量计26之间的管路上，另一端连接在第七 三通23与第八三通24之间的管路上。

管路兑水/间壁换热系统3包括第三水泵31、乙二醇板式换热器32、第四水泵33。其中， 管路兑水/间壁换热系统3的第三水泵31的进口与第二三通12连接，第三水泵31的出口分 为两路，一路与乙二醇板式换热器32的冷却水进口端连接，另一路与第七三通23连接而构 成管路I，乙二醇板式换热器32的冷媒水出口端与第六三通22连接而构成管路II，第四水 泵33的进口与第五三通21连接，第四水泵33的出口分为两路，一路与第三三通13连接而 构成管路III，另一路与乙二醇板式换热器32的冷媒水进口端连接，乙二醇板式换热器32 的冷却水出口端也与第三三通13连接而构成管路IV。

热量耗散系统4包括冷却塔41、第五水泵42、换热器43、风冷冷水机组44、恒温水箱 45、第六水泵46和第七水泵47，换热器43的冷却水进口端即为热量耗散系统4的进水端， 与第一三通11连接，换热器43的冷却塔水出口端与冷却塔41回水端连接，冷却塔41的出水 端与第五水泵42进口连接，第五水泵42出口与换热器43的冷却塔水进口端连接，换热器43 的冷却水出口端与恒温水箱45的上部进水端连接，恒温水箱45下部出水端与第六水泵46进 口连接，第六水泵46出口与风冷冷水机组44的进口端连接，风冷冷水机组44的出口端与恒 温水箱45的下部进水端连接，恒温水箱45下部的另一出口端与第七水泵47进口连接，第七 水泵47出口即为热量耗散系统4的出水端，与第四三通14连接。其中，冷却塔41、第五水 泵42和换热器43构成冷却塔散热水路，该水路被布置在试验间外部，冷却塔41的出水口与 第五水泵42进口连接，第五水泵42出口与换热器43的冷却塔水进口端连接，这是冷却塔散 热水路的出水管路，换热器43的冷却塔水出口端与冷却塔41回水端连接，这是冷却塔散热水 路的回水管路；恒温水箱45、第七水泵47、第四三通14、第一三通11和换热器43构成冷却 水热量耗散水路，第一三通11与换热器43的冷却水进口端连接，即为热量耗散系统4的进水 端，换热器43的冷却水出口端与恒温水箱45连接，恒温水箱45下部的出水口与第七水泵47 进口连接，第七水泵47出口与第四三通14连接；风冷冷水机组44、恒温水箱45和第六水泵 46构成风冷冷水机组散热水路，恒温水箱45经第六水泵46与风冷冷水机组44连接而构成循 环回路。

乙二醇溶液存储系统5包括依次连接的第一阀门51、第二阀门52、第八水泵58、第三 阀门53、第四阀门54、乙二醇存储箱59，还包括第五阀门55、第六阀门56和第七阀门57。 其中，第一阀门51的一端与第二阀门52连接，另一端即为乙二醇溶液存储系统5的回收/ 补充端，第八水泵58的进口与第二阀门52连接，出口与第三阀门53连接，第一阀门51 和第二阀门52之间的管路上还连通有乙二醇加注管路，所述第五阀门55即设置在乙二醇加 注管路上，第六阀门56的一端连接在第三阀门53与第八水泵58出口之间的管路上，另一 端连接在第一阀门51和第二阀门52之间的管路上，第七阀门57的一端连接在第三阀门53 与第四阀门54之间的管路上，另一端连接在第八水泵58进口和第二阀门52之间的管路上。

本发明装置中，冷却水系统1的出水端，也即第一流量计15的出水端与被测机组冷凝器 侧61连接，冷媒水系统2的出水端，也即第二流量计26的出水端与被测机组蒸发器侧62连 接。

如图3所示，当水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试装置开启试验时：

对于普通的水-水型水源热泵机组性能试验，冷却水系统1中的冷却水流经第二三通12、 第三水泵31和管路I后由第七三通23引入冷媒水系统2的冷媒水管路，冷却水和冷媒水直 接混合勾兑换热，混合换热后的部分冷媒水流经第四水泵33（此时第四水泵33不需要开启） 后通过管路III由第三三通13返回到冷却水系统1的冷却水管路，由此完成了冷却水和冷媒 水之间的管路兑水换热循环；

对于乙二醇载冷剂循环的水-乙二醇型水源热泵机组性能测试试验，排除被试机组和冷 媒水系统中的全部水，根据系统需要乙二醇浓度及系统水管路、被测机组的容量计算需要的 乙二醇量，关闭第一阀门51、第六阀门56、第七阀门57，同时打开第二阀门52、第三阀门 53、第四阀门54和第五阀门55，利用第八水泵58将桶装的乙二醇按试验所需量引入乙二 醇存储箱59，然后加入自来水配制成所需浓度的乙二醇溶液，该过程中需时刻用比重计测 量乙二醇溶液浓度，以防所配溶液浓度过低。关闭第二阀门52、第三阀门53和第五阀门55， 同时打开第一阀门51、第四阀门54、第六阀门56和第七阀门57，利用第八水泵58将乙二 醇存储箱59中按所需浓度配制好的乙二醇溶液引入到冷媒水系统2的冷媒水管路，完成乙 二醇溶液加注到蒸发器侧冷媒水管路的过程，试验时冷却水依次流经第二三通12和第三水 泵31后从乙二醇板式换热器32冷却水进口端进入，与冷媒水系统2的冷媒水管路上由第五 三通21流经第四水泵33（此时第四水泵33需要开启）后从乙二醇板式换热器32冷媒水进 口端进入的乙二醇溶液间壁换热，换热后乙二醇溶液从乙二醇板式换热器32冷媒水出口端 经II管路后由第六三通22返回到冷媒水系统2的冷媒水管路，冷却水从乙二醇板式换热器 32冷却水出口端经IV管路后从第三三通13流入冷却水系统1的冷却水管路中，由此通过 乙二醇板式换热器32间壁式换热实现水-乙二醇型水源热泵机组冷凝器侧冷却水和蒸发器 侧乙二醇溶液间的热量交换。试验结束后关闭第五阀门55、第六阀门56和第七阀门57，同 时打开开启第一阀门51、第二阀门52、第三阀门53和第四阀门54，利用第八水泵58将蒸 发器侧冷媒水管路中的乙二醇溶液引入乙二醇存储箱59，完成乙二醇回收；

管路兑水/间壁换热过程中第三水泵31负责冷却水路溶液输运，第四水泵33在水-乙二 醇型水源热泵机组性能测试试验时负责冷媒水路溶液输运，同时调节第四水泵33变频器还 能有效防止溶液低温时冻坏管道，当流过冷却水系统1中第一水泵16的冷却水流量较大时， 开启与之并联的旁通管路上的阀门而构成循环，可以有效减小水流量和防止水击。当流过冷 媒水系统2中第二水泵25的冷媒水流量较大时，开启与之并联的旁通管路上的阀门而构成 循环，可以有效减小水流量和防止水击，确保水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试装 置安全稳定的运行。通过水泵变频技术，调节第一水泵16的变频器实现冷却水的出水温度 （水流量）控制，调节兑水换热管路上第三水泵的31的变频器实现冷媒水的进水温度（水 流量）控制，调节第二水泵25的变频器实现冷媒水的出水温度（水流量）控制。

由热力学第一定律可知，对于被试水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组而言，水-水型/水- 乙二醇型水源热泵机组冷却水侧的制热量等于机组冷媒水侧的制冷量和压缩机的输入功之 和，欲实现被试水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组冷凝器侧17产生的热量和蒸发器侧28 产生的冷量彼此平衡，需要外接冷源消耗的能量只相当于压缩机输入功那么大。压缩机输入 功的功当量的热量由热量耗散系统4散失，冷却水热量耗散水路和冷却塔散热水路通过换热 器43进行间壁式换热，冷却水系统1的冷却水管路中部分冷却水通过第一三通11被引入换 热器43的冷却水进口端后与由换热器43冷却塔水进口端引入的来自冷却塔散热水路出水管 路里的冷却塔水间壁换热，换热后来自冷却水系统1的冷却水自换热器43的冷却水出口端 流入恒温水箱45，来自冷却塔41的冷却塔水从换热器43的冷却塔水出口端经冷却塔回水 管路流回冷却塔41，此时热量耗散系统4中完成部分冷却水与冷却塔水经换热器43的间壁 换热过程，间壁换热时冷却塔水吸收的热量由布置在试验间外的冷却塔散热水路进行耗散， 间壁换热后的冷却水流入恒温水箱45，若冷却水温度还较高，则这部分剩余热量由冷却水 热量耗散水路进一步散失，由此便完成压缩机输入功的功当量的热量散失。通过控制冷却塔 风机频率来控制冷却塔散热能力，从而控制恒温水箱45水温，风机频率越高，散热效果越 好，水箱温度下降越低。压缩机输入功的功当量的热量散失过程中恒温水箱45的出水经第 七水泵47由第四三通14流入冷却水系统1的冷却水管路，这条管路是冷却水系统1中冷却 水的进口管路，调节第七水泵47的变频器可实现对冷却水进水温度（水流量）的控制。由 于水具有不可压缩性，因此向冷却水系统加入冷水的同时还需排出热水，这样加入冷水排出 热水就可以控制冷却水系统水温。冷却水热量耗散水路的动力来源为第七水泵47，冷却塔 散热水路的动力来源为第五水泵42。水源7通过管道可为冷却塔41和恒温水箱45供水。

进一步地，为保证恒温水箱45水温恒定，本发明试验装置增加了风冷冷水机组散热水 路，设置两台风冷冷水机组44作为恒温水箱45的冷源。风冷冷水机组散热水路通过第六水 泵46实现水路循环，恒温水箱45中的水经第六水泵46流入风冷冷水机组44被改变温度后 再送回到恒温水箱45。当夏季温度较高或者运行一些特殊工况（冷却水出口温度较低）时， 压缩机输入功的功当量的热量不能通过冷却塔散热水路散失，这时关闭第五水泵42，开启 风冷冷水机组44和第六水泵46，通过风冷冷水机组散热水路为恒温水箱45提供冷水而满 足全天候、全工况的测试条件，由此便扩大了水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组水温测试范 围。

最后，水-水型/水-乙二醇型水源热泵机组性能测试装置可在冷凝器侧冷却水的进口和出口 布置三路可以自由切换使用的水管，蒸发器侧冷媒水的进口和出口也布置三路可以自由切换使 用的水管，其中都各有一路被布置在试验环境间的外部，能满足不同类型接管机组的接管需求， 提高了接管效率，还可设置两个被试机组安装工位，测量控制系统共用，实现了被测试机组一 台在测试时另一台机组可在室外进行安装，从而提高试验室的测试效率。