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水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)臺的研發(fā)和設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測試

一、水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)臺,水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)裝置,水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)設(shè)備概述
近年來，隨著經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一，多為演示實(shí)驗(yàn)，缺乏實(shí)踐性和創(chuàng)新性。更有許多設(shè)備年久失修，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)的真正目的。為此我們搭建一個(gè)可以直觀表達(dá)實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示的高效率的水源熱泵實(shí)驗(yàn)平臺。
二、水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)臺,水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)裝置,水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)方案
水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺啟動(dòng)時(shí)，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(dòng)，進(jìn)行水循環(huán)。制熱時(shí)，熱泵機(jī)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(jìn)行放熱。制冷時(shí)，剛好是一個(gè)相反過程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程由觸摸屏上操作完成，人機(jī)對話界面方便智能，完全可以通過屏幕進(jìn)行機(jī)組的啟�？刂啤�(shù)據(jù)的讀取和報(bào)警提示等操作。
1.水源熱泵制冷循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)平臺水源熱泵制冷循環(huán)系統(tǒng)圖如圖1所示，由壓縮機(jī)、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(jī)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(jìn)行高效換熱，制熱時(shí)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(shí)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(jìn)入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量，達(dá)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(jī)所消耗的功（電能）起到補(bǔ)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(jī)組中設(shè)置了四通換向閥進(jìn)行制冷與制熱工況的切換。為了保證制冷劑工質(zhì)同一個(gè)方向進(jìn)入熱力膨脹閥，制冷系統(tǒng)中設(shè)置了4個(gè)單向閥。

圖1 水源熱泵制冷循環(huán)系統(tǒng)圖

2.水源熱泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，指揮設(shè)備的控制運(yùn)行狀態(tài)及采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)對話。DDC控制器主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場水源熱泵機(jī)組的控制啟停和供回水溫度、制冷系統(tǒng)溫度、水流量、運(yùn)行狀態(tài)及電量參數(shù)監(jiān)測。
如圖2所示，為水源熱泵實(shí)驗(yàn)平臺控制系統(tǒng)原理圖，在原有常規(guī)水源熱泵空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在壓縮機(jī)出口處安裝高壓保護(hù)開關(guān)、溫度傳感器，入口處安裝了低壓保護(hù)開關(guān)、溫度傳感器。為了滿足實(shí)驗(yàn)測試要求我們在兩個(gè)換熱器機(jī)組出口和入口處安裝了溫度傳感器，進(jìn)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(jī)組水側(cè)的流量狀態(tài)；進(jìn)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(jìn)水及出水的溫度，與流量傳感器配合可以使實(shí)驗(yàn)者能測量出實(shí)時(shí)的空調(diào)系統(tǒng)的制冷（熱）量。
壓縮機(jī)進(jìn)、出口溫度傳感器主要用于壓縮機(jī)進(jìn)出口的溫度值，以便了解其運(yùn)行狀況，防止進(jìn)出口溫度過高或過低對壓縮機(jī)造成損壞。高、低壓保護(hù)開關(guān)主要用于檢測反饋壓縮機(jī)進(jìn)出口的壓力值，防止進(jìn)口壓力過低和出口壓力過高而對壓縮機(jī)造成損壞。

圖2 水源熱泵實(shí)驗(yàn)平臺控制系統(tǒng)原理圖

三、水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)臺,水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)裝置,水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)設(shè)備MCGS嵌入式觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(dòng)態(tài)友好人機(jī)界面，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)庫儲存等功能。實(shí)驗(yàn)需要測量的溫度、流量、電流、電壓、壓縮機(jī)功率、制冷量、制熱量等均可在主界面中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。
MCGS觸摸屏負(fù)責(zé)系統(tǒng)的算法運(yùn)算、指令輸出、數(shù)據(jù)存儲、曲線跟蹤、遠(yuǎn)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(yùn)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。

圖3 MCGS 嵌入式觸摸屏

四、水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)臺,水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)裝置,水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測試
機(jī)組運(yùn)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(jī)壓縮成高溫高壓氣體，進(jìn)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(gè)循環(huán)，如此往復(fù)，不斷吸收低溫端的熱量，在高溫端進(jìn)行放熱。該實(shí)驗(yàn)平臺可以通過測量制冷量、制熱量、壓縮機(jī)輸入功、制冷循環(huán)各點(diǎn)溫度狀態(tài)及蒸發(fā)壓力與冷凝壓力等，測量計(jì)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(shí)際過程圖。通過實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生直觀的了解到整個(gè)制冷循環(huán)的實(shí)際過程。
從表1中測試數(shù)據(jù)我們可以看出，制冷工況時(shí)，由于冷凝溫度比較低，壓縮機(jī)輸入功耗也相對比較低，制冷能效比達(dá)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(shí)，由于冷凝溫度的提高，壓縮機(jī)輸入功比制冷時(shí)增加不少，同時(shí)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。

表1 制冷工況

表2 制熱工況

五、結(jié)束語
水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)臺,水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)裝置,水源熱泵性能測試實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)和介紹，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測試顯示，該實(shí)驗(yàn)平臺測試的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，貼近實(shí)際工程應(yīng)用。

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