水（地）源热泵机组能源效率计量检测与不确定度分析

2019-11-29山宏刚黄华王宝钢李敏

质量安全与检验检测 2019年5期

山宏刚黄华王宝钢李敏

（上海海关机电产品检测技术中心上海 200135）

1 前言

自2004 年以来，我国对使用面广、耗能量大的终端用能产品实施《能源效率标识管理办法》，目前共发布14 批目录，包含37 类产品。2008 年修订颁布的《节约能源法》将实践中的一些有效措施吸收到法律中，将能效标识管理作为一项法律制度明确下来。能效标识制度的建立实施，推动了用能产品的能源利用效率。

为加强能源计量监督管理工作，2010 年原国家质检总局发布《能源计量监督管理办法》，明确各法定计量检定机构可开展用能产品能源效率计量检测等能源计量活动，同时要求各级质监部门对列入《国家能源效率标识管理产品目录》的用能产品能源效率实施计量监督检查。

2 能源效率计量检测

2.1 能源计量

能源计量是为确定用能对象的能源利用程度而对能源及相关量的计量，其本质是关于能源量及能源使用程度的计量[1]。能源效率作为评价用能产品能源利用和转换的技术参数，是评价用能产品节能特性的重要技术指标。能源计量应用于能源效率标识产品，产生的能源效率计量检测需要通过多参数、中间量和过程量的测量换算得到，与传统意义的法制计量相比，能源效率计量检测具有综合性、复杂性和跨学科性等特点。

国家计量技术规范JJF 1261.1—2017《用能产品能源效率计量检测规则》[2]规定了用能产品能效效率计量检测过程的抽样、检测和评价等活动的通用要求，是具体能效标识产品计量检测的通用规则。

2.2 能源效率计量检测特点

与能源效率标识检测相比，能源效率计量检测有其特点，主要差异如下。

2.2.1 增加测量不确定度要求

我国用能产品的能源效率限定值及能效等级系列国家标准规定了用能产品的能源效率等级划分限定值和各能效等级的规定值，但并未考虑测量水平和测量不确定度要求。能源效率计量检测考虑现在用能产品能源消耗的测量水平，规定确定能源效率等级的量的计量检测结果的测量不确定度U（k=2）不应超过能源效率等级标注值对应差值的1/3。

2.2.2 测量仪器技术要求高

由于考虑了测量不确定度要求，为保证测量结果的精度，要求测量仪器的技术指标高于国家标准中规定的测量仪器的技术指标。

2.2.3 结果判定引入宽限判据

宽限判据的定义是：对被测对象进行合格评定时，将位于最大允许误差的模加上测量不确定度区间内的值判定为合格，超出此区间的值判定为不合格。

JJF 1261.1—2017 中规定，若能效指标（能源消耗量）的测量不确定度与标准规定的最大允许误差的模之比没有大于1/3，合格评定不考虑测量不确定度的影响；若能效指标（能源消耗量）的测量不确定度与标准规定的最大允许误差的模之比大于1/3 或标准没有规定最大允许误差时，合格评定采用宽限判据原则，即在标准规定限值上再放宽加上测量不确定度的影响。

3 水（地）源热泵机组能效标识

水（地）源热泵机组产品于2015 年12 月1 日纳入我国实行能源效率标识的产品目录（第十二批）。该产品的能源效率国家标准为GB 30721—2014《水（地）源热泵机组能效限定值及能效等级》[3]。该标准规定了水（地）源热泵机组限定值及能效等级。水（地）源热泵机组的能效检测方法标准为GB/T 19409—2013《水（地）源热泵机组》[4]，按冷热水型和冷热风型分类，引用的检测标准又为GB/T 10870—2014《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组性能试验方法》[5]和GB/T 17758—2010《单元式空气调节机》[6]。

4 水（地）源热泵机组不确定评定分析实例

本文给出一个冷热水型水（地）源热泵机组的不确定度评定示例。本例冷热水型水（地）源热泵机组的名义制冷量为80 kW，名义制冷消耗功率为13 kW；名义制热量为86 kW，名义制热消耗功率为18 kW，冷（热）源类型为地埋管式。实测全年综合性能系数ACOP 等于5.17，为I 级能效产品。

本例对名义制冷量、名义制冷消耗功率、名义制热量、名义制热消耗功率和全年综合性能系数都进行了测量不确定度评定。以下出现的制冷量、制冷消耗功率、制热量、制热消耗功率均为在名义工况下测试的值。

4.1 制冷量测量不确定度评定

4.1.1 测量原理和测量模型

试验采用液体载冷剂法，忽略使用侧和热源侧换热器及压缩机至冷凝器段的辅助设备与环境空气的传递热量的影响。机组制冷量的计算公式详见式（1）：

其中，Qn—机组制冷量，W；C—平均温度下使用侧水的比热容，J/（kg·℃）；ρ—平均温度下使用侧水的密度，kg/m3；qv—使用侧水的体积流量，m3/s；t1—使用侧进水温度，℃；t2—使用侧出水温度，℃。

测试过程中冷水的温度变化很小，可视C和ρ为常数，则制冷量的不确定度与输入量qv和t1、t2的不确定度有关，且这3 个量相互独立不相关。

制冷量标准不确定度计算公式详见式（2）：

其中，u（Qn）—制冷量的标准不确定度；u1—重复性测量引入的不确定度分量；u2—体积流量测量引入的不确定度分量；u3—进水温度测量引入的不确定度分量；u4—出水温度测量引入的不确定度分量；c2、c3、c4—各项灵敏系数。

4.1.2 重复性测量引入的不确定度分量

进行10 次独立的测量，测量数据详见表1。

表1 制冷量10 次独立测量数据

用贝塞尔公式计算测量结果，可得制冷量重复测量引入的标准不确定度，计算公式详见式（3）：

其中，u1—制冷量重复性测量引入的标准不确定度；Qi—第i次独立测量得到的制冷量；—n次独立测量得到的制冷量平均值；n—独立测量次数，这里n=10。

计算得出u1=0.078 kW。

4.1.3 体积流量测量误差引入的不确定度分量

校准证书给出流量计的最大允许误差为±1%，均匀分布，则相对不确定度为经计算，u2=0.079 m3/h。

灵敏系数c2计算公式为

在7℃时，水的比热容为4.211 kJ/kg﹒K，密度为1 000 kg/m3，t1-t2=4.8℃。经计算，c2=20 128 kJ/m3。则c2u2=0.446 kW。

4.1.4 进水温度测量误差引入的不确定度分量

根据校准证书，进水温度的扩展不确定度为0.03℃（k=2）。则u3=0.015℃。

灵敏系数c3计算公式为

在7℃时，水的比热容为4.211 kJ/kg·K，密度为1 000 kg/m3，流量qv=13.81 m3/h。计算c3=16.15 kW/℃，则c3u3=0.242 kW。

4.1.5 出水温度测量误差引入的不确定度分量

根据校准证书，出水温度的扩展不确定度为0.03℃（k=2）。则u4=0.015℃。

灵敏系数c4计算公式为

在12℃时，水的比热容为4.202 kJ/kg·K，密度为999 kg/m3，流量qv=13.81 m3/h。计算c4=-16.10 kW/℃，则c4u4=-0.242 kW。

4.1.6 制冷量测量不确定度结果

依据式（2），计算得到制冷量标准不确定度为：

取置信概率p=95%，包含因子k=2，则扩展不确定度u（Qn）=1.135 kW。以测量平均值77.052 kW 作为测量结果，则相对扩展不确定度为1.47%。

制冷量不确定度结果详见表2。

表2 制冷量不确定度结果汇总

4.2 制冷功率测量不确定度评定

4.2.1 测量原理和测量模型

制冷功率由数字功率计直读得到，不确定度考虑重复性测量误差以及数字功率计测量误差。制冷功率的计算公式详见式（7）：

其中，Pn—制冷功率；P—功率计读数。

制冷功率标准不确定度计算公式详见式（8）：

其中，u（Pn）—制冷功率的标准不确定度；u5—重复性测量引入的不确定度；u6—数字功率计测量误差引入的不确定度；c6—数字功率计测量误差对应的灵敏系数。

4.2.2 重复性测量引入的不确定度分量

进行10 次独立的测量，测量数据详见表3。

同样，用贝塞尔公式计算测量结果，可得制冷功率重复测量引入的标准不确定度，计算公式详见式（9）：

其中，u5—制冷功率重复性测量引入的标准不确定度；Pi—第i次独立测量得到的制冷功率次独立测量得到的制冷功率平均值；n—独立测量次数，这里n=10。

表3 制冷功率10 次独立测量数据

计算得出u5=0.016 kW。

4.2.3 数字功率计测量误差引入的不确定度分量

根据校准证书给出数字功率计相对扩展不确定度为0.16%（k=2），经计算u6=0.011 kW，c6=1，则c6u6=0.011 kW。

4.2.4 制冷功率测量不确定度结果

依据式（8），计算得到制冷功率标准不确定度为：

取置信概率p=95%，包含因子k=2，则扩展不确定度U（Pn）=0.040 kW。以测量平均值13.401 kW 作为测量结果，则相对扩展不确定度为0.29%。

制冷功率不确定度结果汇总详见表4。

表4 制冷功率不确定度结果汇总

4.3 制热量和制热功率测量不确定度评定

制热量和制热功率测量不确定度评定与制冷相似，故不再赘述。制热量不确定度评定结果为：标准不确定度u（Qh）=0.585 kW，扩展不确定度U（Qh）=1.170 kW，相对扩展不确定度为1.41%；制热功率不确定度评定结果为：标准不确定度u（Ph）=0.018 kW，扩展不确定度U（Ph）=0.036 kW，相对扩展不确定度为0.19%。