空氣源熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)分析與實(shí)驗(yàn)

姜昆，劉穎，王芳，王祥，姜莎

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

空氣源熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)分析與實(shí)驗(yàn)

姜昆*，劉穎，王芳，王祥，姜莎

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

文章提出一種熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的方案，并對(duì)影響熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的因素進(jìn)行了分析。該方案將熱泵熱水器全年運(yùn)行工況分為高、中、低三個(gè)區(qū)間，計(jì)算得出各個(gè)溫度區(qū)間在全年范圍中的比重，以及各個(gè)溫度區(qū)間的平均發(fā)生溫度，將計(jì)算出的平均溫度作為測(cè)試工況，測(cè)試系統(tǒng)COP，最后經(jīng)過加權(quán)計(jì)算，得出熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)。對(duì)該方案進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明，全年綜合能效（ACE）能夠考慮環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組性能的影響，即能反映了熱泵熱水器夏季時(shí)的高效率，也能反映了冬季時(shí)機(jī)組性能受影響較大的情況。

空氣源熱泵熱水器；全年綜合能效（ACE）；能效比（COP）；性能測(cè)試；R417A

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人名生活水平不斷提升，家用及商業(yè)用熱水的需求量也在逐年增加。近幾年，由于熱泵型熱水器在節(jié)能、安全、環(huán)保等方面展露出其獨(dú)具的優(yōu)越性，已經(jīng)顯示出巨大的市場(chǎng)潛力[1]。然而在有關(guān)熱泵熱水器能效的定義方面，國(guó)標(biāo)GB/T 21362-2008《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)組》[2]中仍然以COP作為標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)上銷售的熱泵熱水器產(chǎn)品也采用標(biāo)準(zhǔn)工況下的COP值來區(qū)分產(chǎn)品能效的高低以及性能的優(yōu)劣。然而熱泵熱水器全年都在運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行工況與國(guó)標(biāo)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工況相差較大，只有少數(shù)時(shí)間在標(biāo)準(zhǔn)工況附近運(yùn)行。因此，熱泵熱水器的 COP不能充分反映機(jī)組能效情況和產(chǎn)品的性能，更不能反映其在全年時(shí)的綜合能耗。

另外，由于制冷行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步以及國(guó)家節(jié)能減排相關(guān)政策的推進(jìn)，在對(duì)產(chǎn)品能效要求提高的同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品在全年整個(gè)運(yùn)行周期的能耗的關(guān)注也不斷加強(qiáng)。考查產(chǎn)品是否節(jié)能，并不只取決于實(shí)驗(yàn)工況條件下機(jī)組的 COP值，而應(yīng)該聯(lián)系產(chǎn)品在實(shí)際使用中的特點(diǎn)和所處的運(yùn)行環(huán)境來綜合評(píng)價(jià)。因此，國(guó)標(biāo)制定了關(guān)于熱泵空調(diào)器的季節(jié)能效比（SEER）[3]和冷水(熱泵)機(jī)組的綜合部分負(fù)荷系數(shù)（IPLV）[4]來衡量機(jī)組的綜合性能。熱泵熱水器在全年范圍內(nèi)使用，受氣候環(huán)境的影響較大，不同季節(jié)時(shí)機(jī)組運(yùn)行工況差別較大，因此，更需要一個(gè)能反映機(jī)組全年運(yùn)行性能的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來合理評(píng)價(jià)機(jī)組的性能，為產(chǎn)品比較提供依據(jù)。相比于上述兩種能效評(píng)定方法，全年綜合能效 (Annual comprehendsive efficiency，簡(jiǎn)稱ACE) 概念能更合理的反應(yīng)機(jī)組在運(yùn)行時(shí)的能耗狀態(tài)，更加清晰的表明不同產(chǎn)品間的優(yōu)劣。研究熱泵熱水器全年綜合能效能，可以更加直觀反映地不同熱泵熱水器的能效情況，更加具有可比性，同時(shí)有利于市場(chǎng)進(jìn)一步向高能效產(chǎn)品轉(zhuǎn)換。

1 熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)影響因素分析

熱泵熱水器的使用情況和特點(diǎn)具有多樣化，影響其全年能效(ACE)的因素較多，主要分為個(gè)人因素、自然因素和設(shè)計(jì)因素。分析各個(gè)因素與機(jī)組性能的相關(guān)性對(duì)研究系統(tǒng)的全年綜合能效(ACE)有較大幫助。

(1)室外氣候變化對(duì)機(jī)組性能的影響；

室外氣候影響屬于自然因素，根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng) COP隨環(huán)境溫度變化較大，夏季溫度較高時(shí)的COP為冬季低溫時(shí)的兩倍左右。

(2)用水量大小對(duì)系統(tǒng)能效的影響；

用水量屬于個(gè)人因素，根據(jù)文獻(xiàn)[5]總結(jié)得出，同一熱泵熱水器機(jī)組，室外環(huán)境條件相同的情況下，系統(tǒng)水箱的容量不同時(shí)，將水箱水溫加熱到標(biāo)準(zhǔn)溫度，機(jī)組的 COP各不相同。機(jī)組的整體性能會(huì)隨著水箱容量的增大而降低，水箱容量大，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)溫度所需的熱量多，機(jī)組制熱量大，機(jī)組冷凝器處在高溫狀態(tài)時(shí)間也較長(zhǎng)，機(jī)組COP較低。

(3)水箱溫度設(shè)定對(duì)系統(tǒng)能效的影響；

設(shè)定的出水溫度越高，系統(tǒng)循環(huán)的高溫?zé)嵩礈囟仍礁?，機(jī)組最終所處的冷凝壓力與溫度越高，低溫?zé)嵩礈囟炔蛔?，使得高低溫?zé)嵩礈夭钤酱螅治鲅h(huán)的壓焓圖可知，設(shè)定出水溫度越高，壓縮機(jī)的輸入功率越大，機(jī)組的制熱效率越低。

(4)水箱補(bǔ)水方式[6]及漏熱系數(shù)對(duì)系統(tǒng)能效的影響；

空氣源熱泵熱水器制熱性能系數(shù)受蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的影響較大，而機(jī)組不同的補(bǔ)水方式，導(dǎo)致進(jìn)出系統(tǒng)冷凝器的熱水溫度的不同，也就造成系統(tǒng)冷凝溫度的不同，最終影響到機(jī)組的制熱性能。另外，水箱的熱水溫度始終是高于環(huán)境溫度，與環(huán)境存在換熱溫差，因此機(jī)組會(huì)有一定的熱量損失，國(guó)標(biāo)中對(duì)水箱的漏熱系數(shù)的測(cè)量與大小有具體要求。

2 熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的綜合分析

分析影響熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的因素，其中，設(shè)計(jì)因素對(duì)系統(tǒng)影響較為固定，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中確定；個(gè)人因素對(duì)系統(tǒng)影響較難確定，但用水量的大小對(duì)系統(tǒng)的影響主要反映在機(jī)組水箱的選取上，自然因素對(duì)機(jī)組性能的影響主要體現(xiàn)在氣候溫度的變化上，由于全年氣候變化較有規(guī)律，所以自然因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響也具有規(guī)律性。因此，熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)可以看作是設(shè)計(jì)因素、個(gè)人因素及自然因素的函數(shù)：

式中：

α— 不同的補(bǔ)水方式引起的修正系數(shù)；選取集中式補(bǔ)水方式為 1，其他補(bǔ)水方式可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取得；

β— 不同的容量水箱引起的修正系數(shù)；以100L水箱容量為參照，其他容量水箱可由實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)取得；

T1— 室外干球溫度，℃；

T2— 室外濕球溫度，℃；

T3— 水箱補(bǔ)水溫度，℃；

T3=f(T1,T2,L)；L為補(bǔ)水管路的長(zhǎng)度，m。

T4— 設(shè)定水箱出水溫度，℃，

因此可以對(duì)一臺(tái)熱泵熱水器在不同的氣候環(huán)境下的性能進(jìn)行測(cè)試，分析所得數(shù)據(jù)中機(jī)組運(yùn)行時(shí)COP與環(huán)境的干、濕球溫度等各個(gè)影響因素之間的關(guān)系，再通過擬合的方式得 ACE的計(jì)算公式。但這種方式所需數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)不夠充分時(shí)，擬合出的函數(shù)精確度較低，不具備通用性，另外，大量數(shù)據(jù)的獲取是建立在大量精確實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，所需時(shí)間和精力也較多。筆者認(rèn)為可以借鑒 IPLV和SEER概念，將熱泵機(jī)組整個(gè)運(yùn)行情況分為幾種不同的負(fù)荷情況，計(jì)算加權(quán)得出各個(gè)不同的負(fù)荷情況在整個(gè)運(yùn)行過程中所占比例系數(shù)，然后測(cè)試各個(gè)負(fù)荷工況下冷水機(jī)組運(yùn)行的性能系數(shù)COP，最后得出該冷水機(jī)組的綜合性能系數(shù)，具體如（2）式所示；

式中：

ACE — 空氣源熱泵熱水器全年綜合能效比；

η、λ、γ—高溫、中溫、低溫區(qū)所占全年運(yùn)行時(shí)間的比例系數(shù)；

a、b、c—分別為高溫、中溫、低溫工況下熱泵熱水器的平均能效比COP。

國(guó)標(biāo) GB/T7725-2004《房間空調(diào)器調(diào)節(jié)》[7]在定義家用空調(diào)的季節(jié)能效比（SEER）時(shí)，將我國(guó)劃分為制冷和制熱兩種工況，并統(tǒng)計(jì)了兩種工況下部分溫度的發(fā)生時(shí)間。根據(jù)該數(shù)據(jù)以及分析空氣源熱泵熱水器的使用特點(diǎn)，將全年空氣源熱泵熱水器的運(yùn)行工況分為三個(gè)區(qū)：A—高溫區(qū)（24℃-38℃），B—中溫區(qū)（17℃-23℃），C—低溫區(qū)（-9℃-16℃），如表1所示，各溫區(qū)發(fā)生時(shí)間占全年（按365天計(jì)算）運(yùn)行總時(shí)間的比例為：高溫區(qū)27.4 %、低溫區(qū)41.1 %、中溫區(qū)31.5 %，其中高溫和低溫區(qū)的部分溫度發(fā)生的時(shí)間長(zhǎng)短分別如圖1和圖2所示。

表1 各個(gè)溫區(qū)的時(shí)間總和及占全年時(shí)間比例

圖1 高溫區(qū)部分溫度的發(fā)生時(shí)間

圖2 低溫區(qū)的部分溫度發(fā)生時(shí)間

根據(jù)以上分析和總結(jié)，結(jié)合 IPLV的計(jì)算式，可定義空氣源熱泵熱水器全年綜合能效比的計(jì)算式如下：

合理的得出各個(gè)溫度區(qū)內(nèi)熱泵熱水器的平均綜合能效比a、b、c是計(jì)算全年綜合能效(ACE)的關(guān)鍵。分析高溫區(qū)A、低溫區(qū)C各個(gè)溫度發(fā)生時(shí)間的特性，將高、低溫區(qū)中溫度發(fā)生分別看作為離散型隨機(jī)事件 X、Y，根據(jù)國(guó)標(biāo)[7]中的數(shù)據(jù)計(jì)算出各溫度在該溫度區(qū)內(nèi)的發(fā)生的概率 P、Q，計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示，由離散變量期望的計(jì)算公式可得低溫區(qū)溫度發(fā)生的平均溫度E(X)：

式中：xi— 低溫區(qū)溫度發(fā)生的各個(gè)溫度；

pi— 各個(gè)溫度對(duì)應(yīng)的發(fā)生概率。

代入表中數(shù)據(jù)可計(jì)算：E(X)= 5.8765；同理，計(jì)算高溫區(qū)溫度發(fā)生的平均溫度：E(Y)= 27.7153。

分別取整得：E(X)= 6，E(Y)= 28。即高、低溫區(qū)溫度發(fā)生的平均溫度分別為28℃、6℃。

圖3 高溫區(qū)部分溫度的發(fā)生概率

圖4 低溫區(qū)部分溫度的發(fā)生概率

由于中溫區(qū)暫時(shí)還沒有較為權(quán)威的數(shù)據(jù)可供參考，但中溫區(qū)溫度劃分為 17℃-23℃，分區(qū)跨度較小，溫度分布較為集中，因此，可取其平均值20℃作為中溫區(qū)溫度發(fā)生的平均溫度。

綜上分析和計(jì)算，可得出高、中、低溫區(qū)所對(duì)應(yīng)的平均溫度分別為 28℃、20℃、6℃，因此，確定A、B、C值的測(cè)試工況如表2示。

表2 熱泵熱水器綜合能效測(cè)試工況

根據(jù)表2中給出的工況，分別測(cè)試機(jī)組在各個(gè)工況下的運(yùn)行性能COP值（即A、B、C的值），帶入式（3）可計(jì)算該熱泵熱水器全年綜合能效（ACE）。也可通過機(jī)組的COP隨環(huán)境溫度變化的曲線查出A、B、C的值后計(jì)算得出。

3 熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)國(guó)標(biāo)中對(duì)空氣源熱泵熱水器性能測(cè)試的要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究的目的，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置置于多功能人工環(huán)境室中，利用多功能人工環(huán)境室來模擬室外環(huán)境的改變，從而測(cè)試不同環(huán)境工況下機(jī)組的運(yùn)行性能（測(cè)試工況見表 2）。所選用熱泵熱水器為上海科美特公司提供的一臺(tái) 1.5匹熱泵熱水器，機(jī)組使用替代工質(zhì)R417A，采用內(nèi)置式盤管換熱器，機(jī)組的主要參數(shù)如表3所示。測(cè)試機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

表3 測(cè)試熱泵機(jī)組的主要參數(shù)

圖5 待測(cè)熱泵熱水器機(jī)組改裝示意圖

測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖可以看出，夏季時(shí)機(jī)組運(yùn)行的 COP要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冬季時(shí)，也充分說明用單一工況時(shí)機(jī)組的 COP值來反映熱泵熱水器在全年周期內(nèi)的運(yùn)行性能是不合理的。

圖6 不同環(huán)境溫度熱泵機(jī)組的運(yùn)行性能

分析圖6得出，干球溫度6℃時(shí)機(jī)組COP=2.8；干球溫度20℃時(shí)機(jī)組COP=3.7；干球溫度28℃時(shí)機(jī)組COP=4.4；即A=4.4，B=3.7，C=2.8。代入式（3）可以得出ACE值為3.53。

從計(jì)算結(jié)果看，樣機(jī)的全年綜合能效較為合理，充分考慮環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組性能的影響，即反映了熱泵熱水器夏季時(shí)的高效率，也反映了冬季時(shí)機(jī)組性能受影響較大的情況。

文章提出全年綜合能效方案在一定程度上彌補(bǔ)了采用標(biāo)準(zhǔn)工況能效比在季節(jié)差異上的不足，但是方案的計(jì)算方法還存在不合理之處，影響熱泵熱水器性能的因素較多，本文做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，結(jié)果建立在初步計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出，且在計(jì)算各個(gè)溫區(qū)的平均溫度時(shí)存在一定誤差，特別是在低溫區(qū)平均溫度計(jì)算過程中， 考察的溫度下限為-6℃，比通常熱泵熱水器的冬季運(yùn)行最低溫度要低 5℃左右，另外式（3）計(jì)算出的結(jié)果增加了冬季低溫時(shí)比重，使結(jié)果有一定誤差。因此，需要對(duì)空氣源熱泵熱水器的具體運(yùn)行情況和氣候環(huán)境間的耦合關(guān)系作進(jìn)一步分析，從而制定出更加合理、精確的方法來衡量熱泵熱水器在全年范圍內(nèi)的綜合能效。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)影響熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的因素進(jìn)行了分析，并分析了各個(gè)因素對(duì)熱泵熱水器能效的具體影響；

(2) 參照 IPLV概念并結(jié)合概率和加權(quán)理論的提出一種計(jì)算熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的方案；

(3) 對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)分析證明該方案具有一定的合理性，能夠考慮環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組性能的影響，即反映了熱泵熱水器夏季時(shí)的高效率，也反映了冬季時(shí)機(jī)組性能受影響較大的情況。

[1]吳靜怡,江明旒,王如竹,等. 空氣源熱泵熱水機(jī)組全年綜合能效評(píng)定[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2009,(5): 14-18.

[2]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 21362-2008商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)組[S]. 2008.

[3]鄭賢德. 制冷原理與裝置[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2006.

[4]薛殿華. 空氣調(diào)節(jié)[M]. 清華大學(xué)出版社, 2006.

[5]Hiller CC, Lowenstein AI, Merriam RL. Detailed water heating simulation model[J]. In: ASHRAE Trans. 1994,100(1): 948-954.

[6]黎恢山,江永新等. 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)補(bǔ)水方式對(duì)機(jī)組制熱性能系數(shù)的影響[J]. 給水排水,2008,5(34):197-200.

[7]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T7725-2004房間空調(diào)器調(diào)節(jié)[S]. 2004.

[8]馬一太,劉秋菊,劉圣春. 空調(diào)能效比發(fā)展趨勢(shì)的研究[J].制冷與空調(diào),2007,6(3):10-13.

[9]賈榮林. 空氣源熱泵熱水器中 R417A的應(yīng)用及電子膨脹閥控制特性研究[D]. 上海交通大學(xué),2009.

Annual Consolidated Energy Efficiency (ACE) Analysis and Experimentals on Heat Pump Water Heater

JIANG Kun*, LIU Ying, WANG Fang, WANG Xiang, JIANG Sha
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai University for science and technology, Shanghai 200093)

Annual consolidated energy efficiency (ACE) program was proposed in this paper, and the factors that would affect the annual consolidated energy efficiency were analyzed. The running conditions of HPWH in one year were divided into high, medium and low ranges according to this program, the proportion of each temperature range and the average temperature of each range were calculated respectively throughout one year time, the COP of system was tested according to the average temperature, and the value of the ACE was calculated by means of weighted. The experimental study verified that ACE program could reflect the impact of the environmental temperature on the unit performance. The high efficiency in summer running condition and low efficiency in winter running condition were both reflected in this program.

HPWH; ACE; energy efficiency; experiments; R417A

*姜昆，男（1987-），碩士在讀，上海市楊浦區(qū)軍工路516號(hào)上海理工大學(xué)制冷及低溫工程專業(yè)，研究方向：熱泵，制冷及空調(diào)系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化，13601839495，E-mail：jiang_kun2010@163.com。

上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目（S30503）；上海市研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（JWCXSL1102）。

本論文優(yōu)選自中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文。