空氣源熱泵熱水器全年運(yùn)行能效評(píng)價(jià)初探

林愛(ài)革，張 龍

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

空氣源熱泵熱水器全年運(yùn)行能效評(píng)價(jià)初探

林愛(ài)革，張 龍

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

本文結(jié)合熱泵熱水器現(xiàn)有能效評(píng)價(jià)方法特點(diǎn)和產(chǎn)品性能特點(diǎn)，并與國(guó)外熱水器能效測(cè)試方法對(duì)比，另外從熱泵熱水器全年運(yùn)行的環(huán)境影響因素，來(lái)分析能效評(píng)價(jià)方法的必要性，并結(jié)合作者的認(rèn)識(shí)給出一個(gè)全年運(yùn)行能效評(píng)價(jià)方案。

APF；全年熱需求；氣象數(shù)據(jù)國(guó)；度區(qū)間

1 引言

空氣源熱泵熱水器以空氣為熱源，通過(guò)制冷系統(tǒng)從空氣中吸收熱量，用于制取生活熱水。

與傳統(tǒng)電熱水器相比，熱泵熱水器在能源利用效率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

但目前各種熱水器之間沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)平臺(tái)，無(wú)法突出熱泵熱水器的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，另一方面由于熱泵系統(tǒng)采用卡諾循環(huán)，制熱能力受環(huán)境影響很大，在低溫環(huán)境下使用時(shí)，加熱性能衰減較大，如果沒(méi)有以全年運(yùn)行的綜合能效為基礎(chǔ)，也無(wú)法讓用戶和傳統(tǒng)熱水器廠家相信熱泵熱水器的節(jié)能效果。

因此，需要針對(duì)空氣源熱泵熱水器的全年運(yùn)行情況，采用全年運(yùn)行能效的評(píng)價(jià)方法。

本文通過(guò)對(duì)美國(guó)、歐盟等熱泵熱水器的測(cè)試方法 （標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行對(duì)比研究。探討建立綜合全年運(yùn)行和用戶用水的能效評(píng)價(jià)方法。

2 當(dāng)前國(guó)外主要熱水器能效評(píng)價(jià)方法

2.1 歐盟

目前歐盟熱水器ErP生態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)施條例［1］規(guī)定了10種規(guī)格的熱水器（3XS、XXS、XS、S、M、L、XL、XXL、3XL、4XL），根據(jù)熱水器規(guī)格分別制定了放水模型；結(jié)合EN 16147-2011標(biāo)準(zhǔn)（該標(biāo)準(zhǔn)中明確了一些熱水的用途），規(guī)格在M及以上的熱水器才能滿足淋浴用水需求。

3XL規(guī)格：熱水總熱量46.76kWh，約等效1608L的40℃熱水，約等效1005L的55℃熱水；沒(méi)有像其他規(guī)格少量用水，應(yīng)已不適合家庭使用。

使用室外空氣作為熱源的分體式熱泵熱水器，歐盟放水測(cè)試的工況，室外側(cè)干球溫度7℃，濕球溫度6℃，水箱放置在20℃的環(huán)境溫度中。

熱水器的能效為24小時(shí)測(cè)試期間熱水器熱量與耗電量的比值。計(jì)算時(shí)需用待機(jī)損失修正能效。

2.2 美國(guó)

美國(guó)的能效法規(guī)［2］中關(guān)于熱水器的測(cè)試方法，按照熱水量的流量 （直熱式）和第1小時(shí)產(chǎn)水量，測(cè)試方法將熱水器分成了4種使用情況 （見(jiàn)表2-1）：

表2-1 美國(guó)熱水器規(guī)格劃分

測(cè)試條件：

1）環(huán)境溫度，環(huán)境干球溫度維持在18.3～21.1℃。濕球溫度維持在19.7℃±0.6℃。且測(cè)試期間相對(duì)濕度維持在48%～52%

2）供水溫度，測(cè)試期間提供給熱水器的水溫維持在14.4℃±1.1℃。

3）儲(chǔ)水箱溫度，對(duì)于儲(chǔ)水式熱水器溫控器應(yīng)設(shè)定為滿足出水溫度51.7℃±2.8℃。

4）設(shè)定溫度點(diǎn)，對(duì)于直熱式熱水器溫控器設(shè)定為滿足出水溫度51.7℃±2.8℃。

在此基礎(chǔ)上 （熱水器規(guī)格和測(cè)試條件）設(shè)置了4種用水模式。

以用水模式的能效作為熱水器的能效指標(biāo)。

2.3 日本［3］

通過(guò)測(cè)試5個(gè)點(diǎn)的熱泵制熱量 （見(jiàn)表2-2），以及標(biāo)準(zhǔn)熱水供應(yīng)試驗(yàn) （放水，接近3天的測(cè)試）（見(jiàn)表2-3），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱水供應(yīng)模式的熱水熱量和放水時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，并綜合：“一年中每個(gè)夜晚平均室外溫度的發(fā)生天數(shù)”進(jìn)行能效計(jì)算。

2.4 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)要對(duì)比

1）歐盟和美國(guó)最新標(biāo)準(zhǔn)能效評(píng)價(jià)的思路非常接近，都是以24小時(shí)，模擬用戶的熱水使用情況進(jìn)行放水測(cè)試，測(cè)試方法適用于所有熱源的熱水器；

表2-2 熱水器各季節(jié)制熱量測(cè)試工況

表2-3a 標(biāo)準(zhǔn)熱水供應(yīng)試驗(yàn)的測(cè)試工況

表2-3b 標(biāo)準(zhǔn)熱水供應(yīng)試驗(yàn)中沸水、熱水供應(yīng)的時(shí)間分布

2）對(duì)于熱泵熱水器，美國(guó)沒(méi)有對(duì)熱源進(jìn)行區(qū)分，歐盟分別規(guī)定：室外空氣、室內(nèi)空氣、廢氣、排氣、水源等熱源的測(cè)試工況；

3）對(duì)于采用室外空氣的熱泵熱水器，歐盟和美國(guó)沒(méi)有考慮全年制熱水時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)制熱能效的影響因素；

4）日本熱泵熱水器的測(cè)試方法比較全面的考慮了用戶用水以及季節(jié)變化，但其計(jì)算方法比較復(fù)雜。

3 熱水器能效評(píng)價(jià)方法初步方案

3.1 國(guó)內(nèi)熱水使用習(xí)慣簡(jiǎn)析

1）在我國(guó)，生活熱水主要用于洗浴，對(duì)于家庭來(lái)說(shuō)，洗浴用水的溫度 （熱水與冷水混合后的水的溫度）一般為40℃，用水情況比較穩(wěn)定；

2）用水標(biāo)準(zhǔn)參考：淋浴40～70L/人；浴缸100～150L/次，格力電器的空氣能熱水器的產(chǎn)水量約為21L/（h·kW），用戶選型會(huì)根據(jù)廠家的推薦進(jìn)行，一般來(lái)說(shuō)用戶用水量為機(jī)組熱水產(chǎn)水量的2倍，即機(jī)組1h產(chǎn)水量為G，則基本能滿足用戶2G的熱水需求；

3）除冬季早上洗漱可能少量使用熱水外，國(guó)人的洗浴習(xí)慣比較集中在晚上 （洗澡和洗腳），其他時(shí)間段應(yīng)該很少使用熱水，可暫不考慮其他少量用水。

3.2 熱水用量

根據(jù)3.1的分析，40℃的熱水需求量按下式計(jì)算 （定值）：

式中：

G—名義制熱工況的1h產(chǎn)水量，kg

或自帶水箱的名義容量，kg

例如：制熱量3.5kW的機(jī)組產(chǎn)水量為75L/h，則：

Gm=240 kg（水的密度按1kg/L計(jì)算），能夠滿足3口之家的熱水用量。

3.3 氣象數(shù)據(jù)

由于熱水器不同于空調(diào)，其運(yùn)行方式是逐日運(yùn)行，能效與日平均氣溫相適應(yīng)，且目前熱水器都可以預(yù)約在白天氣溫高時(shí)運(yùn)行，所以按逐時(shí)統(tǒng)計(jì)的溫度分區(qū)不太適用于熱泵熱水器，其次，考慮到氣溫越高，熱泵熱水器能效相對(duì)較高，所以采用逐日平均氣溫也不會(huì)造成能效虛高的情況。

從 “中國(guó)熱環(huán)境分析專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)”，導(dǎo)出了北京、南京、廣州、哈爾濱、昆明的日平均溫度（見(jiàn)附件），這5個(gè)城市代表了我國(guó)5個(gè)建筑熱工分區(qū) （寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖、嚴(yán)寒和溫和）。普通熱泵熱水器在嚴(yán)寒地區(qū)使用時(shí)性能差，需單獨(dú)開(kāi)發(fā)。所以，下述的評(píng)價(jià)方案的工況暫不考慮嚴(yán)寒地區(qū)。嚴(yán)寒地區(qū)可在本方案基礎(chǔ)上增加測(cè)試工況。

3.4 測(cè)試工況

見(jiàn)表3-1。

表3-1 測(cè)試工況

3.5 季節(jié)能效測(cè)試方法

3.5.1 一次加熱式熱泵熱水器

在表3-1規(guī)定的高溫工況、名義工況、最小運(yùn)行工況、低溫運(yùn)行工況、超低溫工況下測(cè)試熱泵制熱量，在熱泵熱水器出水口加裝溫度計(jì)及水流量控制裝置，測(cè)試并記錄熱泵熱水器的進(jìn)水溫度T1（℃）、出水溫度T2（℃）、水流量G（L/h）、熱泵制熱消耗功率P（W）。

非穩(wěn)態(tài)制熱試驗(yàn)方法按目前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的測(cè)試方法。

3.5.2 循環(huán)加熱式、靜態(tài)加熱式熱泵熱水器

在表3-1規(guī)定的高溫工況、名義工況、最小運(yùn)行工況、低溫運(yùn)行工況、超低溫工況下，在水箱內(nèi)注滿規(guī)定溫度的冷水，將水加熱至55±0.5℃，記錄初始溫度t1（℃）、終止溫度t2（℃）、被加熱水體積V（L）、加熱時(shí)間H（h）、耗電量E（kWh）。

3.5.3 熱泵制熱全年能源消耗效率（APFh）

全年能源消耗效率按照式 （3-2）進(jìn)行計(jì)算

式中：

Pj—時(shí)間表中日平均氣溫編號(hào)j時(shí)制熱消耗功

Wj—時(shí)間表中日平均氣溫為tj時(shí)每日所需的總熱水熱能，kJ；

Gm—40℃的熱水需求量，kg；

G—額定制熱工況時(shí)的1h產(chǎn)水量，kg；

4.187—水的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）

nj—日平均氣溫編號(hào)j相應(yīng)的發(fā)生天數(shù)；

Tj，c—日平均氣溫為tj時(shí)的冷水溫度，℃；

當(dāng)tj≤2℃時(shí)，Tj，c=6

注：5個(gè)城市日平均氣溫最高為33℃

COPj—時(shí)間表中日平均氣溫編號(hào)j的性能系數(shù)，W/W；

當(dāng)tj在-7～27℃之間，COPj通過(guò)表3-1測(cè)試的結(jié)果內(nèi)插求值。

當(dāng)tj≤-7℃時(shí)，

COP-7、COP2、COP7、COP20、COP27—為測(cè)試的超低溫工況、低溫運(yùn)行工況、最小運(yùn)行工況、名義工況、高溫工況的性能系數(shù)。

3.6 模擬使用測(cè)試方法

3.6.1 放水模型

在表3-1規(guī)定的名義工況下測(cè)試，按表3-2規(guī)定的熱水總熱量進(jìn)行放水。

表3-2 用水模型

3.6.2 測(cè)試方法

3.6.2.1 對(duì)于儲(chǔ)水式熱水器

3.6.2.1.1 預(yù)試驗(yàn)

a）測(cè)試工況按表3-1名義工況。

b）往水箱中充滿規(guī)定初始溫度和壓力的冷水，初次注水過(guò)程中熱水器關(guān)閉。

c）打開(kāi)熱水器和相關(guān)的熱泵機(jī)組，運(yùn)行直到熱泵停機(jī)——按照等同于制熱水能力的流量放水，同時(shí)注入等流量的冷水，直至熱泵再次啟動(dòng)，此時(shí)停止放水和注水放水——到設(shè)定溫度停機(jī)。

d）再重復(fù)放水、開(kāi)機(jī)、停機(jī)2次，并記錄最后一次啟動(dòng)前放出的熱水熱量 （單位：kJ）、熱泵重新啟動(dòng)到停機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的加熱使用的時(shí)間（單位：h）、耗電量（單位：kWh）。

3.6.2.1.2 放水試驗(yàn)

a）根據(jù)機(jī)組的產(chǎn)水量，按照表3-2的用水模型進(jìn)行放水。

b）每次放水前需根據(jù)水量顯示和制造商的說(shuō)明判斷剩余的熱水量是否能夠滿足放水所需的熱水量。

c）產(chǎn)水量V≤75L/h，剩余水量足夠下一次放水，則兩次放水之間的時(shí)間間隔20min（單浴室）。

d）產(chǎn)水量V>75L/h，剩余水量足夠下一次放水，則兩次放水之間的時(shí)間間隔10min（多浴室）。

e）按照表3-2的放水模型放水，淋浴、盆浴穿插進(jìn)行；淋浴最小放水流量6L/min，盆浴最小放水流量10L/min。

f）如果放出的水不能滿足表3-2中“有效水溫”要求，則計(jì)算時(shí)需要在消耗功率中以輔助熱源補(bǔ)充。

g）按表3-2完成放水后，如熱泵正在運(yùn)行，則在熱泵運(yùn)行結(jié)束后結(jié)束試驗(yàn)。

h）如熱泵未運(yùn)行則在完成表3-2的放水后，按照等同于制熱水能力的流量進(jìn)行最后一次放水（記為放出水的熱量，單位kJ），同時(shí)注入等流量的冷水，直至熱泵再次啟動(dòng)，直接斷電、停機(jī)（因?yàn)闊岜弥匦逻\(yùn)行的時(shí)間和耗電量在預(yù)試驗(yàn)步驟d）時(shí)已記錄）。

3.6.2.2 對(duì)于一次加熱式熱水器

不使用水箱測(cè)試時(shí)，直接按照表3-2的要求放水。

使用標(biāo)準(zhǔn)水箱 （水箱保溫、溫度傳感器布置需明確）按儲(chǔ)水式熱水器的放水要求。

3.6.3 能效計(jì)算

式中：

PT——放水測(cè)試過(guò)程耗電量，kWh；

Pstby——待機(jī)耗電量，kWh

一次加熱式熱水器不使用標(biāo)準(zhǔn)水箱的測(cè)試，Ql、Pstby均為0。

3.6.4 待機(jī)功率損失的測(cè)試和計(jì)算

a）待機(jī)熱損失：按GB/T 23137-2008中的6.10.2的a）保溫試驗(yàn)，將保溫試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所測(cè)得溫度記為T(mén)stby，2，保溫試驗(yàn)測(cè)試前的溫度取55℃。

b）每小時(shí)熱損失量為：

VT為水箱容量，單位L；1為水的密度，單位kg/L；4.187為水的比熱容，單位kJ/（kg·℃）。

c）待機(jī)損失需要耗電量：

3.6.5 熱泵熱水器全年能效計(jì)算

熱泵熱水器全年運(yùn)行能源消耗效率按照式 （3 -5）進(jìn)行計(jì)算：

4 方案存在的問(wèn)題

1）測(cè)試工況，如果使用現(xiàn)有最大運(yùn)行工況作為高溫測(cè)試工況，可以在最大運(yùn)行工況測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行制熱量和消耗功率的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算，減少測(cè)試工作量及費(fèi)用，但可能會(huì)加大計(jì)算數(shù)值與實(shí)際數(shù)值的偏差，且從幾個(gè)建筑分區(qū)的全年日平均溫度分布看，南京、廣州最高都只有33℃ （日平均溫度），而如果重新選取一個(gè)溫度點(diǎn)，則會(huì)增加測(cè)試工作。

2）氣象數(shù)據(jù)，個(gè)人建議使用日平均溫度。

3）放水方式?jīng)]有進(jìn)行全面的用戶使用習(xí)慣調(diào)查。

4）需考慮是否像空調(diào)產(chǎn)品一樣，僅選取一個(gè)典型城市進(jìn)行全年能效考核。

5）考慮到嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特性，建議全年能效指標(biāo)區(qū)分低溫機(jī)型和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型。

6）-7℃以下和27℃以上，這2個(gè)溫度區(qū)間，方案中的制熱量和COP采用外延法求值，主要考慮從時(shí)間表中，這2個(gè)區(qū)間的天數(shù)少，其次這2個(gè)區(qū)間的相關(guān)性能系數(shù)確實(shí)與趨勢(shì)有一定的吻合性。

5 結(jié)論

1）本報(bào)告結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試工況、氣候數(shù)據(jù)以及簡(jiǎn)單的用戶使用習(xí)慣分析，提出了一種新的能效評(píng)價(jià)方法，具有一定的可行性，希望能對(duì)后續(xù)熱泵熱水器能效國(guó)標(biāo)的修訂起到拋磚引玉的作用。

2）本方案在現(xiàn)有國(guó)標(biāo)基礎(chǔ)上主要增加了高溫工況試驗(yàn)、超低溫工況以及放水測(cè)試，低溫運(yùn)行工況可與現(xiàn)有除霜試驗(yàn)結(jié)合，所以對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)增加的試驗(yàn)相對(duì)較少。

3）本方案APF的基本原理是通過(guò)分別計(jì)算季節(jié)加熱溫升能效和模擬用水模式的能效后，進(jìn)行修正計(jì)算。

（附件：主要代表城市全年各溫度 （日平均）發(fā)生時(shí)間——附后）

［1］（EU）NO 814/2013熱水器和熱水儲(chǔ)存罐的ErP生態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)施條例 ［S］

［2］美國(guó)熱水器能效法規(guī)（Federal Register/Vol.79，No. 133/Friday，July 11，2014/Rules and Regulations）［S］

［3］JRA 4050：2009家用熱泵熱水器［S］

附件：主要代表城市全年各溫度 （日平均）發(fā)生時(shí)間

The Annual Performance Factor Evaluation M ethod of Air Source Heat Pump-water Heater

LIN Aige，ZHANG Long
（Standard Administration Department of GREE ELECTRIC APPLIANCES INC.OF ZHUHAI，Zhuhai519070，China）

In this paper，combined with the heat pump water heater of existing energy efficiency evaluationmethod and product performance characteristics，and analyzes the necessity of heat pump water heater using the energy efficiency evaluationmethod，combined with the evaluation scheme is given a preliminary understanding of the annual operating energy efficiency.

APF；annual heat contribution；Weather data；Temperature Bin

附件1 北京氣象數(shù)據(jù)發(fā)生表

附件2 南京氣象數(shù)據(jù)發(fā)生表

附件3 廣州氣象數(shù)據(jù)發(fā)生表

附件4 哈爾濱氣象數(shù)據(jù)發(fā)生表

附件5 昆明氣象數(shù)據(jù)發(fā)生表

TQ051.5［文獻(xiàn)標(biāo)示碼］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.006

ISSN1005-9180（2015）03-032-08

2015-2-28；

2015-4-5

林愛(ài)革（1974-），男，工程師，研究方向：制冷空調(diào)產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)方法及發(fā)展方向。Email：18023038766@189.cn