空氣源熱泵熱水器性能測試及運行評價研究

王 宇，由世俊，孫穎楷，李志強(qiáng)

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.廣東萬和新電氣股份有限公司，廣東佛山 528305）

1 前言

空氣源熱泵在開采低品位可再生能源方面具有重要作用，特別在壓縮燃煤治理霧霾的推動條件下，空氣源熱泵替代中小燃煤鍋爐供熱的實施過程中，空氣源熱泵行業(yè)將以較高速度增長，成為我國穩(wěn)增長調(diào)結(jié)構(gòu)促改革的重要組成部分。推廣空氣源熱泵技術(shù)將在改善大氣環(huán)境質(zhì)量方面起到關(guān)鍵的作用［1，2］?？諝庠礋岜脽崴髯鳛橄鄬τ陔姛崴鳌⑷?xì)鉄崴?、太陽能熱水器的第四代熱水器，因其自身的?jié)能、環(huán)保潛力而受到廣泛關(guān)注。與其運行性能相關(guān)的因素主要為空氣側(cè)換熱工況和冷凝換熱工況，前者與設(shè)備在運行周期內(nèi)用戶所處地區(qū)氣候特征相關(guān)，后者與蓄熱水箱狀態(tài)相關(guān)，主要涉及熱水溫度設(shè)定、用水負(fù)荷大小。設(shè)備運行的能效評價應(yīng)該關(guān)注其具體的運行工況變化，并需要考慮不同氣象條件下加熱過程、用水過程的運行性能，結(jié)合不同氣候區(qū)域特征的典型用水情況進(jìn)行綜合能效評價［3～5］。本文旨在通過空氣源熱泵熱水器的變工況性能測試，結(jié)合基本熱水使用需求進(jìn)行典型氣候特征條件下的運行能效綜合分析，為該類熱水器性能評價提供借鑒，為空氣源熱泵熱水裝置的合理選型提供參考。

2 空氣源熱泵熱水器性能測試

2.1 測試裝置

熱泵熱水器性能測試的試驗，通常按照GB/T23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》中規(guī)定的試驗方法、參數(shù)規(guī)定、儀表精度要求在焓差試驗室內(nèi)進(jìn)行，測試裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示［6～9］。

圖1 熱水器測試裝置基本結(jié)構(gòu)

試驗樣機(jī)采用額定制熱量5200 W的循環(huán)加熱式空氣源熱泵熱水器，配備300 L水箱。室外環(huán)境房間設(shè)置被測熱泵熱水機(jī)組，配備的水箱設(shè)置在室內(nèi)環(huán)境房間。空氣源熱泵熱水器性能測試中的環(huán)境溫度及水箱初始溫度可以進(jìn)行調(diào)控，室外環(huán)境房間環(huán)境工況通過采用制冷機(jī)組除濕、降溫，加濕及電加熱補(bǔ)償來調(diào)控維持環(huán)境參數(shù)；通過冷水機(jī)組及電加熱補(bǔ)償調(diào)整并維持水箱的進(jìn)水溫度。

2.2 測試方案

熱泵熱水器的性能主要體現(xiàn)在熱水制備過程中的制熱量與耗電量相比的能效系數(shù)，該指標(biāo)在不同運行工況下會出現(xiàn)差異，不同標(biāo)準(zhǔn)對于性能測試方法主要差異也體現(xiàn)在運行工況的要求上。

GB/T 23137-2008中規(guī)定，熱泵熱水器整機(jī)處于20 ℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行能效測試，能效測評為熱水機(jī)組將水箱蓄水溫度從15 ℃加熱到55 ℃過程中的水箱水溫升獲取的熱量與整機(jī)輸入電量的比值。顯然，水溫在15 ℃時熱泵熱水器的能效將遠(yuǎn)高于高水溫如50 ℃時的能效，而用戶使用的區(qū)間大部分處于35-55 ℃之間的高水溫階段，此時按照國標(biāo)的測試方法計算出的能效不能體現(xiàn)熱泵熱水器的客戶在使用過程中的真正能效。EN16147-2011中［12］，熱泵熱水器的性能測試階段如圖2所示，其中A階段是加熱溫升期，將一水箱10℃水加熱至自動停機(jī)，一般大于55℃，記錄該階段所用時間與耗電量；B階段為待機(jī)耗電測試；C是用水階段性能測試，D是最大可用熱水量階段，E是使用溫度范圍階段，F(xiàn)階段是安全試驗階段，C階段正是歐盟考察的用水過程中熱水器性能的試驗階段，其測試方式為根據(jù)常規(guī)家庭一天24h的熱水使用目的和習(xí)慣（包括放水時刻、放水量、放水溫度、流速等）制定最能模擬用戶使用習(xí)慣的放水模式，測試用水周期內(nèi)獲取的有效熱量、耗電量，并通過二者之比確定使用中的性能系數(shù)［10，11］。

圖2 歐盟標(biāo)準(zhǔn)對于熱泵熱水器性能測試的試驗階段

相對于我國標(biāo)準(zhǔn)，歐盟標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重實際使用過程中機(jī)組的性能體現(xiàn)，但測試周期長，放水過程流量控制精度要求高，測試成本較高。我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T34027-2015對于空氣源熱泵熱水器的測試方法考慮到用水的工況，并結(jié)合現(xiàn)有熱水使用情況進(jìn)行了簡化，按照水箱容量大小確定用水的最大流量，測試水箱溫度在加熱至55℃開始放水，溫度降低至45℃時停止放水，等待機(jī)組再次將水箱溫度加熱至55℃再放水至45℃，記錄一個用水周期內(nèi)的制熱量、耗電量并決定改用水周期的能效系數(shù)，評價該測試環(huán)境下機(jī)組的性能［13］。本文開展的測試方案即參照能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，如表1所示。

表1 空氣源熱泵熱水器性能測試方案

與測試工況相關(guān)的性能指標(biāo)主要包括：制熱量H、制熱能力Q、耗電量E、耗電功率P、能效系數(shù)COP。

式中 H—— 加熱過程中水箱溫度升高至停止加熱所制備的熱量，kg

V——水箱容積，m3

ρ——水密度，kg/m3

c——比熱，kJ/（kg·℃）

tE，tI——加熱初始、終止溫度，℃

Q——制熱能力，W

τE，τI——加熱初始、終止時間，s

E——消耗電能，kW·h

P——耗電強(qiáng)度，W

3 測試工況分析

3.1 熱泵制熱過程主要指標(biāo)

初步加熱階段熱泵熱水器性能指標(biāo)如表2所示。環(huán)境溫度設(shè)定在30和20 ℃時，對應(yīng)水箱進(jìn)水溫度控制在15 ℃，代表非寒冷季節(jié)的運行工況環(huán)境條件和給水條件；環(huán)境溫度設(shè)定在7，2，-7 ℃時，對應(yīng)水箱進(jìn)水溫度控制在9 ℃，代表寒冷季節(jié)的運行工況環(huán)境條件和給水條件。制熱量選定容積的水箱在初始水溫加熱至設(shè)定水溫（55 ℃）熱泵機(jī)組提供的熱量，對于兩個季節(jié)的代表測試條件，制熱量是基本一致的。而熱泵機(jī)組耗電量和制熱能力根據(jù)環(huán)境條件及水箱溫度的變化有不同的體現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度降低，加熱過程所需時間有大幅度上升，反映在制熱能力上是依次降低，加熱過程的能效系數(shù)也依次降低。

表2 初步加熱測試工況下熱泵熱水器測試指標(biāo)

3.2 熱泵運行能耗及能效變化特征

圖3描述了初步加熱階段熱泵熱水機(jī)組耗電功率隨水箱溫度升高的變化情況。圖中明顯可以看出，機(jī)組耗電功率隨水箱溫度升高呈現(xiàn)較好的線性升高變化趨勢，變化幅度隨環(huán)境溫度的降低而減小。主要原因在于水箱溫度約束著熱泵機(jī)組中冷凝器的換熱狀況，水溫升高，冷凝溫度升高，即要求工質(zhì)在壓縮機(jī)出口壓力升高，功耗逐步增加；環(huán)境溫度約束著熱泵機(jī)組中蒸發(fā)器的換熱狀況，影響到熱力循環(huán)中壓縮機(jī)的進(jìn)氣量，較低環(huán)境溫度下進(jìn)氣量減少，同樣的做功條件下，可以保證冷凝換熱條件下的工質(zhì)溫度較低，進(jìn)而體現(xiàn)在較低環(huán)境溫度下，同一水箱溫度的功耗較小。

圖3 不同環(huán)境條件下熱泵熱水機(jī)組耗電功率隨水箱溫度變化情況

圖4反映了初步加熱階段熱泵熱水機(jī)組能效系數(shù)隨水箱溫度升高的變化情況。能效系數(shù)為水箱平均溫度變化1 ℃過程中制熱量及耗電量之比?？梢钥闯?，20 ℃以上的環(huán)境條件下，保證45 ℃用水需求時，機(jī)組COP均在3以上，尤其對于30 ℃以上環(huán)境條件，提供50℃用水需求也可保證COP在4以上；2 ℃及以下的環(huán)境條件，熱泵熱水機(jī)組運行伴隨除霜運行，能效系數(shù)及其變化趨勢相近，保證40 ℃用水需求時的COP維持在2左右。總體而言，該類熱水器在非寒冷季節(jié)為主的氣候區(qū)，運行性能優(yōu)越，而在寒冷季節(jié)為主的地區(qū)，運行性能明顯變差。

圖4 不同環(huán)境條件下熱泵熱水機(jī)組能效系數(shù)隨水箱溫度變化情況

3.3 用水周期內(nèi)熱泵制熱時間及運行能效

不同環(huán)境條件下，放水加熱測試工況的2個用水周期內(nèi)制熱時間及能效系數(shù)變化如圖5所示。用水加熱測試工況主要記錄了連續(xù)2個用水后水箱加熱至55℃的周期內(nèi)的加熱時間、耗電量、制熱量，進(jìn)而確定能效系數(shù)。其中制熱量的確定是根據(jù)放水后熱泵機(jī)組啟動加熱至停機(jī)水箱平均溫度升高程度確定。對于循環(huán)加熱式熱泵熱水器，放水過程水箱溫度分層明顯，機(jī)組置于水箱的溫度傳感器感測到低于啟動設(shè)定溫度時候，開啟水泵，而后啟動壓縮機(jī)制熱，因而在出水溫度降至停止放水之后，由于循環(huán)水泵的啟動，水箱內(nèi)部混合后的水溫低于停止放水時出水口溫度，根據(jù)這個過程中水箱平均溫度的最低值和機(jī)組停止加熱時水箱平均溫度的差確定制熱量。圖5中COP1、COP2分別代表第一個和第二個用水周期內(nèi)的制熱能效系數(shù)，就數(shù)值而言，相比表2中的測試結(jié)果均有一定程度降低，非寒冷季節(jié)用水過程中機(jī)組能效系數(shù)可維持在3以上，寒冷季節(jié)用水過程的能效系數(shù)可維持在2左右。

圖5 用水加熱測試工況2個用水周期的制熱時間及機(jī)組能效系數(shù)變化

4 空氣源熱泵熱水器全年運行能效綜合評價

影響空氣源熱泵熱水器全年運行綜合能效的因素諸多，除了熱泵運行的環(huán)境溫度條件、用水量、啟停溫度測點位置及溫差設(shè)置，地理區(qū)域的差別也有很關(guān)鍵作用。在分析全年運行綜合能效時，需要對一些影響條件作出規(guī)定或假設(shè)，便于建立在規(guī)一化條件下的評價分析方法。

4.1 全年運行能效綜合評價方法

本文采用的評價分析方法考慮到以下方面［15～22］：（1）用戶每天熱水使用量相同，最多使用加熱至55℃的一箱熱水，且用熱負(fù)荷需求按照熱泵機(jī)組額定制熱量進(jìn)行規(guī)定。（2）按照表1用水加熱測試工況確定的技術(shù)指標(biāo)作為全年運行能效綜合分析的依據(jù)。（3）根據(jù)中國建筑環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集匯總數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)年日平均氣溫統(tǒng)計，劃分5個溫區(qū)（t≤－7 ℃，－7℃＜t≤5℃，5 ℃＜t≤10 ℃，10 ℃＜t≤25 ℃，t＞25 ℃），分別以表1測試工況的環(huán)境干球溫度表征某個溫區(qū)的運行情況。（4）標(biāo)準(zhǔn)年日平均氣溫5 ℃及以下為寒冷季節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)年日平均氣溫5 ℃以上為非寒冷季節(jié)，采用不同的用水頻度系數(shù)。（5）根據(jù)日額定熱水使用量確定的日熱水制熱量及當(dāng)日標(biāo)準(zhǔn)年平均溫度所在溫區(qū)運行能效的表征值確定日耗電量，進(jìn)而根據(jù)所在地區(qū)不同溫度區(qū)間的對應(yīng)天數(shù)確定機(jī)組全年運行耗電量，根據(jù)所在地區(qū)寒冷季節(jié)及非寒冷季節(jié)的天數(shù)分布確定全年運行制熱量，最終確定全年運行綜合能效。

所劃分溫度區(qū)間內(nèi)表征溫度工況下機(jī)組的制熱量、耗電功率選取圖5所示連續(xù)2次用水周期測試過程中的平均值，機(jī)組能效系數(shù)為二者之比。結(jié)果如表3所示。

表3 全年日平均氣溫區(qū)間劃分及表征溫度下機(jī)組運行技術(shù)指標(biāo)

全年運行綜合能效系數(shù)為：

式中 kv—— 用水頻度修正系數(shù)，非寒冷季節(jié)用水系數(shù)取1，寒冷季節(jié)取0.5

Qd—— 日制熱量，具有4kW以上額定制熱量的機(jī)組，日制熱量為12 kW·h

tV——各溫度區(qū)間累計天數(shù)

Wd—— 日耗電量，kW·h，Wd=Qd/COPd

4.2 典型地區(qū)全年運行能效分析

表4為被測熱泵機(jī)組在3個典型地區(qū)（寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)）的全年運行能效的分析結(jié)果，其中寒冷地區(qū)的年運行能效也達(dá)到2.97，考慮到綜合發(fā)電輸電效率接近35%，其一次能源利用率為1.04，相對于電熱水器也體現(xiàn)出優(yōu)越的性能?？傮w而言，夏熱冬暖地區(qū)最具適用性，其他兩個地區(qū)也相對電熱水器有很好的推廣潛力。

5 結(jié)論與建議

（1）環(huán)境條件及水箱溫度是影響空氣源熱泵熱水器運行性能的重要因素，通過不同環(huán)境條件下熱泵加熱過程的測試分析可以確定該類熱水設(shè)備的制熱能力及運行過程中相關(guān)性能指標(biāo)變化特征：高溫環(huán)境下，空氣源熱泵熱水器制熱能力、耗電功率、能效系數(shù)均高于低溫環(huán)境下的運行情況；低環(huán)境溫度下，空氣源熱泵熱水器能效系數(shù)隨水箱溫度變化的趨勢接近。

（2）空氣源熱泵熱水器在用水加熱過程相對于初步加熱過程的運行能效偏低，由于用水加熱過程水箱溫度高于初步加熱過程，但能夠體現(xiàn)設(shè)備使用過程中的運行情況，應(yīng)當(dāng)作為運行工況性能評價依據(jù)。

（3）按照標(biāo)準(zhǔn)年日平均溫度分布劃分相應(yīng)區(qū)間，根據(jù)相應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)熱泵熱水器運行能效確定其耗電量，結(jié)合日用水制熱量確定全年運行能效能夠反映出地域差異對設(shè)備全年運行能效的影響；對比寒冷地區(qū)、夏熱冬冷及夏熱冬暖地區(qū)分析的結(jié)果可以看出，夏熱冬暖地區(qū)最具適用性，而前兩個地區(qū)也相對電熱水器有很好的推廣潛力。

關(guān)于全年運行的綜合能效評價，若要更貼近實際，需要考慮日用熱規(guī)律以及進(jìn)水溫度在不同溫度區(qū)間的分布對于日制熱量造成的影響；同時需要考慮溫度區(qū)間劃分的個數(shù)及表征環(huán)境工況點的選??；再者，需要考慮機(jī)組額定制熱量與水箱容積的匹配。進(jìn)一步為熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)備合理選型及優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

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