家用熱泵熱水器能效檢測(cè)方法試驗(yàn)研究

劉家有 黃遜青

廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 廣東順德 528305

1 引言

熱泵熱水器作為一種進(jìn)入市場(chǎng)歷史最短的熱水器，由于其電能利用效率數(shù)倍于傳統(tǒng)的電熱水器，而且運(yùn)行過(guò)程中無(wú)廢氣排放等優(yōu)點(diǎn)，成為新一代熱水器，逐漸為消費(fèi)者所認(rèn)識(shí)。熱泵熱水器的能效是該產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)，能效檢測(cè)所依據(jù)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》已經(jīng)發(fā)布10年[4]，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的能效檢測(cè)方法經(jīng)歷多年的實(shí)踐，有關(guān)各方已經(jīng)積累了不少的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，本文圍繞家用熱泵熱水器蓄熱水箱的熱量檢測(cè)方法，討論熱泵熱水器能效檢測(cè)方法的改進(jìn)問(wèn)題。

2 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題

現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2008規(guī)定的制熱量檢測(cè)方法，是通過(guò)把蓄熱水箱里的15℃冷水加熱，直到機(jī)組停機(jī)后，再經(jīng)過(guò)混水泵混水最終得到的水溫為55℃±0.5℃后算得[4]，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，該標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于能效檢測(cè)方法的問(wèn)題，比較突出的是：

——用于混水的循環(huán)泵要求不明確，只規(guī)定了銘牌參數(shù)而沒有規(guī)定實(shí)際循環(huán)流量，由于水泵特性受系統(tǒng)水力參數(shù)的影響，實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)與水泵的銘牌值可能存在較大的差異；

——強(qiáng)調(diào)在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分混水以保證水箱內(nèi)溫度均勻，但是，未合理考慮采用較大功率水泵時(shí)，運(yùn)行過(guò)程的熱效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；

——強(qiáng)調(diào)混水過(guò)程相關(guān)部件的保溫要求，甚至要求循環(huán)泵外殼需采用非金屬材料或用保溫材料覆蓋，而忽視了在混水過(guò)程中，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響的是水泵運(yùn)行的熱效應(yīng)，明顯超過(guò)相關(guān)部件表面的熱損失，混水循環(huán)過(guò)程實(shí)際上是加熱過(guò)程；

——蓄熱水箱結(jié)構(gòu)具有蓄熱效應(yīng)，在熱水輸出時(shí)，部分儲(chǔ)存在水箱結(jié)構(gòu)的熱量可以用于加熱冷水，導(dǎo)致可用熱水量增加；

——蓄熱水箱結(jié)構(gòu)具有漏熱效應(yīng)，水溫低于環(huán)境溫度時(shí)，環(huán)境空氣的熱量通過(guò)水箱結(jié)構(gòu)傳遞到水箱內(nèi)加熱冷水，水溫較高時(shí)，由于熱量通過(guò)水箱結(jié)構(gòu)漏出而造成損失，影響程度與加熱時(shí)間關(guān)系較大[1][2]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本項(xiàng)研究參考了ISO 9459-2:1995《太陽(yáng)能熱水器—家用水暖系統(tǒng)—第2部分：太陽(yáng)能系統(tǒng)的系統(tǒng)性能特征和年度性能預(yù)測(cè)》中關(guān)于蓄熱水箱測(cè)量方法，對(duì)熱泵熱水器的蓄熱水箱測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)。ISO 9459-2:1995的熱量測(cè)量方法包括排水法和混水法，兩種方法的地位是相同的，只是排水法在非承壓系統(tǒng)中適用性不如混水法。ISO 9459-2:1995以重新起草法修改采用于GB/T 18708-2002《家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》，其中混水法在GB/T 18708-2002第7.6.1條中規(guī)定；排水法在GB/T 18708-2002第7.6.2條中規(guī)定[5]。而且，GB/T 18708-2002被GB 26969-2011《家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)》引用。同時(shí)，排水法也參考了GB/T 20289-2006《儲(chǔ)水式電熱水器》第6.5條，GB/T 20289-2006的檢測(cè)方法被GB/T 20289-2006《儲(chǔ)水式電熱水器能效限定值及能效等級(jí)》引用。

依據(jù)現(xiàn)行的家用熱泵熱水器標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2008檢測(cè)所獲得的制熱量?jī)H為蓄熱水箱中水得到的熱量，而在實(shí)際使用或是測(cè)試中，蓄熱水箱本身的蓄熱量是不容忽視的。由于每個(gè)制造商的生產(chǎn)工藝以及設(shè)計(jì)參數(shù)的不同往往會(huì)造成蓄熱水箱本身蓄熱能力以及漏熱系數(shù)的差異。而且蓄熱水箱在冷態(tài)或熱態(tài)的基礎(chǔ)下開始加熱，對(duì)其后續(xù)加熱過(guò)程中水箱的蓄熱能力也有影響。

為了驗(yàn)證現(xiàn)行的家用熱泵熱水器標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2008在能效測(cè)試方面，由于測(cè)試方法的不一樣引起的性能差異，在此以兩種測(cè)試方法進(jìn)行比較。

3 能效檢測(cè)新方法

3.1 混水法

（1）預(yù)備過(guò)程，按規(guī)定向水箱注入冷水，加熱至設(shè)定水溫；

（2）啟動(dòng)混水泵，以7L/min～10L/min的流量，將儲(chǔ)水箱底部的水輸送到頂部，使水箱內(nèi)部溫度均勻，循環(huán)過(guò)程中應(yīng)保持流量穩(wěn)定，流量變化幅度應(yīng)不超過(guò)±1L/min；

（3）當(dāng)水箱溫度變化持續(xù)5min以上不大于0.3K，停止混水，此時(shí)水箱內(nèi)溫度作為水箱平均溫度；

（4）將水箱內(nèi)熱水以7L/min～10L/min的穩(wěn)定流量從熱水出口排出，同時(shí)往水箱注入等流量的冷水且水溫波動(dòng)不超過(guò)±0.5K，排出水溫降低至終止排水溫度-0.1K時(shí)停止排水；

（5）按（2）規(guī)定操作，當(dāng)水箱溫度變化持續(xù)5min以上不大于0.3K，停止混水，此時(shí)水箱內(nèi)溫度作為加熱前水箱平均溫度；

（6）加熱至設(shè)定水溫，按（2）規(guī)定操作，當(dāng)水箱溫度變化持續(xù)5min以上不大于0.3K，停止混水，此時(shí)水箱內(nèi)溫度作為混合后熱水溫度；

（7）水箱內(nèi)的熱量按（1）式計(jì)算：

式中：

Qm—混合法測(cè)量的熱量，kJ；

ρ—水的密度，kg/L；

cp—水的比熱，kJ/（kg?K）；

V—實(shí)測(cè)水容積，L；

tm—混合后熱水溫度，℃；

tc—加熱前水箱平均溫度，℃。

注：終止排水溫度推薦為45℃。

3.2 排水法

（1）預(yù)備過(guò)程，按規(guī)定向水箱注入冷水，加熱至設(shè)定水溫；

（2）打開排水口，以7L/min～10L/min的穩(wěn)定流量從熱水出口排出熱水，同時(shí)，從冷水入口補(bǔ)充等量的冷水；

（3）排水期間，補(bǔ)充的冷水溫度波動(dòng)不超過(guò)±0.25K，漂移不超過(guò)±0.2K，同時(shí)中應(yīng)保持流量穩(wěn)定，流量波動(dòng)范圍應(yīng)不超過(guò)±1L/min；

（4）排水期間每隔5s測(cè)量一次排出的熱水溫度，排出水溫降低至終止排水溫度-0.1K時(shí)停止排水；

（5）加熱至設(shè)定水溫。在排放前提前10min，通過(guò)排水口排出入口段的冷水，以確保冷水入口處的溫度為進(jìn)水溫度；

（6）按（2）、（3）、（4）操作；

（7）排水質(zhì)量宜采用稱重法測(cè)量；

（8）排出的熱水熱量按（2）式計(jì)算：

其中：

式中：

Qd—排水法測(cè)量的熱量，kJ；

m—排出熱水的質(zhì)量，kg；

cp—水的比熱，kJ/（kg?K）；

—排水期間平均排水溫度，℃；

—排水期間平均補(bǔ)水溫度，℃；

thi—排水期間第i次測(cè)量的熱水溫度，℃；

n—排水期間溫度測(cè)量次數(shù)。

注：終止排水溫度推薦為45℃。

3.3 檢測(cè)方法討論

從原理來(lái)說(shuō)，排水法和混水法都是可行的檢測(cè)方法，表1是一臺(tái)空氣源熱泵熱水器用不同檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果匯總。數(shù)據(jù)顯示，排水法檢測(cè)的制熱量和性能系數(shù)均大于用混表1 幾種方法檢測(cè)結(jié)果對(duì)照

性能指標(biāo) 混水法 排水法常規(guī)方式 預(yù)熱方式 常規(guī)方式 預(yù)熱方式制熱量 5178.34W 5059.90W 5412.91W 5305.09W消耗功率 1229.80W 1270.76W 1223.70W 1268.76W性能系數(shù) 4.21W/W 3.98W/W 4.42W/W 4.17W/W

說(shuō)明：常規(guī)方式是以進(jìn)水溫度作為加熱起始溫度的加熱方式；預(yù)熱方式是將前一次加熱后放水結(jié)束剩余熱水與進(jìn)水混合的低溫作為加熱起始溫度的加熱方式。水法的結(jié)果，造成這種差異的主要原因是兩種方法檢測(cè)的制熱量不一樣。用排水法的排水時(shí)間一般都比較長(zhǎng)，在排水期間因?yàn)檫M(jìn)水溫度比較低，帶走部分蓄熱水箱自身的蓄熱量計(jì)入了排出的熱量。由于現(xiàn)行家用熱泵的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并沒有計(jì)算水箱蓄熱量，所以導(dǎo)致按不同方法測(cè)量的制熱量存在一定的差異。由于蓄熱水箱蓄熱引起的部分熱量沒有得到補(bǔ)償，或許會(huì)使有些機(jī)組在能效分級(jí)時(shí)相差一級(jí)。

混水法具有適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，而且操作相對(duì)簡(jiǎn)單，在本文討論的操作過(guò)程中，對(duì)于額定運(yùn)行條件的檢測(cè)過(guò)程，并不需要強(qiáng)調(diào)水泵外殼的保溫性能，同時(shí)，由于所用的混水泵功率較小，混水過(guò)程中水泵熱效應(yīng)的影響明顯小于GB/T 23137-2008規(guī)定的方法。但是，混水法不僅由于難以考慮水箱結(jié)構(gòu)蓄熱量對(duì)能效指標(biāo)的影響導(dǎo)致其檢測(cè)結(jié)果通常趨于保守，而且，混水過(guò)程實(shí)際上破壞了水箱內(nèi)部的溫度場(chǎng)，導(dǎo)致在某些情況下，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況偏離較大，例如，對(duì)于利用溫度分層措施改善系統(tǒng)特性的產(chǎn)品中，混水將溫度分層的效果全部清除[3]。排水法的優(yōu)點(diǎn)是不改變水箱的內(nèi)部溫度場(chǎng)，在承壓式系統(tǒng)中使用方便，而且，可以結(jié)合水箱熱水輸出率檢測(cè)一并進(jìn)行，減少檢測(cè)時(shí)間、費(fèi)用。進(jìn)行排水法檢測(cè)時(shí)，通常要求水箱內(nèi)部在排水過(guò)程中，補(bǔ)水過(guò)程應(yīng)避免出現(xiàn)強(qiáng)烈的混水現(xiàn)象，所以，水箱的結(jié)構(gòu)可能對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響，尤其是對(duì)于非承壓的水箱需要特別注意。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2008在名義工況下，起始加熱水溫為15℃，而目前不論在工程上還是在能效指標(biāo)體系上大部分都采用40℃混合熱水輸出量作為可接受計(jì)算的基本參數(shù)，考慮到蓄熱水箱本身的儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)，以及目前的一些終端混水手段的調(diào)節(jié)精度，一般在蓄熱水箱出水口溫度達(dá)到45℃時(shí)用戶就停止洗浴了，原因在于后半部分水溫會(huì)急劇下降以及熱量的不足而導(dǎo)致用水端的舒適度受到影響。由于每次用水后蓄熱水箱總保留著一部分的殘余熱量，使得實(shí)際加熱的水溫高于15℃。為了與實(shí)際情況更加貼切，對(duì)上述的混水法和排水法做了一部分的修改。上述修改后的混水法和排水法在正式測(cè)試前都經(jīng)過(guò)了一個(gè)排水的預(yù)處理階段。由于在實(shí)際用水過(guò)程中，低溫段的熱水并沒有被利用到。故以上的試驗(yàn)均以排水溫度為45℃以上的熱水作為有用熱水。同時(shí)，空氣源熱泵熱水器在名義工況的起始加熱水溫為15℃，不符合實(shí)際使用情況，建議在正式測(cè)試時(shí)，先經(jīng)過(guò)一個(gè)排水的預(yù)處理階段。雖然能效比原來(lái)的有所降低，但是這更接近實(shí)際的用水習(xí)慣。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)行熱泵熱水器標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2008中能效檢測(cè)方法存在的問(wèn)題，本文提出了基于ISO 9459-2:1995的改進(jìn)方法，可以有效解決目前已經(jīng)暴露的主要問(wèn)題，從而提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過(guò)增加預(yù)處理過(guò)程，使得水箱的蓄熱量對(duì)能效的影響大為減小，測(cè)量過(guò)程的重復(fù)性明顯改善，同時(shí)，使得檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際使用情況更為接近。

[1] 黃遜青. 空氣源熱泵熱水器熱力性能測(cè)試方法的完善方案探討. 家電科技.2012 (12):76-78.

[2] 黃遜青. 完善商業(yè)或工業(yè)用熱泵熱水機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建議. 第二屆中國(guó)制冷空調(diào)專業(yè)產(chǎn)學(xué)研論壇論文集:110-115. 2013.

[3] 黃遜青. 改善太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)舒適性的蓄熱水箱設(shè)計(jì)措施. 2015年中國(guó)太陽(yáng)能熱利用行業(yè)年會(huì)暨“十三五”太陽(yáng)能熱利用發(fā)展論壇論文集:156-159,2015.

[4] GB/T 23137-2008 家用和類似用途熱泵熱水器.

[5] GB/T 18708-2002 家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法.