歐洲家用空氣源熱泵熱水器測試方法研究及性能提升方案探討

劉東平 萬秀娟 王廣嶺 徐馮

青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

1 引言

空氣源熱泵熱水器是以空氣中的熱量為能源的，它獲取能量的方式是主動的，因而不受陰天、下雨、白天、黑夜影響，熱泵熱水器電能利用效率高達350%～400%，如果使用節(jié)能的熱泵熱水器來替代電熱水器和燃氣熱水器，將會極大減少社會能源消耗。隨著人們節(jié)能意識的提高，空氣源熱泵熱水器將逐步成為消費者首選的熱水器，未來的熱泵熱水器市場會更加廣闊。

一直以來，歐洲非常重視能源效率，保護人類居住環(huán)境。民間節(jié)能環(huán)保意識強烈，企業(yè)也以此作為產(chǎn)品賣點。歐洲作為全球家電產(chǎn)品市場競爭的核心區(qū)域，熱泵熱水器也不例外。近年來，由于政府對節(jié)能產(chǎn)品的大力倡導和支持，歐盟及各國都針對熱泵熱水器的能效不斷提高市場準入標準。因此，對于出口歐洲的熱泵熱水器產(chǎn)品而言，其性能需要得到持續(xù)的優(yōu)化以適應市場的需求。

2 空氣源熱泵熱水器歐標測試方法介紹

歐洲熱泵熱水器性能測試標準EN 16147-2011《Heat pumps with electrically driven compressors-Testing and requirements for marking of domestic hot water units》雖然是從舊標準BS EN 255-3:1997演化而來，但是，首開以終端用戶日用熱水量為主要指標的熱水器標準之先河。主要通過“家用熱水供應的性能系數(shù)（COPDHW）”來評價熱泵產(chǎn)品的性能，其測試方法與舊標準有著本質(zhì)的區(qū)別，它要求在測試中完全模擬用戶24小時用水情況來評價熱水器的性能系數(shù)（COPDHW），試驗包括以下6個主要階段：

A. 加熱期；

B. 確定待機輸入功率；

C. 使用參考供水循環(huán)確定家用水加熱的能耗和性能系數(shù)；

D. 確定一次供水中的參考熱水溫度與最大可用熱水量；

E. 用于確定工作溫度范圍的試驗；

F. 安全試驗。

其中C階段就是熱水器的性能系數(shù)（COPDHW）測試，標準定義了一個24小時測量循環(huán)，同時在該循環(huán)中定義了每一次供水的開始時間和總能量，這樣就可以通過記錄24小時測量循環(huán)總有用熱量和總耗電量計算出熱水器的性能系數(shù)（COPDHW）。

其中：

QTC整個供水循環(huán)期間的總有用熱能，單位：kw?h；

WEL-TC一次供水循環(huán)期間的總電能消耗，單位：kw?h。

與國標GB/T 21237測試方法相比較，其本質(zhì)區(qū)別在于：國標GB/T 21237測試COP的方法是測試熱泵熱水器系統(tǒng)在一個加熱過程中的能效平均值，這個過程只需要把儲水箱溫度從進冷水溫度加熱到設置溫度為止即可，以此能效平均值作為衡量熱泵熱水器的能效指標。

歐標EN 16147-2011測試COPDHW的方法是模擬熱水器用戶在一整天內(nèi)使用熱水的情況，這個過程中，伴隨著用戶使用熱水的進程，水溫降幅超出回差值，熱泵系統(tǒng)自動啟動加溫直至停止，進而持續(xù)這個過程，這段時間內(nèi)的儲水箱水溫大部分都落在高水溫區(qū)間內(nèi)，以此過程中熱泵熱水器系統(tǒng)的能效平均值來衡量熱泵熱水器的能效指標。

從上可以看出，歐標COPDHW檢測的重點是熱泵系統(tǒng)處于高溫區(qū)間內(nèi)的能效平均值。這是我們提升歐標COPDHW的著力點。

圖1 1號熱泵熱水器歐標監(jiān)控曲線

圖2 2號熱泵熱水器歐標監(jiān)控曲線

3 提升空氣源熱泵熱水器歐標COPDHW方案探討

從以上公式不難看出，COPDHW的高低完全取決于總有用熱能QTC和總電能消耗WEL-TC這兩個值的大小。QTC整個供水循環(huán)期間的總有用熱能在標準中是個定值，標準規(guī)定了5種不同的供水循環(huán)（S、M、L、XL、XXL），這5種不同的供水循環(huán)都對應著一組總有用熱能值，制造商可以根據(jù)熱水器水箱的容積和性能選擇一種測試。這樣來看，降低總電能消耗WEL-TC是提升歐標COPDHW的重要途徑。

其中：

WEL-HP-TC整個供水循環(huán)期間熱泵消耗的電能，kw?h；

tTTC試驗循環(huán)的時長，小時；

Pes待機輸入功率，kw；

QEL-TC整個供水循環(huán)期間產(chǎn)生電力的熱能計算值，kw?h。

降低總電能消耗WEL-TC，從以上公式可以看出，需要從以下幾個方面著手：

（1）降低整個供水循環(huán)期間熱泵消耗的電能（WEL-HP-TC）；

（2）降低待機輸入功率（Pes）；

（3）降低整個供水循環(huán)期間產(chǎn)生電力的熱能計算值（QEL-TC）。

納入標準：臨床無腋淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，無遠處轉(zhuǎn)移，腫塊經(jīng)粗針穿刺或活檢病理診斷為浸潤性導管癌，無腋部手術(shù)史的患者；自愿加入本次研究的患者。

如果熱泵熱水器的節(jié)流裝置選用了電子膨脹閥（EEV），那么除了以上的三條之外，在供水循環(huán)過程，還需要通過控制電子膨脹閥的開度，達到精確控制熱泵系統(tǒng)的過熱度和過冷度，提高整個熱泵系統(tǒng)效率的目的。落到實處就是如何設置膨脹閥的初始開度和不斷調(diào)整膨脹閥的開度，以提升壓縮機的工作效率。

3.1 降低整個供水循環(huán)期間熱泵消耗的電能（WEL-HP-TC）

首先，整個供水循環(huán)期間熱泵消耗的電能與整個產(chǎn)品的關鍵零部件選型有關。產(chǎn)品的壓縮機一般選用熱泵專用高效壓縮機，以滿足熱泵高水溫、高可靠性、運行環(huán)境溫度范圍寬的特點。風機選用可變速風機，低溫工況可選用高檔風速，高溫工況選用低檔風速，這樣可以應對一年四季寬范圍的環(huán)境溫度，從而提升熱泵的效率。節(jié)流裝置選用電子膨脹閥，這樣就能夠根據(jù)工況和儲水箱水溫的變化隨時調(diào)整開度，精確控制冷媒流量，提升系統(tǒng)效率。冷凝器選用具備與儲水箱內(nèi)膽接觸的有效換熱面積大、承壓能力高等特點的微通道冷凝器。

其次，降低整個C階段供水循環(huán)的24小時放水過程中壓縮機啟動的次數(shù)，有效提升加熱效率。由于整個C階段供水循環(huán)持續(xù)24小時，以L型放水類型為例，一共要進行24次供水，其中經(jīng)歷3次大流量的供水，在此過程中，壓縮機多次啟動在所難免。壓縮機多啟動一次，電能的利用率就會降低一些。因此，減少壓縮機啟動次數(shù)至關重要。

對于熱泵熱水器而言，一般壓縮機是否會啟動直接受儲水箱水溫影響。儲水箱水溫降低到一定程度，壓縮機就會啟動開始制熱以滿足人們的用水需求。因此，在放水過程中避免水溫傳感器位置的水溫頻繁波動很關鍵。如果水溫波動頻繁，超出了預先設定好的水溫回差范圍，壓縮機就會啟動。如果持續(xù)的大流量長時間供水造成壓縮機啟動不可避免，則至少可以把小流量短時間的水溫控制住。對于儲水式熱水器儲水箱而言，水溫分層現(xiàn)象一直存在，通過實驗監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)可以看出，在放水過程中，受儲水箱進冷水口的水流沖擊影響，儲水箱下半部分水溫波動大，而上半部分水溫波動小。因此，對于歐標測試而言，儲水箱的水溫傳感器的安裝位置一定要避開水溫波動大的區(qū)域，在不影響最大可用熱水體積的前提下，盡量靠上安裝。

圖1是某一型號熱泵熱水器在調(diào)整水溫傳感器位置前后歐標測試監(jiān)控數(shù)據(jù)對比。測試工況為環(huán)境干球溫度7℃，濕球溫度6℃，設置熱泵加熱溫度為55℃，待機輸入功率Pes =41W。1號產(chǎn)品儲水箱傳感器位于距離水箱底部2/3H位置，2號產(chǎn)品儲水箱傳感器位于距離水箱底部1/3H位置（水箱內(nèi)膽高度H）。

從表1中不難看出，在供水循環(huán)期間，1號熱泵熱水器和2號相比較，壓縮機多啟動一次，從實驗數(shù)據(jù)上看，1號熱泵熱水器比2號消耗的電能（WEL-HP-TC）多0.654kw?h，COPDHW差距達到0.4?？刂茐嚎s機啟動此時對提升系統(tǒng)性能很重要。

3.2 降低待機輸入功率（Pes）

在歐標中，待機輸入功率可以理解為：在用戶不取用熱水的情況下，熱泵熱水器在一個待機周期內(nèi)消耗的能量與待機時間的比值。一個待機周期即為熱泵加熱完成后系統(tǒng)散熱直至熱泵再次啟動加熱完成的時間。因此，降低熱泵系統(tǒng)的熱損失是關鍵因素。

表1 1號和2號熱泵熱水器實驗數(shù)據(jù)對比

圖3 可以改變冷水的流速和方向的襯管結(jié)構(gòu)

圖4 開關閥步數(shù)不合理造成排氣溫度波動的歐標監(jiān)控曲線

3.3 降低整個供水循環(huán)期間產(chǎn)生電力的熱能計算值（QEL-TC）

為了提高熱泵系統(tǒng)平均能效比，歐標在供水循環(huán)過程中設置了一些最低放水水溫要求和參考水溫指標要求，因此，通過降低冷凝溫度來提升能效的方法在做系統(tǒng)設計時必須適可而止。

以L型供水的熱泵熱水器為例（具體可參照標準EN 16147關于供水類型L的熱泵熱水器的供水過程及供水能量條款），第5次、第11次、第14次、第22次、第23次均要求供水過程中進出水口的溫差必須達到30℃或45℃以上，如果進出水口的溫差沒有達到這個要求，差異的能量必須要靠電力來補充，即1kw?h的電能換取1kw?h的水的熱能，這對于熱泵熱水器的COPDHW來說是一個非常不利的數(shù)值。因此，我們要盡量避免拿電能換取熱能，即在供水過程中始終保持出水溫度在標準規(guī)定的底線之上，這個條件就要求我們設計的熱泵熱水器在供水過程中出水水溫不要發(fā)生太大波動。

為了避免在供水過程中出水水溫不要發(fā)生太大波動，我們可以注意以下幾個方面：

（1）儲水箱進冷水管襯管的結(jié)構(gòu)設計，如圖3所示。由于自來水壓力較大，水流在經(jīng)過進冷水管襯管進入儲水箱的時候，流速快，一般進冷水管襯管出口都會靠近內(nèi)膽壁或封頭，這樣水流就會直接沖擊到內(nèi)膽壁或封頭上反射回來，直接沖向熱水區(qū)域，造成熱水區(qū)域水溫急速下降，從而導致供水過程中熱水能量不足，產(chǎn)生電力補償?shù)默F(xiàn)象。為了解決這一問題，設計襯管的時候，可以做一些結(jié)構(gòu)改變冷水的流速和方向。比如，將襯管出口堵上，然后在靠近出口的管體上開一些小孔，這樣可以降低水的流速，改變水流方向，避免大量冷水反射到熱水區(qū)域。

（2）儲水箱外壁冷凝器的結(jié)構(gòu)設計。設計冷凝器的時候，一定要保證儲水箱下部冷水得到充分的加熱，避免儲水箱上下水溫差距太大，特別是落地式大容積儲水箱，更應該控制水溫溫差。冷凝器一定要布置在儲水箱的中下部，對于外凸式封頭，在封頭外部也需要設置換熱器，避免產(chǎn)生大量的死水。

（3）控制冷媒的注入量。如果注入熱泵系統(tǒng)的冷媒過多，就會造成冷凝器底部過冷度大，儲水箱底部區(qū)域的水無法從冷媒中獲取足夠的熱量，最終導致儲水箱上部水溫已經(jīng)達到了設定溫度，熱泵系統(tǒng)停止加熱，但底部還是涼水，儲水箱上下水溫溫差太大，在供水循環(huán)過程中，如果碰到較大能量（如浴池洗浴）供水時，或者對水溫溫差要求比較嚴格的（如洗碗）供水時，儲水箱的供水能力就會捉襟見肘，出水水溫陡然下降，導致水溫波動劇烈。

如圖1和圖2所示，在供水過程中，1號熱泵熱水器出現(xiàn)了3次水溫大幅波動（黃色曲線），2號熱泵熱水器出現(xiàn)了2次水溫大幅波動（黃色曲線）。從表1可以看出，在供水過程中，1號熱泵熱水器產(chǎn)生了0.118kw?h的電力補償?shù)臒崮埽?號熱泵熱水器只產(chǎn)生了0.048kw?h的電力補償?shù)臒崮?，二者差?.07kw?h。這也是二者COPDHW差距大的一個因素。

3.4 控制供水循環(huán)期間過熱度提升壓縮機的效率

歐標COPDHW測試與國標COP測試有著巨大的區(qū)別。國標COP測試要求熱泵一次性加熱完成后混水，即從15℃持續(xù)加熱到熱泵停機為止，即可以計算出COP，熱泵需要在低溫區(qū)（15℃）啟動，而且僅啟動一次，在后面加熱過程中需要考慮提升熱泵的加熱效率，不需要考慮熱泵的多次啟動造成的效率損失。對于歐標而言，供水循環(huán)測試過程中，熱泵的啟動一般發(fā)生在高水溫區(qū)，而且會啟動多次。如果設置溫度為55℃，回差溫度為5℃，則高水溫區(qū)一般可定義在40～55℃范圍，即在整個供水循環(huán)期間，一般熱泵都會在這個水溫區(qū)間內(nèi)工作，因此，對于利用電子膨脹閥作為節(jié)流元件的熱泵熱水器而言，控制好高水溫區(qū)電子膨脹閥的初始開度、開閥關閥步數(shù)和頻率，對提升系統(tǒng)COPDHW非常重要。

如果能控制好高水溫區(qū)電子膨脹閥的初始開度、開閥關閥步數(shù)和頻率，在供水循環(huán)期間就能避免熱泵系統(tǒng)排氣溫度出現(xiàn)大的波動，進而提升壓縮機的效率。由于溫度傳感器精度等原因，吸氣過熱度控制方式不很精準，而排氣溫度對蒸發(fā)器的吸熱效率更加敏感，業(yè)界廣泛一般采用排氣過熱度控制，即通過控制壓縮機排氣溫度來間接控制吸氣過熱度的方法。

首先，在選用電子膨脹閥的時候，一定要考慮閥的通徑和熱泵系統(tǒng)冷媒流量是否匹配。避免選用的閥過小或過大，在儲水箱水溫處于高溫區(qū)或低溫區(qū)的時候，閥很容易關閉或開啟到極限位置，這樣會大大影響節(jié)流精度。

其次，控制好高水溫區(qū)電子膨脹閥的初始開度。在供水循環(huán)期間，如果熱泵啟動，電子膨脹閥開啟，這時候就需要給它定義一個初始開度。如果熱泵熱水器的膨脹閥的開閉是采用排氣過熱度控制，即通過排氣溫度和水溫相比較來控制，在供水循環(huán)期間，需要密切注意排氣溫度的走勢。電子膨脹閥的初始開度太大或太小，會造成壓縮機排氣溫度和水溫差值太大或太小，這樣電子膨脹閥就會頻繁開大或關小，反過來會造成排氣溫度大幅波動，壓縮機效率低下。通過不同工況下的大量實驗，我們可以找到一個合適的電子膨脹閥初始開度，使實際排氣溫度平緩上升與實際水溫上升趨勢一致。

第三，如果將熱泵系統(tǒng)視為一個閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)慣性大，再加上傳感器測量誤差，因此，控制精度和反應時間是影響熱泵系統(tǒng)效率的關鍵因素，如圖4所示。在供水循環(huán)期間，由于儲水箱水溫在不斷發(fā)生變化，這樣電子膨脹閥就需要開大或關小以保證實際排氣溫度與儲水箱水溫變化趨勢一致。在電子膨脹閥開大或關小過程中，開閥關閥步數(shù)和頻率也至關重要。由于開閥關閥的趨勢受儲水箱水溫變化影響，電腦板接收到水溫變化信息后就會通知電子膨脹閥開閥或關閥，步數(shù)太大，過猶不及，步數(shù)太小，排氣溫度變化太慢，跟不上水溫變化節(jié)奏。開閥關閥頻率控制也一樣，電子膨脹閥接到指令后的開大或關小一次有一段時間間隔，間隔時間太短或太長，也會造成過猶不及或跟不上水溫變化節(jié)奏的問題。關于開閥關閥步數(shù)和頻率的確定，也需要經(jīng)過大量的實驗，找到一個合適的開閥關閥步數(shù)和頻率。

4 總結(jié)

綜上所述，在歐標測試過程中，影響空氣源熱泵熱水器的性能系數(shù)（COPDHW）的因素有很多，總結(jié)一下主要有以下幾點需要注意：

（1）降低整個供水循環(huán)期間熱泵消耗的電能（WEL-HP-TC），即降低壓縮機和風機的耗電量，主要通過選用高能效的熱泵專用壓縮機和減少熱泵啟動次數(shù)來實現(xiàn)。

（2）降低待機輸入功率（Pes），降低熱泵系統(tǒng)的熱損失是關鍵因素。

（3）降低整個供水循環(huán)期間產(chǎn)生電力的熱能計算值（QEL-TC），可以按照以下方式來做：第一，優(yōu)化儲水箱進冷水管襯管的結(jié)構(gòu)設計；其次，儲水箱外壁冷凝器的結(jié)構(gòu)設計；第三，控制冷媒的注入量；這三個方面可以避免在供水循環(huán)過程中儲水箱上下水溫溫差太大，進而產(chǎn)生不必要的電力的熱能計算值。

（4）如果熱泵熱水器的節(jié)流裝置選用了電子膨脹閥（EEV），在供水循環(huán)過程，需要精確控制電子膨脹閥的初始開度和開閥關閥步數(shù)和頻率，避免熱泵系統(tǒng)排氣溫度出現(xiàn)大的波動，也就是盡量保證熱泵系統(tǒng)兩器的過熱度和過冷度平穩(wěn)保持在合理的范圍內(nèi)，進而提升熱泵系統(tǒng)的效率。

總之，隨著能源的日益緊缺和人們對用水舒適度要求的不斷提高，空氣源熱泵熱水器必將成為節(jié)能熱水器陣營里面的主流產(chǎn)品。歐洲作為全球家電產(chǎn)品市場競爭的核心區(qū)域，熱泵熱水器也不例外。近年來，由于產(chǎn)品競爭的日趨激烈，歐洲對于熱泵熱水器的能效要求也在不斷提升，2017年9月，熱水器能效最高要求已經(jīng)由A提升到A+級別，要想在歐洲熱泵熱水器市場競爭中占得一席之地，產(chǎn)品就必須不斷被優(yōu)化，希望能通過以上的方案使熱泵熱水器的節(jié)能效果發(fā)揮得更好，并且使用戶的用水舒適度也達到較高水平。

[1] BS EN 16147-2011 Heat pumps with electrically driven compressors-Testing and requirements for marking of domestic hot water units，2011.

[2] COMMISSION REGULATION (EU) No 814/2013of 2 August 2013,implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to eco design requirements for water heaters and hot water storage tanks, 2013.