低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組性能測試方法解析

包繼虎，楊 弋，馬金平，李亞運(yùn)，周 坤，付 煒，謝鴻璽，趙宗彬

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

空調(diào)產(chǎn)品的性能測試通常是指按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試工況或第三方委托要求工況進(jìn)行試驗(yàn)，得到空調(diào)產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)，并以檢測報(bào)告等多種方式提供給監(jiān)管機(jī)構(gòu)、制造商或消費(fèi)者。因此，性能測試對控制產(chǎn)品質(zhì)量、評估產(chǎn)品性能、制定能效標(biāo)準(zhǔn)、保證行業(yè)的良性發(fā)展有舉足輕重的意義［1-6］。

早期GB/T 25127.1-2010《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組 第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的熱泵（冷水）機(jī)組》（以下簡稱“GB/T 25127.1-2010”）對空氣源熱泵（冷水）機(jī)組的性能測試名義工況和部分負(fù)荷工況進(jìn)行了規(guī)范化要求［7］，但隨著我國空氣源熱泵（冷水）機(jī)組技術(shù)的不斷突破和產(chǎn)品的多元化發(fā)展，變頻、變?nèi)菘諝庠礋岜茫ɡ渌C(jī)組逐漸成為行業(yè)的研究與發(fā)展重點(diǎn)，變頻、變?nèi)菘諝庠礋岜茫ɡ渌C(jī)組在制冷行業(yè)中的占比越來越大，為了客觀反映空氣源熱泵（冷水）機(jī)組在全年運(yùn)行的實(shí)際情況，綜合考慮了制冷、制熱兩種模式下全年的運(yùn)行效率，滿足空氣源熱泵（冷水）機(jī)組性能評價(jià)的需求，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2020年6月發(fā)布了GB/T 25127.1-2020《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組 第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的熱泵（冷水）機(jī)組》（以下簡稱“GB/T 25127.1-2020”），代替了GB/T 25127.1-2010，并將于2021年4月1日正式實(shí)施，與GB/T 25127.1-2010相比，GB/T 25127.1-2020在性能測試方面的主要變化是刪除了綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV（H）、IPLV（C）），增加了制冷季節(jié)能效比（seasonal energy efficiency ratio，SEER）、制熱季節(jié)性能系數(shù)（heating seasonal performance factor，HSPF）和全年性 能 系 數(shù)（annual performance factor，APF）［8］。APF的評價(jià)方式綜合考慮了建筑負(fù)荷模型、外溫發(fā)生小時(shí)數(shù)分布模型和機(jī)組的性能模型，可客觀反映不同負(fù)荷分布情況下機(jī)組的全工況性能，比IPLV體系更為精細(xì)、準(zhǔn)確，特別適用于空氣源熱泵產(chǎn)品的性能評價(jià)，因此評價(jià)方式更為科學(xué)合理［9-10］。

目前，在與企業(yè)的交流過程中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)相關(guān)檢測人員對新標(biāo)準(zhǔn)中性能測試的條款理解上存在歧義，如性能測試過程中各工況點(diǎn)如何確定、計(jì)算名義制冷量和名義制冷量如何區(qū)別、新標(biāo)準(zhǔn)中是否要進(jìn)行污垢修正等，最終可能導(dǎo)致廠家檢測結(jié)果與第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測結(jié)果存在較大差異，給實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求增加了不確定性，嚴(yán)重時(shí)可能對產(chǎn)品做出不合格的判定結(jié)論?；谏鲜鰡栴}，本文主要針對GB/T 25127.1-2020中性能測試方法進(jìn)行詳細(xì)解析，以幫助使用者更好的理解標(biāo)準(zhǔn)中的性能測試方法，確保檢測結(jié)果能準(zhǔn)確反映產(chǎn)品的真實(shí)性能。

1 名義測試工況分析

GB/T 25127.1-2020在第4.3.3條中給出了低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組（以下簡稱“機(jī)組”）的名義工況測試條件，如表1所示［8］。

表1 名義試驗(yàn)工況Table.1 Nominal test condition

表1中明確了使用側(cè)出水溫度和水流量，但仍有部分企業(yè)檢測人員不能正確理解流量如何確認(rèn)。關(guān)于流量計(jì)算的正確理解為：對于風(fēng)機(jī)盤管型，無論是單冷型還是冷熱雙供型兩類機(jī)組，名義制冷工況和名義制熱工況的水流量均等于名義制冷量乘以單位制冷（熱）量水流量。如果機(jī)組是單熱型機(jī)組，對風(fēng)機(jī)盤管型、地板輻射型和散熱器型機(jī)組，名義制熱工況的水流量均等于名義制熱量乘以單位制冷（熱）量水流量。

值得注意的是名義制熱工況時(shí)熱源側(cè)的進(jìn)風(fēng)濕球溫度要求低于0 ℃，通過溫度傳感器直接測量濕球溫度有一定難度，目前慣用的方法是測量干球溫度、相對濕度和大氣壓，并換算為濕球溫度，計(jì)算過程中需要提供干球溫度、相對濕度和大氣壓的測試值，因此，試驗(yàn)設(shè)備除了測量干球溫度的傳感器（通常采用鉑熱電阻）外，還需要相對濕度儀和壓力傳感器，筆者在一些現(xiàn)場試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，部分企業(yè)無法提供測量大氣壓的壓力傳感器，主觀認(rèn)為采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓即可，顯然，該方法不嚴(yán)謹(jǐn)，計(jì)算結(jié)果難免出現(xiàn)偏差。

其次，GB/T 25127.1-2010在4.3.1.2條（名義工況其他規(guī)定）中明確了大氣壓力為101 kPa［7］，雖然在新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25127.1-2020中并沒有對該條件進(jìn)行明確，但從名義測試工況條件看，大氣壓對空氣的濕度和體積均有一定的影響，因此，為保證測量的準(zhǔn)確性，測試過程中仍需考慮大氣壓對測試條件的影響。

2 APF計(jì)算方法分析

GB/T 25127.1-2020中定義全年性能系數(shù)（APF）為機(jī)組制冷時(shí)從室內(nèi)除去的熱量及制熱時(shí)向室內(nèi)送入的熱量的總和與消耗的電量總和之比。全年性能系數(shù)同時(shí)反映了機(jī)組的制冷季節(jié)能效情況與制熱季節(jié)能效情況。對于單冷型機(jī)組采用制冷季節(jié)能效比（SEER）來進(jìn)行評價(jià)，制冷季節(jié)能效比（SEER）是指在制冷季節(jié)中，機(jī)組從室內(nèi)除去的熱量總和與消耗的電量總和之比；對于單熱型機(jī)組采用制熱季節(jié)性能系數(shù)（HSPF）來進(jìn)行評價(jià)，制熱季節(jié)性能系數(shù)（HSPF）是指在制熱季節(jié)中，機(jī)組向室內(nèi)送入的熱量總和與消耗的電量總和之比；對于冷熱雙供的熱泵型機(jī)組采用全年性能系數(shù)（APF）來進(jìn)行評價(jià)。下面將針對上述評價(jià)情況涉及的試驗(yàn)和計(jì)算方法解析如下。

2.1 制冷季節(jié)能效比計(jì)算解析

計(jì)算過程中主要問題描述如下：

（1）制冷工況下房間冷負(fù)荷的計(jì)算時(shí)，將GB/T 25127.1-2020附錄B中式（B.9）的計(jì)算名義制冷量理解為銘牌明示制冷量；

（2）定頻和變頻機(jī)試驗(yàn)方法理解出現(xiàn)偏差，特別是針對變頻機(jī)試驗(yàn)方法的理解，導(dǎo)致測試結(jié)果與第三方檢測機(jī)構(gòu)結(jié)果偏差較大；

（3）在制冷B，C，D工況試驗(yàn)中，將“要求負(fù)荷”理解為“名義制冷負(fù)荷點(diǎn)”；

針對問題（1），GB/T 25127.1-2020附錄B中明確指出，機(jī)組的計(jì)算名義制冷量的值應(yīng)滿足式（1），且名義熱冷比HCRn取1.0［8］。

式中φfulh（-12）——名義制熱量；

φfulc（35）——計(jì)算名義制冷量。

機(jī)組的名義制冷量明示值應(yīng)不小于計(jì)算名義制冷量，式（1）適用于冷熱雙供的風(fēng)機(jī)盤管型機(jī)組，單冷型風(fēng)機(jī)盤管型機(jī)組的計(jì)算名義制冷量即為名義制冷量。在使用CD系數(shù)法計(jì)算COP時(shí)也一樣，負(fù)荷系數(shù)LF計(jì)算公式中的QFL是計(jì)算名義制冷量，并非銘牌所示名義制冷量。

針對問題（2），定頻機(jī)所有工況點(diǎn)（包括工況點(diǎn)A，B，C，D）都在工作頻率下運(yùn)行進(jìn)行測試，變頻機(jī)則將壓縮機(jī)調(diào)整至適合相應(yīng)工況點(diǎn)的頻率運(yùn)行進(jìn)行測試，使機(jī)組的制冷量=計(jì)算名義制冷量×部分負(fù)載率×（100±10）%，測定機(jī)組的制冷量和制冷消耗功率。如不能在對應(yīng)負(fù)荷點(diǎn)頻率運(yùn)行，則采用內(nèi)插法或CD系數(shù)法計(jì)算COP值，制冷模式運(yùn)行工況點(diǎn)A為選測點(diǎn)，即可對該工況點(diǎn)進(jìn)行測試也可不對該工況點(diǎn)進(jìn)行測試，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25127.1-2020在附錄B中B.5.3.2中有詳細(xì)計(jì)算方法。

針對問題（3），在制冷B，C，D工況試驗(yàn)中，“要求負(fù)荷”是指計(jì)算名義制冷量，并非名義制冷量。值得注意的是GB/T 25127.1-2020中附錄B中表B.3中的冷負(fù)荷部分負(fù)載率均是指計(jì)算名義制冷量的部分負(fù)載，并非名義制冷量的部分負(fù)載率。

下面以某公司生產(chǎn)的定頻低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組（冷熱型風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組）為例，對問題3進(jìn)行分析，機(jī)組銘牌參數(shù)見表2，本次試驗(yàn)選擇D工況點(diǎn)不進(jìn)行測試。

表2 機(jī)組銘牌參數(shù)Table.2 Nameplate parameter of the unit

由式（1）可知，機(jī)組的計(jì)算名義制冷量φfulc（35）=名義制熱量φfulc（－12）=54 000 W，并不等于名義制冷量70 000 W。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25127.1-2020中附錄B中所給條件，可計(jì)算出相應(yīng)的部分負(fù)荷制冷量，見表3。由于工況點(diǎn)B和C的實(shí)測制冷量均分別高于對應(yīng)要求制冷量的110%，即54 000×110%=59 400 kW和30 780×110%=33 858 kW，因此需要對B點(diǎn)和C點(diǎn)的實(shí)測性能系數(shù)進(jìn)行CD法修正，修正結(jié)果見表3。

表3 按計(jì)算名義制冷量試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Test calculation results by calculated nominal capacity

如果用名義制冷量計(jì)算部分負(fù)荷制冷量，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)見表4。由于工況點(diǎn)B實(shí)測制冷量沒有超過名義制冷量的110%，所以未對B點(diǎn)實(shí)測性能系數(shù)進(jìn)行修正。C點(diǎn)的實(shí)測制冷量高于對應(yīng)要求制冷量的110%，因此需要對C點(diǎn)的實(shí)測性能系數(shù)進(jìn)行CD法修正，修正結(jié)果見表4。

表4 按名義制冷量試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Test calculation results by nominal capacity

從上述分析發(fā)現(xiàn)，采用名義制冷量計(jì)算部分負(fù)荷時(shí)，B點(diǎn)的性能系數(shù)即為實(shí)測結(jié)果，不需要采用CD衰減系數(shù)進(jìn)行修正，當(dāng)采用計(jì)算名義制冷量計(jì)算部分負(fù)荷時(shí)，B點(diǎn)性能系數(shù)對應(yīng)的制冷量高于對應(yīng)負(fù)荷點(diǎn)制冷量的110%，所以需要采用CD衰減系數(shù)進(jìn)行修正。對GB/T 25127.1-2020中“要求負(fù)荷”的不同理解，最終會影響到制冷季節(jié)能效比的計(jì)算結(jié)果。

值得注意的是，在部分負(fù)載工況A點(diǎn)測試時(shí)，若不對A工況點(diǎn)進(jìn)行測試，其對應(yīng)COP的值采用外插法計(jì)算，外插法是否準(zhǔn)確值得商榷，變頻機(jī)組誤差相對會小一些，定頻機(jī)組測試誤差會較高，尋求更加合理的邊界點(diǎn)外COP的計(jì)算方法是今后研究重點(diǎn)，從所查閱的文獻(xiàn)來看，目前并沒有較為合適的方法來取代外插法。因此，建議強(qiáng)制要求工況點(diǎn)A必須進(jìn)行測試，這樣可避免使用外插法，使計(jì)算方法更加科學(xué)合理。

2.2 制熱季節(jié)性能系數(shù)計(jì)算解析

計(jì)算過程中主要問題描述：

（1）在GB/T 25127.1-2020附錄B中B.4.3.2節(jié)，輔助電加熱的消耗功率計(jì)算時(shí)給定了當(dāng)Lh（tj）＞φful（tj）時(shí)，機(jī)組制熱量不足需要補(bǔ)充其電加熱，PRH（tj）由式（2）確定：

φfu（ltj）——溫度tj時(shí)的機(jī)組實(shí)測制熱量。

（2）各溫度tj時(shí)的制熱量φful（tj）不可能每個(gè)點(diǎn)都測試，目前通用的辦法還是插值法。對于C，D，E工況點(diǎn)的熱泵機(jī)組的制熱量超過要求負(fù)荷110%時(shí)，其對應(yīng)COP采用CD系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，但對于上述工況點(diǎn)邊界外的部分溫度點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)測制熱量只能采用外插法，即使工況點(diǎn)A，B，C，D，E的制熱量和性能系數(shù)均可實(shí)測出，但工況點(diǎn)E以外的制熱量仍需使用外插法進(jìn)行計(jì)算，例如溫度發(fā)生時(shí)間在8～12 ℃時(shí)，這樣必然導(dǎo)致較大的誤差。

針對問題（1），當(dāng)Lh（tj）＞φful（tj）時(shí)，說明機(jī)組制熱量不足，需要補(bǔ)充電加熱，當(dāng)Lh（tj）≤φful（tj）時(shí)，說明機(jī)組制熱量足夠，不需要補(bǔ)充電加熱，此時(shí)即認(rèn)為PRH（tj）=0，因此，在計(jì)算制熱季節(jié)耗電量時(shí)，當(dāng)Lh（tj）≤φful（tj）時(shí)，即認(rèn)為PRH（tj）=0，相關(guān)測試人員需要注意該點(diǎn)在GB/T 25127.1-2020附錄中并沒有明確。

針對問題（2），與制冷測試相類似，外插法是否準(zhǔn)確值得商榷，筆者償試采用Lagrange多點(diǎn)插值等方法對COP和制熱量進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)多次試算發(fā)現(xiàn)，由于邊界點(diǎn)外方向的不可預(yù)知性，導(dǎo)致誤差不確定，理論試算過程中還發(fā)現(xiàn)，在某些特殊情況時(shí)E點(diǎn)外側(cè)的實(shí)測制熱量還可能出現(xiàn)負(fù)值（對于變頻機(jī)組，當(dāng)E點(diǎn)實(shí)測制熱量接近要求下限值，即E點(diǎn)實(shí)測制熱量=名義制熱量×24%×90%時(shí)，此時(shí)利用外插法計(jì)算E點(diǎn)外側(cè)制熱量與實(shí)測制熱量的差值可能出現(xiàn)負(fù)值），變頻商用和戶用型機(jī)組均有可能。因此，尋求更加合理的邊界點(diǎn)外性能系數(shù)和實(shí)測制熱量的計(jì)算方法是下步研究重點(diǎn)。從所查閱的文獻(xiàn)來看，目前并沒有較為合適的方法來取代外插法。筆者認(rèn)為，在進(jìn)行制熱季節(jié)性能系數(shù)計(jì)算時(shí)，為避免使用外插法，建議暫不要考慮E點(diǎn)以外的制熱時(shí)間，E點(diǎn)以外的制熱時(shí)間為128，82，81，75，43 h，共計(jì)409 h，分別對應(yīng)室外溫度8，9，10，11，12 ℃。制熱季節(jié)總的制熱時(shí)間為3 553 h，占比為11.5%［8］。

3 部分負(fù)載率分析

由GB/T 25127.1-2020可知，冷負(fù)荷部分負(fù)載點(diǎn)B的工況與名義制冷工況一致，對于冷熱型的風(fēng)機(jī)盤管型低溫機(jī)組，GB/T 25127.1-2020規(guī)定了其流量等于名義制冷量乘以單位制冷（熱）量水流量（0.172 m3/（h·kW）），該系數(shù)是依據(jù)GB/T 10870-2014中規(guī)定的液體載冷劑法，由機(jī)組的名義制冷量，按5 ℃進(jìn)出水溫差、水的平均比熱容和水的密度反推得出［11］，即：

其中

式中 C —— 水的平均比熱容，kJ/（kg·℃），取C =4.186 kJ/（kg·℃）；

第一，進(jìn)一步明確了“值百抽五”的關(guān)稅稅負(fù)標(biāo)準(zhǔn)。《中英通商章程善后條約》第一款規(guī)定：“……倘有貨物名目，進(jìn)、出口稅則均未賅載，又不在免稅之列者，應(yīng)核估時(shí)價(jià)，照值百抽五例征稅?！奔炊悇t上沒有列舉的商品，都按5%的從價(jià)關(guān)稅稅率。

ρ ——水的密度，kg/m3，取ρ =1 000 kg/m3；

qv——水的體積流量，m3/h；

Δt ——進(jìn)出水溫差，℃，取Δt =5 ℃；

λ—— 單位制冷（熱）量水流量，m3（/h·kW）。

將各取值代入式（3）得：

由式（4）即可推導(dǎo)出單位制冷（熱）量水流量λ=0.172 m3/（h·kW）。但在GB/T 25127.1-2020中機(jī)組的冷負(fù)荷部分負(fù)載均是按照計(jì)算名義制冷量計(jì)算，其流量則是由名義制冷量乘以單位制冷（熱）量水流量確定。針對本文前述低溫機(jī)的制熱量與制冷的配比關(guān)系（54/70=0.77＜1），由于熱冷比系數(shù)的影響，導(dǎo)致名義制冷量與計(jì)算名義制冷量有較大偏差，這也直接導(dǎo)致了名義制冷量與冷負(fù)荷部分負(fù)荷點(diǎn)B的制冷量相差較大，盡管工況完全一樣。因此，在實(shí)際熱冷比小于1時(shí)，部分負(fù)荷運(yùn)行工況均按名義制冷量確定的流量進(jìn)行測試是否準(zhǔn)確值得商榷，目前，熱冷比小于1的商用型低溫機(jī)仍占市場主流。當(dāng)然，合理的方法是采用熱冷比為1的機(jī)組來配比房間負(fù)荷率，保證選型機(jī)組的換熱量與房間負(fù)荷率一致，盡可能使名義制冷量與名義制熱量相等，這樣從理論上保證了機(jī)組換熱量與建筑物的合理配比關(guān)系，一定程度上限制供應(yīng)商提供超出房間負(fù)荷的大機(jī)組，避免類似于“大馬拉小車”的資源浪費(fèi)。但選用較大熱冷比的機(jī)組，其技術(shù)含量和制造工藝水平也相應(yīng)提高，成本也相對較高。

需要引起重視的是，GB 37480-2019《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組能效限定值及能效等級》中低溫?zé)岜脵C(jī)組的能效評價(jià)值仍然采用綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV（H））和制熱性能系數(shù)（COPh）作為評價(jià)指標(biāo)，2020年6月2日發(fā)布并于2021年4月1日實(shí)施的新的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25127.1-2020和GB/T 25127.2-2020中將采用全年性能系數(shù)（APF）評價(jià)體系，綜合考慮了制冷、制熱兩種模式下全年的運(yùn)行效率，且將低溫?zé)岜脵C(jī)組劃分為地板輻射型、風(fēng)機(jī)盤管型和散熱器型三類產(chǎn)品，IPLV和APF兩種評價(jià)體系中的部分負(fù)載率有一定差異，在試驗(yàn)過程中需要區(qū)別處理。因此，在進(jìn)行低溫空氣源熱泵（冷水）機(jī)組的能效性能試驗(yàn)時(shí)，仍然需要使用GB/T 25127.1-2010和GB/T 25127.2-2010中的試驗(yàn)方法和部分負(fù)荷測試工況。

4 結(jié)語

（1）分析了空氣源熱泵（冷水）機(jī)組性能測試過程中容易出現(xiàn)的問題和理解歧義，并對其進(jìn)行了詳細(xì)的解析；

（2）分析了使用數(shù)值計(jì)算外插法容易出現(xiàn)的問題，并給出了規(guī)避方法；

（3）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的性能評價(jià)體系采用全年性能系數(shù)（APF），產(chǎn)品能效標(biāo)準(zhǔn)的性能評價(jià)體系采用綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV（H））和制熱性能系數(shù)（COPh），建議及時(shí)修訂能效標(biāo)準(zhǔn)，使其與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)保持一致。