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(dòng)條件下，空氣源熱泵替代中小燃煤鍋爐供熱的實(shí)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?duì)于電熱水器、燃?xì)鉄崴鳌⑻柲軣崴鞯牡谒拇鸁崴?，因其自身的?jié)能、環(huán)保潛力而受到廣泛關(guān)注。與其運(yùn)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(yùn)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(yùn)行的能效評(píng)價(jià)應(yīng)該關(guān)注其具體的運(yùn)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(yùn)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(píng)價(jià)［3～5］。本文旨在通過空氣源熱泵熱水器的變工況性能測(cè)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(yùn)行能效綜合分析，為該類熱水器性能評(píng)價(jià)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(cè)試

2.1 測(cè)試裝置

熱泵熱水器性能測(cè)試的試驗(yàn)，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(yàn)方法、參數(shù)規(guī)定、儀表精度要求在焓差試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示［6～9］。

圖1 熱水器測(cè)試裝置基本結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)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(cè)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(cè)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(cè)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(yùn)行工況下會(huì)出現(xiàn)差異，不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于性能測(cè)試方法主要差異也體現(xiàn)在運(yùn)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(cè)試，能效測(cè)評(píng)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(shí)熱泵熱水器的能效將遠(yuǎn)高于高水溫如50 ℃時(shí)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(shí)按照國標(biāo)的測(cè)試方法計(jì)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(cè)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(dòng)停機(jī)，一般大于55℃，記錄該階段所用時(shí)間與耗電量；B階段為待機(jī)耗電測(cè)試；C是用水階段性能測(cè)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(yàn)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(yàn)階段，其測(cè)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(shí)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(cè)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(duì)于熱泵熱水器性能測(cè)試的試驗(yàn)階段

相對(duì)于我國標(biāo)準(zhǔn)，歐盟標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重實(shí)際使用過程中機(jī)組的性能體現(xiàn)，但測(cè)試周期長，放水過程流量控制精度要求高，測(cè)試成本較高。我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T34027-2015對(duì)于空氣源熱泵熱水器的測(cè)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(jiǎn)化，按照水箱容量大小確定用水的最大流量，測(cè)試水箱溫度在加熱至55℃開始放水，溫度降低至45℃時(shí)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(gè)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(píng)價(jià)該測(cè)試環(huán)境下機(jī)組的性能［13］。本文開展的測(cè)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(cè)試方案

與測(cè)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(shí)間，s

E——消耗電能，kW·h

P——耗電強(qiáng)度，W

3 測(cè)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(shí)，對(duì)應(yīng)水箱進(jìn)水溫度控制在15 ℃，代表非寒冷季節(jié)的運(yùn)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(shí)，對(duì)應(yīng)水箱進(jìn)水溫度控制在9 ℃，代表寒冷季節(jié)的運(yùn)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(duì)于兩個(gè)季節(jié)的代表測(cè)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(shí)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(cè)試工況下熱泵熱水器測(cè)試指標(biāo)

3.2 熱泵運(yùn)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(shì)，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?？梢钥闯觯?0 ℃以上的環(huán)境條件下，保證45 ℃用水需求時(shí)，機(jī)組COP均在3以上，尤其對(duì)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(yùn)行伴隨除霜運(yùn)行，能效系數(shù)及其變化趨勢(shì)相近，保證40 ℃用水需求時(shí)的COP維持在2左右?？傮w而言，該類熱水器在非寒冷季節(jié)為主的氣候區(qū)，運(yùn)行性能優(yōu)越，而在寒冷季節(jié)為主的地區(qū)，運(yùn)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(shí)間及運(yùn)行能效

不同環(huán)境條件下，放水加熱測(cè)試工況的2個(gè)用水周期內(nèi)制熱時(shí)間及能效系數(shù)變化如圖5所示。用水加熱測(cè)試工況主要記錄了連續(xù)2個(gè)用水后水箱加熱至55℃的周期內(nèi)的加熱時(shí)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(dòng)加熱至停機(jī)水箱平均溫度升高程度確定。對(duì)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(cè)到低于啟動(dòng)設(shè)定溫度時(shí)候，開啟水泵，而后啟動(dòng)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(dòng)，水箱內(nèi)部混合后的水溫低于停止放水時(shí)出水口溫度，根據(jù)這個(gè)過程中水箱平均溫度的最低值和機(jī)組停止加熱時(shí)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(gè)和第二個(gè)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(cè)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(cè)試工況2個(gè)用水周期的制熱時(shí)間及機(jī)組能效系數(shù)變化

4 空氣源熱泵熱水器全年運(yùn)行能效綜合評(píng)價(jià)

影響空氣源熱泵熱水器全年運(yùn)行綜合能效的因素諸多，除了熱泵運(yùn)行的環(huán)境溫度條件、用水量、啟停溫度測(cè)點(diǎn)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(yùn)行綜合能效時(shí)，需要對(duì)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(píng)價(jià)分析方法。

4.1 全年運(yùn)行能效綜合評(píng)價(jià)方法

本文采用的評(píng)價(jià)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(cè)試工況確定的技術(shù)指標(biāo)作為全年運(yùn)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(jì)，劃分5個(gè)溫區(qū)（t≤－7 ℃，－7℃＜t≤5℃，5 ℃＜t≤10 ℃，10 ℃＜t≤25 ℃，t＞25 ℃），分別以表1測(cè)試工況的環(huán)境干球溫度表征某個(gè)溫區(qū)的運(yùn)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(yùn)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(duì)應(yīng)天數(shù)確定機(jī)組全年運(yùn)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(yùn)行制熱量，最終確定全年運(yùn)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(cè)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(yùn)行技術(shù)指標(biāo)

全年運(yùn)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(jì)天數(shù)

Wd—— 日耗電量，kW·h，Wd=Qd/COPd

4.2 典型地區(qū)全年運(yùn)行能效分析

表4為被測(cè)熱泵機(jī)組在3個(gè)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(yùn)行能效的分析結(jié)果，其中寒冷地區(qū)的年運(yùn)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(duì)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(gè)地區(qū)也相對(duì)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(yùn)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(cè)試分析可以確定該類熱水設(shè)備的制熱能力及運(yùn)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(yùn)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(shì)接近。

（2）空氣源熱泵熱水器在用水加熱過程相對(duì)于初步加熱過程的運(yùn)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(yùn)行情況，應(yīng)當(dāng)作為運(yùn)行工況性能評(píng)價(jià)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(yùn)行能效確定其耗電量，結(jié)合日用水制熱量確定全年運(yùn)行能效能夠反映出地域差異對(duì)設(shè)備全年運(yùn)行能效的影響；對(duì)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(gè)地區(qū)也相對(duì)電熱水器有很好的推廣潛力。

關(guān)于全年運(yùn)行的綜合能效評(píng)價(jià)，若要更貼近實(shí)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(duì)于日制熱量造成的影響；同時(shí)需要考慮溫度區(qū)間劃分的個(gè)數(shù)及表征環(huán)境工況點(diǎn)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(jì)提供指導(dǎo)。

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