劉家有 黃遜青

廣東萬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入市場歷史最短的熱水器，由于其電能利用效率數(shù)倍于傳統(tǒng)的電熱水器，而且運行過程中無廢氣排放等優(yōu)點，成為新一代熱水器，逐漸為消費者所認識。熱泵熱水器的能效是該產(chǎn)品的主要性能指標，能效檢測所依據(jù)的產(chǎn)品標準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]，該標準規(guī)定的能效檢測方法經(jīng)歷多年的實踐，有關(guān)各方已經(jīng)積累了不少的實施經(jīng)驗，本文圍繞家用熱泵熱水器蓄熱水箱的熱量檢測方法，討論熱泵熱水器能效檢測方法的改進問題。

2 現(xiàn)行標準的問題

現(xiàn)行產(chǎn)品標準GB/T 23137-2008規(guī)定的制熱量檢測方法，是通過把蓄熱水箱里的15℃冷水加熱，直到機組停機后，再經(jīng)過混水泵混水最終得到的水溫為55℃±0.5℃后算得[4]，經(jīng)過多年的實踐，該標準關(guān)于能效檢測方法的問題，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，實際運行指標與水泵的銘牌值可能存在較大的差異；

——強調(diào)在短時間內(nèi)實現(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，運行過程的熱效應(yīng)對測量結(jié)果的影響；

——強調(diào)混水過程相關(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，而忽視了在混水過程中，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響的是水泵運行的熱效應(yīng)，明顯超過相關(guān)部件表面的熱損失，混水循環(huán)過程實際上是加熱過程；

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

——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，環(huán)境空氣的熱量通過水箱結(jié)構(gòu)傳遞到水箱內(nèi)加熱冷水，水溫較高時，由于熱量通過水箱結(jié)構(gòu)漏出而造成損失，影響程度與加熱時間關(guān)系較大[1][2]。

針對以上問題，本項研究參考了ISO 9459-2:1995《太陽能熱水器—家用水暖系統(tǒng)—第2部分：太陽能系統(tǒng)的系統(tǒng)性能特征和年度性能預測》中關(guān)于蓄熱水箱測量方法，對熱泵熱水器的蓄熱水箱測量方法進行改進。ISO 9459-2:1995的熱量測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《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法》，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《家用太陽能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級》引用。同時，排水法也參考了GB/T 20289-2006《儲水式電熱水器》第6.5條，GB/T 20289-2006的檢測方法被GB/T 20289-2006《儲水式電熱水器能效限定值及能效等級》引用。

依據(jù)現(xiàn)行的家用熱泵熱水器標準GB/T 23137-2008檢測所獲得的制熱量僅為蓄熱水箱中水得到的熱量，而在實際使用或是測試中，蓄熱水箱本身的蓄熱量是不容忽視的。由于每個制造商的生產(chǎn)工藝以及設(shè)計參數(shù)的不同往往會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，對其后續(xù)加熱過程中水箱的蓄熱能力也有影響。

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

3 能效檢測新方法

3.1 混水法

（1）預備過程，按規(guī)定向水箱注入冷水，加熱至設(shè)定水溫；

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

（3）當水箱溫度變化持續(xù)5min以上不大于0.3K，停止混水，此時水箱內(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，同時往水箱注入等流量的冷水且水溫波動不超過±0.5K，排出水溫降低至終止排水溫度-0.1K時停止排水；

（5）按（2）規(guī)定操作，當水箱溫度變化持續(xù)5min以上不大于0.3K，停止混水，此時水箱內(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，當水箱溫度變化持續(xù)5min以上不大于0.3K，停止混水，此時水箱內(nèi)溫度作為混合后熱水溫度；

（7）水箱內(nèi)的熱量按（1）式計算：

式中：

Qm—混合法測量的熱量，kJ；

ρ—水的密度，kg/L；

cp—水的比熱，kJ/（kg?K）；

V—實測水容積，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）預備過程，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，從冷水入口補充等量的冷水；

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

（4）排水期間每隔5s測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時停止排水；

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

（6）按（2）、（3）、（4）操作；

（7）排水質(zhì)量宜采用稱重法測量；

（8）排出的熱水熱量按（2）式計算：

其中：

式中：

Qd—排水法測量的熱量，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，℃；

—排水期間平均補水溫度，℃；

thi—排水期間第i次測量的熱水溫度，℃；

n—排水期間溫度測量次數(shù)。

注：終止排水溫度推薦為45℃。

3.3 檢測方法討論

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

性能指標 混水法 排水法常規(guī)方式 預熱方式 常規(guī)方式 預熱方式制熱量 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

說明：常規(guī)方式是以進水溫度作為加熱起始溫度的加熱方式；預熱方式是將前一次加熱后放水結(jié)束剩余熱水與進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的制熱量不一樣。用排水法的排水時間一般都比較長，在排水期間因為進水溫度比較低，帶走部分蓄熱水箱自身的蓄熱量計入了排出的熱量。由于現(xiàn)行家用熱泵的國家標準并沒有計算水箱蓄熱量，所以導致按不同方法測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償，或許會使有些機組在能效分級時相差一級。

混水法具有適用范圍廣的優(yōu)點，而且操作相對簡單，在本文討論的操作過程中，對于額定運行條件的檢測過程，并不需要強調(diào)水泵外殼的保溫性能，同時，由于所用的混水泵功率較小，混水過程中水泵熱效應(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)蓄熱量對能效指標的影響導致其檢測結(jié)果通常趨于保守，而且，混水過程實際上破壞了水箱內(nèi)部的溫度場，導致在某些情況下，檢測結(jié)果與實際情況偏離較大，例如，對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)點是不改變水箱的內(nèi)部溫度場，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一并進行，減少檢測時間、費用。進行排水法檢測時，通常要求水箱內(nèi)部在排水過程中，補水過程應(yīng)避免出現(xiàn)強烈的混水現(xiàn)象，所以，水箱的結(jié)構(gòu)可能對測量結(jié)果有較大影響，尤其是對于非承壓的水箱需要特別注意。

現(xiàn)有標準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體系上大部分都采用40℃混合熱水輸出量作為可接受計算的基本參數(shù)，考慮到蓄熱水箱本身的儲水結(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到45℃時用戶就停止洗浴了，原因在于后半部分水溫會急劇下降以及熱量的不足而導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，使得實際加熱的水溫高于15℃。為了與實際情況更加貼切，對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試前都經(jīng)過了一個排水的預處理階段。由于在實際用水過程中，低溫段的熱水并沒有被利用到。故以上的試驗均以排水溫度為45℃以上的熱水作為有用熱水。同時，空氣源熱泵熱水器在名義工況的起始加熱水溫為15℃，不符合實際使用情況，建議在正式測試時，先經(jīng)過一個排水的預處理階段。雖然能效比原來的有所降低，但是這更接近實際的用水習慣。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)行熱泵熱水器標準GB/T 23137-2008中能效檢測方法存在的問題，本文提出了基于ISO 9459-2:1995的改進方法，可以有效解決目前已經(jīng)暴露的主要問題，從而提高檢測數(shù)據(jù)的準確性。同時，通過增加預處理過程，使得水箱的蓄熱量對能效的影響大為減小，測量過程的重復性明顯改善，同時，使得檢測結(jié)果與實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)用熱泵熱水機技術(shù)標準的建議. 第二屆中國制冷空調(diào)專業(yè)產(chǎn)學研論壇論文集:110-115. 2013.

[3] 黃遜青. 改善太陽能熱水系統(tǒng)舒適性的蓄熱水箱設(shè)計措施. 2015年中國太陽能熱利用行業(yè)年會暨“十三五”太陽能熱利用發(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 家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法.