楊歐翔苗朋柯

1空調設備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室

2珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術研究中心有限公司

0 前言

近年來隨著環(huán)境問題的日益突出，從政府到民間的環(huán)境保護意識逐漸加強，特別是全國多地在冬季頻繁的霧霾現象，加速了我國采暖“煤改清潔能源”政策的推進和實施。京津冀地區(qū)率先進行“煤改電”試點，已取得了較好的實際效果。經過多種技術系統(tǒng)的對比，低溫空氣源熱泵較為經濟舒適[1]，適合在我國北方地區(qū)大量應用，以取代分散型散煤采暖。

雖然我國空氣源熱泵產品已在“煤改電”工程中有一定規(guī)模應用，但針對此種產品的評價標準尚未建立健全，居民的安裝更多的是受補貼政策的影響?，F行標準中，未對在寒冷地區(qū)使用的熱泵產品和常規(guī)產品進行有效區(qū)分。如何在政府補貼退出后，由市場機制引導消費者自行購買和使用合適的熱泵產品，需要制訂合理的標準來對熱泵產品進行準確評價。

1 小型空氣源熱泵的制熱表現

小型空氣源熱泵一般用于家用和輕商場合，產品是以空氣作為熱源，向需要供熱的場合進行供熱。其基本結構見圖1，四大基本部件壓縮機，節(jié)流閥，室內換熱器和室外換熱器由銅管連接，制冷劑充注其中。采暖運行時，室外側為大氣環(huán)境溫度，室內側為人居環(huán)境，經壓縮機壓縮后的制冷劑為高溫高壓氣相狀態(tài)，流入室內側換熱器后向室內放熱，降溫后流入節(jié)流閥，降壓后形成低溫低壓液相狀態(tài)，流入室外側換熱器。由于制冷劑溫度較室外側大氣環(huán)境溫度更低，因此能夠吸收室外環(huán)境中低品位的熱能，由液相轉換為低溫低壓的氣相。空氣源熱泵是通過電力驅動制冷劑在系統(tǒng)中進行逆卡諾循環(huán)，從而將室外空氣中低品位熱能搬運至室內，以提高室內溫度，從而達到采暖的效果。

圖1 空氣源熱泵基本結構

空氣源熱泵的制熱性能由制熱量Q和制熱功率P決定，其比值為制熱能效COP。本文為便于比較，選用制熱量Q和制熱能效COP為衡量熱泵性能的兩項關鍵指標。本文以兩款已上市的成熟產品作為研究對象，在熱泵空調產品的焓差實驗室中進行測試，并對比其性能表現。產品A為采用單級滾動轉子式變頻壓縮機的3匹熱泵空調，屬于常規(guī)產品。產品B為采用可變容積比的雙級增焓變頻壓縮機的3匹熱泵空調，是為提高低溫制熱性能而開發(fā)的產品，極限工作溫度低至-35℃。測試方法和對比標準按我國現行標準《房間空氣調節(jié)器》GB/T 7725-2004[2]，工況參數見表1，對比測試的結果見表2。

從國標工況的對比數據來看，產品A和產品B的全年能源消耗效率APF值處于相當水平，均超過國家一級能效要求。具體來看，產品A在小負荷制冷和制熱時的能效具有優(yōu)勢。產品B在滿負荷下能效具有優(yōu)勢，特別是在低溫制熱下制熱量和制熱能效COP都有明顯優(yōu)勢。

在實際氣候監(jiān)測數據中，北方地區(qū)在冬季的室外溫度一般都會低于表1中“低溫制熱”工況的2℃，以北京地區(qū)為例，最低溫度可達15℃。因此，為了比較產品A、B在室外側溫度更低時的熱泵制熱表現，擬定了如表3的低溫工況，對比測試的結果見表4。在上述測試中，產品A和B均未開輔助制熱設備，其制熱量全部來源于熱泵循環(huán)的制熱量，即熱泵制熱量。通過對比，產品B較產品A在低溫工況下的制熱量提高10%至27%，COP提高9%至15%，應用于北方地區(qū)作為“煤改電”采用顯然更為適合。

因此，對于能作為替代散煤采暖的小型空氣源熱泵產品來說，采用現有的國標評價體系，是難以體現出其技術優(yōu)勢的，需要使用更為合適的測試工況和計算權重分配。而制定這套規(guī)則的依據，可參考我國嚴寒和寒冷地區(qū)建筑采暖熱負荷的計算。

2 我國嚴寒和寒冷地區(qū)建筑對熱泵產品的負荷需求

2.1 我國北方不同氣候區(qū)域對熱泵產品的需求不同

依據我國行業(yè)標準《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》JGJ26-2010[3]，我國北方地區(qū)可分為嚴寒A，B，C和寒冷A，B五種氣候子區(qū)，不同子區(qū)的供熱需求相差較大。在該標準中，以采暖度日數（HDD18：Heating Degree Day based on 18℃）對供熱需求進行量化區(qū)分，其定義為：一年中，當某天室外日平均溫度低于18℃時，將該日平均溫度與18℃的差值乘以1天，并將此乘積累加，得到一年的采暖度日數，單位為℃·day。各氣候子區(qū)的HDD值范圍見表5。

我國北方地區(qū)大部分為寒冷和嚴寒地區(qū)，表6列舉了幾個典型城市的HDD值，采暖期平均氣溫和最低氣溫從表中可以看出，對于北京，張家口，呼和浩特，哈爾濱及漠河等幾個城市，其采暖季室外氣溫大部分時間會低于2℃（即國標規(guī)定中的低溫制熱工況，見表1），甚至漠河最低氣溫能達到零下三十多度。因此，從這個角度上看，現有國標在測試采暖性能的工況和極限工作工況未能考慮我國北方寒冷和嚴寒地區(qū)中會經常出現的室外溫度條件。

2.2 建筑采暖熱負荷的計算與分析

依照室內供暖系統(tǒng)設計的基本方法[4]，參照表7北京采暖季室外溫度持續(xù)時長，對文獻[5]中典型北方城市北京的農村地區(qū)某保溫民宅建筑熱負荷進行了計算，可以得到該北京農村保溫民宅所需建筑熱負荷在不同室外溫度和建不同室外溫度持續(xù)時間的關系，如圖2所示。

圖2 北京某保溫民宅建筑負荷隨室外溫度和溫度持續(xù)時間的變化曲線圖

所以，針對該北京農村保溫民宅對于熱泵產品的評價標準，除了增加更低室外溫度工況的性能外，還要求增加最低室外工作工況和最低室外溫度熱泵產品的最大制熱量，也就是滿負荷點。例如，北京最低氣溫為-15℃，該北京農村保溫民宅對熱負荷需求為8461W，那么該建筑所需熱泵產品除了滿足最低-15℃的條件下安全運行外，還要滿足在該溫度下制熱量為8461 W。

綜上所述，熱泵產品在我國寒冷和嚴寒地區(qū)使用時，采暖季中的室外溫度比較普遍低，當熱泵制熱量在無法達到實際熱負荷時，輔助加熱設備工作，會大幅拉低熱泵產品的實際能效。因此需要考慮熱泵產品在低溫環(huán)境下大熱量輸出的表現，才能滿足采暖的實際負荷需求。對于寒冷地區(qū)熱泵產品的使用，更應該加入低溫環(huán)境下大熱量輸出的評判標準。

3 歐盟標準的解讀

歐洲地處溫帶和寒帶，其緯度同我國北方寒冷及嚴寒地區(qū)大致對應，氣候條件多樣，采暖季時間較長。歐洲在環(huán)境保護方面素來領先，其相關法律法規(guī)在世界上是最為嚴格的。因此學習和借鑒歐盟標準，對于我國提高熱泵產品的應用大有裨益。歐洲標準化委員會（CEN）對空調部分負荷下制熱性能測試和評價的標準是在2015年12月通過，并于2016年3月執(zhí)行的EN14825∶2016[6]，該標準考慮的影響因素非常全面，其主要特點有：

A.制熱工作時對使用地區(qū)進行了區(qū)分，分為平均區(qū)（Average，以法國東北部城市斯特拉斯堡為例）、寒區(qū)（Colder，以芬蘭首都赫爾辛基為例）、暖區(qū)（Warmer，以希臘首都雅典為例），在三種地區(qū)的采暖機組設計溫度有顯著差異，平均區(qū)為-10℃，寒區(qū)為-22℃，暖區(qū)為2℃。在標準的附表中列出了這三類地區(qū)的氣溫發(fā)生時間數。

B.評估機組性能的工況點多。以制熱為例，該規(guī)范規(guī)定了如表8的七種工況測試點，且這些工況點的能力和能效數據必須列入技術銘牌中。

C.考慮機組在部分負荷下的能效變化。設備末端熱風系統(tǒng)的使用公式為：

式中：COPd為在規(guī)定工況（A-G）下機組達到宣稱制熱量時的COP；rc為能力率，是該工況下的熱泵制熱量除以該工況下的宣稱能力。

D.評價整體能效時，考慮非運行時間中的能源消耗。該標準中規(guī)定了四種非運行模式，一是熱平衡模式（Thermostat-off mode），在該模式下，機組制冷或制熱的功能開啟，但冷/熱負荷為零。二是待機模式（Standby mode），在該模式下，關閉了制冷或制熱功能，但機組還能實際檢測到指令信號，或者能通過計時器開啟工作。三是關機模式（Off mode），在該模式下，機組無法接受啟動信號，但還是同電網連接。四是曲軸箱加熱模式（Crankcase heater mode），在該模式下，曲軸箱加熱，避免制冷劑遷移到壓縮機中而影響壓縮機啟動。在評價整體能效過程中，計算年度耗電量時需要將上述幾種模式下的耗電量算在內。

4 結論及建議

通過上述對熱泵實際運行情況、熱負荷計算及歐盟標準的分析，在適應于嚴寒和寒冷地區(qū)使用的熱泵產品標準上有以下幾點結論和修訂建議：

1）現有的國家標準難以評價寒冷地區(qū)熱泵產品的性能優(yōu)勢，建議：在國標工況基礎上，增加結霜區(qū)以及低溫區(qū)的評價工況，全面考察不同工況下機組運行情況，增加最低室外溫度可靠性運行的標準。

2）根據我國地域特點，建議將我國寒冷和嚴寒地區(qū)進行分類，并用典型城市/地區(qū)的氣候特征作為分類的代表，給出各溫度的發(fā)生時間，作為低溫熱泵產品的季節(jié)制熱性能系數的評價方法。

3）在室內溫度恒定時，熱負荷同室外溫度呈線性關系，室外溫度越低，熱負荷越大。當機組熱泵制熱量無法滿足熱負荷需求時，需要采用低效的輔熱設備。因此，建議在機組銘牌上明確注明熱泵臨界溫度和最低工作溫度，區(qū)分機組的使用條件；或者結合本文提出的氣候分區(qū)，注明機組適用的氣候區(qū)間。

4）在進行季節(jié)制熱性能系數（SCOP）計算時，不僅考慮機組運行狀態(tài)下的能耗，同時考察其在關機、待機、熱平衡狀態(tài)等非運行時的耗電量，這樣計算出的SCOP能夠通過發(fā)電效率轉換為一次能源利用效率，進而方便同其它能源形式進行對比，得出應用熱泵技術的節(jié)能優(yōu)勢。