譚民杰 劉家有 江先明 黃遜青

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

空氣源熱泵熱水機(jī)作為高效的節(jié)能設(shè)備，利用電能驅(qū)動(dòng)的熱泵循環(huán)過程將低品位能量的環(huán)境空氣轉(zhuǎn)換為可用的熱能，與常規(guī)的電熱水器相比，電能利用效率成倍地提高；而與燃?xì)鉄崴鞅容^，具有在運(yùn)行區(qū)域無污染物排放等優(yōu)勢(shì)。按照我國(guó)能源政策，節(jié)能措施的實(shí)施優(yōu)先于可再生能源的開發(fā)，在空氣源熱泵適宜使用的地區(qū)，其發(fā)展可獲得相比可再生能源利用措施更為優(yōu)先的政策優(yōu)勢(shì)。

空氣源熱泵熱水機(jī)作為納入能效指標(biāo)強(qiáng)制監(jiān)管的產(chǎn)品，其能效限定值及能效等級(jí)必須符合GB 29541-2013

《熱泵熱水機(jī)(器)能效限定值及能效等級(jí)》的要求[1]。制熱量測(cè)量是能效測(cè)量的基礎(chǔ)分量，然而，在實(shí)際測(cè)量工作中發(fā)現(xiàn)，同一臺(tái)熱泵熱水機(jī)采用兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行能效測(cè)試的結(jié)果差異明顯，依據(jù)GB/T 21362-2008《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)》進(jìn)行制熱量測(cè)量[2]，與依據(jù)GB/T 23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》進(jìn)行的熱水量測(cè)量[3]，即使考慮了標(biāo)準(zhǔn)之間的計(jì)算方法差異，兩個(gè)結(jié)果差異仍然較大，尤其是采用GB/T 21362-2008方法進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，結(jié)果出現(xiàn)較大的離散現(xiàn)象。通過一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證，確定熱泵熱水機(jī)的能效測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21362-2008規(guī)定的測(cè)試方法存在若干明顯的技術(shù)缺陷，其中系統(tǒng)蓄熱量計(jì)算方法以及漏熱量測(cè)量方法所依據(jù)的傳熱學(xué)模型錯(cuò)誤是主要原因［4］。本文簡(jiǎn)要分析GB/T 21362-2008對(duì)漏熱量測(cè)量方法的錯(cuò)誤，并提出改進(jìn)方法。

1 現(xiàn)行方法標(biāo)準(zhǔn)問題

按照GB/T 21362-2008能效檢驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)室單次測(cè)量熱泵制熱量計(jì)算公式為：

式中：

Qh—熱泵熱水機(jī)制熱量，kW；

C—平均溫度下水的比熱容，J/kg·℃；

G—被加熱熱水質(zhì)量，kg；

t1—初始水溫度，℃；

t2—最終水溫度，℃；

H—加熱時(shí)間，h；

QX—管道和水箱的蓄熱，kW；

QL—管道和水箱的漏熱，kW。

由公式可知，GB/T 21362-2008所規(guī)定的能效檢驗(yàn)中要求計(jì)算管道（水箱）的蓄熱與漏熱，然而，在實(shí)際測(cè)量活動(dòng)中，這兩部分熱量并非直接測(cè)量獲得，企業(yè)實(shí)驗(yàn)室在投入使用前，設(shè)備廠家常通過標(biāo)準(zhǔn)發(fā)熱體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)合蓄熱與漏熱的計(jì)算模型對(duì)系統(tǒng)漏熱進(jìn)行修正，從而估算得出系統(tǒng)蓄熱量和漏熱量?？墒?，經(jīng)過多年測(cè)量實(shí)踐，現(xiàn)行測(cè)量方法暴露了以下問題：

1）系統(tǒng)蓄熱量是熱泵機(jī)組制熱水過程中所有蓄熱部件獲得的熱量，以往的研究指出，GB/T 21362-2008給出蓄熱量的計(jì)算公式并不準(zhǔn)確，由于系統(tǒng)間傳熱模式的錯(cuò)誤，使系統(tǒng)蓄熱放大了一倍[5]。

2）系統(tǒng)漏熱量是熱泵機(jī)組制熱水過程中所有漏熱部件往外部環(huán)境傳遞的熱量，而標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定其具體的計(jì)算方法，各檢測(cè)設(shè)備供應(yīng)商使用不同的檢測(cè)方法，以致測(cè)量的一致性無法保證。一些實(shí)驗(yàn)室采用了類似查表法的方式進(jìn)行修正，這種缺乏理論模型支持的方法雖然可以一定程度上改善此問題，但是，由于需要多次的標(biāo)定測(cè)量，運(yùn)行費(fèi)用很高，而且適用范圍有效。

3）循環(huán)水泵的熱效應(yīng)影響未適當(dāng)考慮，而此項(xiàng)影響可能高達(dá)熱水量的5 %左右[5]。

在GB/T 21362-2008允許的標(biāo)定制熱量偏差僅為4%以下的情況下，上述問題的存在顯然無法保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，本文針對(duì)系統(tǒng)漏熱測(cè)量方法存在的問題展開討論。

2 系統(tǒng)漏熱量

2.1 測(cè)量重復(fù)性

實(shí)驗(yàn)室抽取一臺(tái)3 HP熱泵機(jī)組性能進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量，得到以下數(shù)據(jù)。如表1所示，熱水熱量與系統(tǒng)蓄熱相對(duì)穩(wěn)定，而系統(tǒng)漏熱測(cè)量值波動(dòng)較大，導(dǎo)致機(jī)組制熱量測(cè)量重復(fù)性差。由此可見，系統(tǒng)漏熱的測(cè)量方法存在較大的不確定度。

2.2 測(cè)量模型分析

以蓄熱水箱為例，現(xiàn)行檢驗(yàn)方法依據(jù)的計(jì)算公式為：

式中：

Δ—水箱內(nèi)外表面的平均溫差，℃；

tL＇ —水箱的內(nèi)壁溫度，℃；

tL—水箱的外壁溫度，℃；

表1 10次獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)

S—水箱的表面積，m2；

K—水箱的漏熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；

H—加熱時(shí)間，h。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)量時(shí)，內(nèi)壁溫度直接引用熱水溫度，外壁溫度通過壁面熱電偶測(cè)量；表面積使用廠家提供的標(biāo)稱尺寸；漏熱系數(shù)根據(jù)系統(tǒng)漏熱校準(zhǔn)情況而設(shè)定。由公式可知，系統(tǒng)漏熱量與管道（水箱）的物理特性有關(guān)，如系統(tǒng)管路過長(zhǎng)，水箱容積過大，系統(tǒng)保溫不足，環(huán)境溫度過低等因素都會(huì)增加系統(tǒng)的熱量損失。然而，實(shí)際測(cè)量過程中，實(shí)驗(yàn)室并未對(duì)水箱所處的環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)控，是導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果一致性差的主要原因。

2.3 蓄熱水箱所處的環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)漏熱的影響

圖1是蓄熱水箱在不同環(huán)境溫度下測(cè)量得到的機(jī)組性能數(shù)據(jù)。機(jī)組的能力隨著水箱環(huán)境溫度的上升，機(jī)組制熱量逐漸下降，且系統(tǒng)的漏熱量也呈同一趨勢(shì)。

針對(duì)該問題，筆者對(duì)系統(tǒng)漏熱量的標(biāo)定方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定過程未對(duì)水箱所處的環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)控，標(biāo)定值未考慮環(huán)溫引入影響作出合理的漏熱修正，導(dǎo)致其他環(huán)境溫度下得到的漏熱量出現(xiàn)偏差；再者，水箱內(nèi)外壁面之間的熱傳遞慢，其溫度層難以穩(wěn)定，從圖2數(shù)據(jù)看出，機(jī)組加熱結(jié)束后水箱要經(jīng)過2 h才能建立穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，而GB/T 21362-2008上規(guī)定的測(cè)試時(shí)間為1 h，此時(shí)系統(tǒng)蓄熱水箱外表面的溫度更接近環(huán)境溫度，導(dǎo)致采樣得到水箱內(nèi)外壁面溫差變大，機(jī)組獲得的補(bǔ)償熱量變多，從而機(jī)組制熱量偏高。而眾多實(shí)驗(yàn)室習(xí)慣將測(cè)試水箱置于測(cè)試房外，忽略了環(huán)境溫度對(duì)此方面帶來的影響。

文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]均指出了目前行業(yè)內(nèi)普遍的漏熱量測(cè)量方法的錯(cuò)誤原因[4][5]，主流的測(cè)量方法是采用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)制對(duì)流傳熱模型對(duì)水箱、管道等壁面的漏熱進(jìn)行計(jì)算，而水箱、管道等絕熱層的傳熱學(xué)模型也采用穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，不少實(shí)驗(yàn)室誤以為只有測(cè)量準(zhǔn)確以及采用實(shí)時(shí)記錄，然后進(jìn)行積分計(jì)算就可以準(zhǔn)確計(jì)算漏熱量，卻忽略了最重要的前提，就是在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)狀態(tài)下，水箱、管道等壁面的傳熱狀態(tài)均為自然對(duì)流狀態(tài)。在自然對(duì)流狀態(tài)下，水箱、管道等壁面的表面的傳熱系數(shù)差異很大，即使是采用鋼材制造的水箱外殼，在測(cè)試運(yùn)行過程中，上部、中部和下部的傳熱系統(tǒng)可能相差數(shù)倍，而且絕熱材料的性能實(shí)際上也不是常數(shù)，以有限的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)來描述自然對(duì)流換熱和非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，實(shí)際上造成明顯的誤差，再加上蓄熱量計(jì)算方法存在的錯(cuò)誤以及循環(huán)水泵熱效應(yīng)的影響，這兩項(xiàng)數(shù)值與漏熱量接近，甚至大于漏熱量。由此可見，從測(cè)量原理就可以確定，GB/T 21362-2008的測(cè)量方法本身已經(jīng)不可能保證測(cè)試結(jié)果滿足標(biāo)定誤差為4 %以下的要求。

3 改進(jìn)方法

為解決水箱所處的環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，提出以下兩個(gè)解決方案。

圖1 機(jī)組能力隨測(cè)試水箱環(huán)境溫度變化曲線

圖2 蓄熱水箱壁面溫度變化曲線

1）將蓄熱水箱安裝在測(cè)試房?jī)?nèi)，使機(jī)組與水箱在恒定溫度下進(jìn)行能效測(cè)試。對(duì)于非低溫型熱泵，可將機(jī)組與水箱同時(shí)放置在標(biāo)準(zhǔn)工況下進(jìn)行檢驗(yàn)；對(duì)于低溫型熱泵，則需將機(jī)組與水箱放置于兩個(gè)測(cè)試房，分別對(duì)個(gè)房間進(jìn)行環(huán)境溫度的控制。該方法通過對(duì)水箱安裝環(huán)境溫度的監(jiān)控，大大降低環(huán)境因素引入的影響，從而提升測(cè)量結(jié)果的一致性。

2）針對(duì)環(huán)境溫度的影響，采用更為精準(zhǔn)的系統(tǒng)漏熱修正計(jì)算模型。由于測(cè)試軟件漏熱量的計(jì)算存在不足，本文借鑒GB 25034-2010《燃?xì)獠膳療崴疇t》條款7.7.2.3.1.3中測(cè)試待機(jī)損失的方法[6]，并對(duì)其改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)蓄熱水箱在自然對(duì)流條件下的熱量損失與溫差的1.25次方成正比，公式為：

式中：

QL—漏熱量，W；

Δt— 熱水與環(huán)境間的溫差，℃；

K—漏熱系數(shù)，W/℃。

實(shí)驗(yàn)室使用標(biāo)定裝置進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證，結(jié)果顯示，不同環(huán)境溫度下計(jì)算得到的K值基本一致。該測(cè)量方法依據(jù)的集中參數(shù)法傳熱原理分析，對(duì)內(nèi)外環(huán)境傳熱溫差給予合理修正，有效解決水箱所處環(huán)境溫度變化而帶來的影響[2][4]。且該方法不需耗費(fèi)額外測(cè)試資源，相比其他方法更值得參考與推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

GB/T 21362-2008所規(guī)定的能效檢測(cè)方法中關(guān)于系統(tǒng)蓄熱和漏熱的測(cè)量方法存在缺陷，而且忽略了循環(huán)水泵自身的熱效應(yīng)影響。從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部比對(duì)及每年檢測(cè)機(jī)構(gòu)組織的能效一致性核驗(yàn)活動(dòng)來看，按照現(xiàn)行的檢驗(yàn)方法無法解決測(cè)量數(shù)據(jù)一致性的問題。

本文通過測(cè)量分析，指出系統(tǒng)漏熱的測(cè)量重復(fù)性差主要受蓄熱水箱所處的環(huán)境溫度影響，并提出測(cè)試過程必須增加對(duì)于水箱環(huán)境溫度的監(jiān)控。另外，針對(duì)系統(tǒng)熱計(jì)算模型的研究，筆者借鑒標(biāo)準(zhǔn)GB 25034-2010中待機(jī)漏熱測(cè)試方法并進(jìn)行改進(jìn)，提出更為合理的系統(tǒng)漏熱修正計(jì)算模型。該方法計(jì)算模型基于集中參數(shù)法傳熱原理，經(jīng)多年試驗(yàn)實(shí)踐已得到肯定，且該方法不需耗費(fèi)額外測(cè)試資源，更適合企業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部推廣使用。同時(shí)，解決熱泵熱水機(jī)能效檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性問題，除了要對(duì)系統(tǒng)漏熱測(cè)量方法完善，還需要糾正GB/T 21362-2008中關(guān)于蓄熱量、循環(huán)水泵熱影響計(jì)算錯(cuò)誤等問題。因此，建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)應(yīng)充分考慮這些問題。