空气源热泵热水器性能测试及运行评价研究

2018-01-26由世俊孙颖楷李志强

流体机械 2017年10期

王宇，由世俊，孙颖楷，李志强

（1.天津大学，天津 300072；2.广东万和新电气股份有限公司，广东佛山 528305）

1 前言

空气源热泵在开采低品位可再生能源方面具有重要作用，特别在压缩燃煤治理雾霾的推动条件下，空气源热泵替代中小燃煤锅炉供热的实施过程中，空气源热泵行业将以较高速度增长，成为我国稳增长调结构促改革的重要组成部分。推广空气源热泵技术将在改善大气环境质量方面起到关键的作用［1，2］。空气源热泵热水器作为相对于电热水器、燃气热水器、太阳能热水器的第四代热水器，因其自身的节能、环保潜力而受到广泛关注。与其运行性能相关的因素主要为空气侧换热工况和冷凝换热工况，前者与设备在运行周期内用户所处地区气候特征相关，后者与蓄热水箱状态相关，主要涉及热水温度设定、用水负荷大小。设备运行的能效评价应该关注其具体的运行工况变化，并需要考虑不同气象条件下加热过程、用水过程的运行性能，结合不同气候区域特征的典型用水情况进行综合能效评价［3～5］。本文旨在通过空气源热泵热水器的变工况性能测试，结合基本热水使用需求进行典型气候特征条件下的运行能效综合分析，为该类热水器性能评价提供借鉴，为空气源热泵热水装置的合理选型提供参考。

2 空气源热泵热水器性能测试

2.1 测试装置

热泵热水器性能测试的试验，通常按照GB/T23137-2008《家用和类似用途热泵热水器》中规定的试验方法、参数规定、仪表精度要求在焓差试验室内进行，测试装置结构如图1所示［6～9］。

图1 热水器测试装置基本结构

试验样机采用额定制热量5200 W的循环加热式空气源热泵热水器，配备300 L水箱。室外环境房间设置被测热泵热水机组，配备的水箱设置在室内环境房间。空气源热泵热水器性能测试中的环境温度及水箱初始温度可以进行调控，室外环境房间环境工况通过采用制冷机组除湿、降温，加湿及电加热补偿来调控维持环境参数；通过冷水机组及电加热补偿调整并维持水箱的进水温度。

2.2 测试方案

热泵热水器的性能主要体现在热水制备过程中的制热量与耗电量相比的能效系数，该指标在不同运行工况下会出现差异，不同标准对于性能测试方法主要差异也体现在运行工况的要求上。

GB/T 23137-2008中规定，热泵热水器整机处于20 ℃的环境温度下进行能效测试，能效测评为热水机组将水箱蓄水温度从15 ℃加热到55 ℃过程中的水箱水温升获取的热量与整机输入电量的比值。显然，水温在15 ℃时热泵热水器的能效将远高于高水温如50 ℃时的能效，而用户使用的区间大部分处于35-55 ℃之间的高水温阶段，此时按照国标的测试方法计算出的能效不能体现热泵热水器的客户在使用过程中的真正能效。EN16147-2011中［12］，热泵热水器的性能测试阶段如图2所示，其中A阶段是加热温升期，将一水箱10℃水加热至自动停机，一般大于55℃，记录该阶段所用时间与耗电量；B阶段为待机耗电测试；C是用水阶段性能测试，D是最大可用热水量阶段，E是使用温度范围阶段，F阶段是安全试验阶段，C阶段正是欧盟考察的用水过程中热水器性能的试验阶段，其测试方式为根据常规家庭一天24h的热水使用目的和习惯（包括放水时刻、放水量、放水温度、流速等）制定最能模拟用户使用习惯的放水模式，测试用水周期内获取的有效热量、耗电量，并通过二者之比确定使用中的性能系数［10，11］。

图2 欧盟标准对于热泵热水器性能测试的试验阶段

相对于我国标准，欧盟标准侧重实际使用过程中机组的性能体现，但测试周期长，放水过程流量控制精度要求高，测试成本较高。我国能源行业标准NB/T34027-2015对于空气源热泵热水器的测试方法考虑到用水的工况，并结合现有热水使用情况进行了简化，按照水箱容量大小确定用水的最大流量，测试水箱温度在加热至55℃开始放水，温度降低至45℃时停止放水，等待机组再次将水箱温度加热至55℃再放水至45℃，记录一个用水周期内的制热量、耗电量并决定改用水周期的能效系数，评价该测试环境下机组的性能［13］。本文开展的测试方案即参照能源行业标准进行，如表1所示。

表1 空气源热泵热水器性能测试方案

与测试工况相关的性能指标主要包括：制热量H、制热能力Q、耗电量E、耗电功率P、能效系数COP。

式中 H—— 加热过程中水箱温度升高至停止加热所制备的热量，kg

V——水箱容积，m3

ρ——水密度，kg/m3

c——比热，kJ/（kg·℃）

tE，tI——加热初始、终止温度，℃

Q——制热能力，W

τE，τI——加热初始、终止时间，s

E——消耗电能，kW·h

P——耗电强度，W

3 测试工况分析

3.1 热泵制热过程主要指标

初步加热阶段热泵热水器性能指标如表2所示。环境温度设定在30和20 ℃时，对应水箱进水温度控制在15 ℃，代表非寒冷季节的运行工况环境条件和给水条件；环境温度设定在7，2，-7 ℃时，对应水箱进水温度控制在9 ℃，代表寒冷季节的运行工况环境条件和给水条件。制热量选定容积的水箱在初始水温加热至设定水温（55 ℃）热泵机组提供的热量，对于两个季节的代表测试条件，制热量是基本一致的。而热泵机组耗电量和制热能力根据环境条件及水箱温度的变化有不同的体现，随着环境温度降低，加热过程所需时间有大幅度上升，反映在制热能力上是依次降低，加热过程的能效系数也依次降低。

表2 初步加热测试工况下热泵热水器测试指标

3.2 热泵运行能耗及能效变化特征

图3描述了初步加热阶段热泵热水机组耗电功率随水箱温度升高的变化情况。图中明显可以看出，机组耗电功率随水箱温度升高呈现较好的线性升高变化趋势，变化幅度随环境温度的降低而减小。主要原因在于水箱温度约束着热泵机组中冷凝器的换热状况，水温升高，冷凝温度升高，即要求工质在压缩机出口压力升高，功耗逐步增加；环境温度约束着热泵机组中蒸发器的换热状况，影响到热力循环中压缩机的进气量，较低环境温度下进气量减少，同样的做功条件下，可以保证冷凝换热条件下的工质温度较低，进而体现在较低环境温度下，同一水箱温度的功耗较小。

图3 不同环境条件下热泵热水机组耗电功率随水箱温度变化情况

图4反映了初步加热阶段热泵热水机组能效系数随水箱温度升高的变化情况。能效系数为水箱平均温度变化1 ℃过程中制热量及耗电量之比。可以看出，20 ℃以上的环境条件下，保证45 ℃用水需求时，机组COP均在3以上，尤其对于30 ℃以上环境条件，提供50℃用水需求也可保证COP在4以上；2 ℃及以下的环境条件，热泵热水机组运行伴随除霜运行，能效系数及其变化趋势相近，保证40 ℃用水需求时的COP维持在2左右。总体而言，该类热水器在非寒冷季节为主的气候区，运行性能优越，而在寒冷季节为主的地区，运行性能明显变差。

图4 不同环境条件下热泵热水机组能效系数随水箱温度变化情况

3.3 用水周期内热泵制热时间及运行能效

不同环境条件下，放水加热测试工况的2个用水周期内制热时间及能效系数变化如图5所示。用水加热测试工况主要记录了连续2个用水后水箱加热至55℃的周期内的加热时间、耗电量、制热量，进而确定能效系数。其中制热量的确定是根据放水后热泵机组启动加热至停机水箱平均温度升高程度确定。对于循环加热式热泵热水器，放水过程水箱温度分层明显，机组置于水箱的温度传感器感测到低于启动设定温度时候，开启水泵，而后启动压缩机制热，因而在出水温度降至停止放水之后，由于循环水泵的启动，水箱内部混合后的水温低于停止放水时出水口温度，根据这个过程中水箱平均温度的最低值和机组停止加热时水箱平均温度的差确定制热量。图5中COP1、COP2分别代表第一个和第二个用水周期内的制热能效系数，就数值而言，相比表2中的测试结果均有一定程度降低，非寒冷季节用水过程中机组能效系数可维持在3以上，寒冷季节用水过程的能效系数可维持在2左右。

图5 用水加热测试工况2个用水周期的制热时间及机组能效系数变化

4 空气源热泵热水器全年运行能效综合评价

影响空气源热泵热水器全年运行综合能效的因素诸多，除了热泵运行的环境温度条件、用水量、启停温度测点位置及温差设置，地理区域的差别也有很关键作用。在分析全年运行综合能效时，需要对一些影响条件作出规定或假设，便于建立在规一化条件下的评价分析方法。

4.1 全年运行能效综合评价方法

本文采用的评价分析方法考虑到以下方面［15～22］：（1）用户每天热水使用量相同，最多使用加热至55℃的一箱热水，且用热负荷需求按照热泵机组额定制热量进行规定。（2）按照表1用水加热测试工况确定的技术指标作为全年运行能效综合分析的依据。（3）根据中国建筑环境分析专用气象数据集汇总数据，采用标准年日平均气温统计，划分5个温区（t≤－7 ℃，－7℃＜t≤5℃，5 ℃＜t≤10 ℃，10 ℃＜t≤25 ℃，t＞25 ℃），分别以表1测试工况的环境干球温度表征某个温区的运行情况。（4）标准年日平均气温5 ℃及以下为寒冷季节，标准年日平均气温5 ℃以上为非寒冷季节，采用不同的用水频度系数。（5）根据日额定热水使用量确定的日热水制热量及当日标准年平均温度所在温区运行能效的表征值确定日耗电量，进而根据所在地区不同温度区间的对应天数确定机组全年运行耗电量，根据所在地区寒冷季节及非寒冷季节的天数分布确定全年运行制热量，最终确定全年运行综合能效。

所划分温度区间内表征温度工况下机组的制热量、耗电功率选取图5所示连续2次用水周期测试过程中的平均值，机组能效系数为二者之比。结果如表3所示。

表3 全年日平均气温区间划分及表征温度下机组运行技术指标

全年运行综合能效系数为：

式中 kv—— 用水频度修正系数，非寒冷季节用水系数取1，寒冷季节取0.5

Qd—— 日制热量，具有4kW以上额定制热量的机组，日制热量为12 kW·h

tV——各温度区间累计天数

Wd—— 日耗电量，kW·h，Wd=Qd/COPd

4.2 典型地区全年运行能效分析

表4为被测热泵机组在3个典型地区（寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区）的全年运行能效的分析结果，其中寒冷地区的年运行能效也达到2.97，考虑到综合发电输电效率接近35%，其一次能源利用率为1.04，相对于电热水器也体现出优越的性能。总体而言，夏热冬暖地区最具适用性，其他两个地区也相对电热水器有很好的推广潜力。

5 结论与建议

（1）环境条件及水箱温度是影响空气源热泵热水器运行性能的重要因素，通过不同环境条件下热泵加热过程的测试分析可以确定该类热水设备的制热能力及运行过程中相关性能指标变化特征：高温环境下，空气源热泵热水器制热能力、耗电功率、能效系数均高于低温环境下的运行情况；低环境温度下，空气源热泵热水器能效系数随水箱温度变化的趋势接近。

（2）空气源热泵热水器在用水加热过程相对于初步加热过程的运行能效偏低，由于用水加热过程水箱温度高于初步加热过程，但能够体现设备使用过程中的运行情况，应当作为运行工况性能评价依据。

（3）按照标准年日平均温度分布划分相应区间，根据相应温度区间内热泵热水器运行能效确定其耗电量，结合日用水制热量确定全年运行能效能够反映出地域差异对设备全年运行能效的影响；对比寒冷地区、夏热冬冷及夏热冬暖地区分析的结果可以看出，夏热冬暖地区最具适用性，而前两个地区也相对电热水器有很好的推广潜力。

关于全年运行的综合能效评价，若要更贴近实际，需要考虑日用热规律以及进水温度在不同温度区间的分布对于日制热量造成的影响；同时需要考虑温度区间划分的个数及表征环境工况点的选取；再者，需要考虑机组额定制热量与水箱容积的匹配。进一步为热水供应系统的设备合理选型及优化设计提供指导。

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