空氣源熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)分析與實驗

姜昆，劉穎，王芳，王祥，姜莎

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

空氣源熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)分析與實驗

姜昆*，劉穎，王芳，王祥，姜莎

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

文章提出一種熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的方案，并對影響熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的因素進行了分析。該方案將熱泵熱水器全年運行工況分為高、中、低三個區間，計算得出各個溫度區間在全年范圍中的比重，以及各個溫度區間的平均發生溫度，將計算出的平均溫度作為測試工況，測試系統COP，最后經過加權計算，得出熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)。對該方案進行的實驗驗證證明，全年綜合能效（ACE）能夠考慮環境溫度對機組性能的影響，即能反映了熱泵熱水器夏季時的高效率，也能反映了冬季時機組性能受影響較大的情況。

空氣源熱泵熱水器；全年綜合能效（ACE）；能效比（COP）；性能測試；R417A

0 引言

隨著國民經濟的不斷發展，人名生活水平不斷提升，家用及商業用熱水的需求量也在逐年增加。近幾年，由于熱泵型熱水器在節能、安全、環保等方面展露出其獨具的優越性，已經顯示出巨大的市場潛力[1]。然而在有關熱泵熱水器能效的定義方面，國標GB/T 21362-2008《商業或工業用及類似用途的熱泵熱水機組》[2]中仍然以COP作為標準，市場上銷售的熱泵熱水器產品也采用標準工況下的COP值來區分產品能效的高低以及性能的優劣。然而熱泵熱水器全年都在運行，實際運行工況與國標中規定的標準工況相差較大，只有少數時間在標準工況附近運行。因此，熱泵熱水器的 COP不能充分反映機組能效情況和產品的性能，更不能反映其在全年時的綜合能耗。

另外，由于制冷行業技術的進步以及國家節能減排相關政策的推進，在對產品能效要求提高的同時，對產品在全年整個運行周期的能耗的關注也不斷加強?？疾楫a品是否節能，并不只取決于實驗工況條件下機組的 COP值，而應該聯系產品在實際使用中的特點和所處的運行環境來綜合評價。因此，國標制定了關于熱泵空調器的季節能效比（SEER）[3]和冷水(熱泵)機組的綜合部分負荷系數（IPLV）[4]來衡量機組的綜合性能。熱泵熱水器在全年范圍內使用，受氣候環境的影響較大，不同季節時機組運行工況差別較大，因此，更需要一個能反映機組全年運行性能的評判標準來合理評價機組的性能，為產品比較提供依據。相比于上述兩種能效評定方法，全年綜合能效 (Annual comprehendsive efficiency，簡稱ACE) 概念能更合理的反應機組在運行時的能耗狀態，更加清晰的表明不同產品間的優劣。研究熱泵熱水器全年綜合能效能，可以更加直觀反映地不同熱泵熱水器的能效情況，更加具有可比性，同時有利于市場進一步向高能效產品轉換。

1 熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)影響因素分析

熱泵熱水器的使用情況和特點具有多樣化，影響其全年能效(ACE)的因素較多，主要分為個人因素、自然因素和設計因素。分析各個因素與機組性能的相關性對研究系統的全年綜合能效(ACE)有較大幫助。

(1)室外氣候變化對機組性能的影響；

室外氣候影響屬于自然因素，根據文獻[9]中的測試數據可知，系統 COP隨環境溫度變化較大，夏季溫度較高時的COP為冬季低溫時的兩倍左右。

(2)用水量大小對系統能效的影響；

用水量屬于個人因素，根據文獻[5]總結得出，同一熱泵熱水器機組，室外環境條件相同的情況下，系統水箱的容量不同時，將水箱水溫加熱到標準溫度，機組的 COP各不相同。機組的整體性能會隨著水箱容量的增大而降低，水箱容量大，達到標準溫度所需的熱量多，機組制熱量大，機組冷凝器處在高溫狀態時間也較長，機組COP較低。

(3)水箱溫度設定對系統能效的影響；

設定的出水溫度越高，系統循環的高溫熱源溫度越高，機組最終所處的冷凝壓力與溫度越高，低溫熱源溫度不變，使得高低溫熱源溫差越大，分析循環的壓焓圖可知，設定出水溫度越高，壓縮機的輸入功率越大，機組的制熱效率越低。

(4)水箱補水方式[6]及漏熱系數對系統能效的影響；

空氣源熱泵熱水器制熱性能系數受蒸發溫度和冷凝溫度的影響較大，而機組不同的補水方式，導致進出系統冷凝器的熱水溫度的不同，也就造成系統冷凝溫度的不同，最終影響到機組的制熱性能。另外，水箱的熱水溫度始終是高于環境溫度，與環境存在換熱溫差，因此機組會有一定的熱量損失，國標中對水箱的漏熱系數的測量與大小有具體要求。

2 熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的綜合分析

分析影響熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的因素，其中，設計因素對系統影響較為固定，在產品設計、生產過程中確定；個人因素對系統影響較難確定，但用水量的大小對系統的影響主要反映在機組水箱的選取上，自然因素對機組性能的影響主要體現在氣候溫度的變化上，由于全年氣候變化較有規律，所以自然因素對系統性能的影響也具有規律性。因此，熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)可以看作是設計因素、個人因素及自然因素的函數：

式中：

α— 不同的補水方式引起的修正系數；選取集中式補水方式為 1，其他補水方式可根據經驗取得；

β— 不同的容量水箱引起的修正系數；以100L水箱容量為參照，其他容量水箱可由實驗或經驗取得；

T1— 室外干球溫度，℃；

T2— 室外濕球溫度，℃；

T3— 水箱補水溫度，℃；

T3=f(T1,T2,L)；L為補水管路的長度，m。

T4— 設定水箱出水溫度，℃，

因此可以對一臺熱泵熱水器在不同的氣候環境下的性能進行測試，分析所得數據中機組運行時COP與環境的干、濕球溫度等各個影響因素之間的關系，再通過擬合的方式得 ACE的計算公式。但這種方式所需數據量較大，數據不夠充分時，擬合出的函數精確度較低，不具備通用性，另外，大量數據的獲取是建立在大量精確實驗的基礎上，所需時間和精力也較多。筆者認為可以借鑒 IPLV和SEER概念，將熱泵機組整個運行情況分為幾種不同的負荷情況，計算加權得出各個不同的負荷情況在整個運行過程中所占比例系數，然后測試各個負荷工況下冷水機組運行的性能系數COP，最后得出該冷水機組的綜合性能系數，具體如（2）式所示；

式中：

ACE — 空氣源熱泵熱水器全年綜合能效比；

η、λ、γ—高溫、中溫、低溫區所占全年運行時間的比例系數；

a、b、c—分別為高溫、中溫、低溫工況下熱泵熱水器的平均能效比COP。

國標 GB/T7725-2004《房間空調器調節》[7]在定義家用空調的季節能效比（SEER）時，將我國劃分為制冷和制熱兩種工況，并統計了兩種工況下部分溫度的發生時間。根據該數據以及分析空氣源熱泵熱水器的使用特點，將全年空氣源熱泵熱水器的運行工況分為三個區：A—高溫區（24℃-38℃），B—中溫區（17℃-23℃），C—低溫區（-9℃-16℃），如表1所示，各溫區發生時間占全年（按365天計算）運行總時間的比例為：高溫區27.4 %、低溫區41.1 %、中溫區31.5 %，其中高溫和低溫區的部分溫度發生的時間長短分別如圖1和圖2所示。

表1 各個溫區的時間總和及占全年時間比例

圖1 高溫區部分溫度的發生時間

圖2 低溫區的部分溫度發生時間

根據以上分析和總結，結合 IPLV的計算式，可定義空氣源熱泵熱水器全年綜合能效比的計算式如下：

合理的得出各個溫度區內熱泵熱水器的平均綜合能效比a、b、c是計算全年綜合能效(ACE)的關鍵。分析高溫區A、低溫區C各個溫度發生時間的特性，將高、低溫區中溫度發生分別看作為離散型隨機事件 X、Y，根據國標[7]中的數據計算出各溫度在該溫度區內的發生的概率 P、Q，計算結果如圖3和圖4所示，由離散變量期望的計算公式可得低溫區溫度發生的平均溫度E(X)：

式中：xi— 低溫區溫度發生的各個溫度；

pi— 各個溫度對應的發生概率。

代入表中數據可計算：E(X)= 5.8765；同理，計算高溫區溫度發生的平均溫度：E(Y)= 27.7153。

分別取整得：E(X)= 6，E(Y)= 28。即高、低溫區溫度發生的平均溫度分別為28℃、6℃。

圖3 高溫區部分溫度的發生概率

圖4 低溫區部分溫度的發生概率

由于中溫區暫時還沒有較為權威的數據可供參考，但中溫區溫度劃分為 17℃-23℃，分區跨度較小，溫度分布較為集中，因此，可取其平均值20℃作為中溫區溫度發生的平均溫度。

綜上分析和計算，可得出高、中、低溫區所對應的平均溫度分別為 28℃、20℃、6℃，因此，確定A、B、C值的測試工況如表2示。

表2 熱泵熱水器綜合能效測試工況

根據表2中給出的工況，分別測試機組在各個工況下的運行性能COP值（即A、B、C的值），帶入式（3）可計算該熱泵熱水器全年綜合能效（ACE）。也可通過機組的COP隨環境溫度變化的曲線查出A、B、C的值后計算得出。

3 熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的實驗驗證

根據國標中對空氣源熱泵熱水器性能測試的要求，結合實驗研究的目的，將實驗測試裝置置于多功能人工環境室中，利用多功能人工環境室來模擬室外環境的改變，從而測試不同環境工況下機組的運行性能（測試工況見表 2）。所選用熱泵熱水器為上?？泼捞毓咎峁┑囊慌_ 1.5匹熱泵熱水器，機組使用替代工質R417A，采用內置式盤管換熱器，機組的主要參數如表3所示。測試機組的結構示意圖如圖5所示。

表3 測試熱泵機組的主要參數

圖5 待測熱泵熱水器機組改裝示意圖

測試結果如圖6所示。由圖可以看出，夏季時機組運行的 COP要遠遠大于冬季時，也充分說明用單一工況時機組的 COP值來反映熱泵熱水器在全年周期內的運行性能是不合理的。

圖6 不同環境溫度熱泵機組的運行性能

分析圖6得出，干球溫度6℃時機組COP=2.8；干球溫度20℃時機組COP=3.7；干球溫度28℃時機組COP=4.4；即A=4.4，B=3.7，C=2.8。代入式（3）可以得出ACE值為3.53。

從計算結果看，樣機的全年綜合能效較為合理，充分考慮環境溫度對機組性能的影響，即反映了熱泵熱水器夏季時的高效率，也反映了冬季時機組性能受影響較大的情況。

文章提出全年綜合能效方案在一定程度上彌補了采用標準工況能效比在季節差異上的不足，但是方案的計算方法還存在不合理之處，影響熱泵熱水器性能的因素較多，本文做了適當簡化，結果建立在初步計算和實驗的基礎上得出，且在計算各個溫區的平均溫度時存在一定誤差，特別是在低溫區平均溫度計算過程中， 考察的溫度下限為-6℃，比通常熱泵熱水器的冬季運行最低溫度要低 5℃左右，另外式（3）計算出的結果增加了冬季低溫時比重，使結果有一定誤差。因此，需要對空氣源熱泵熱水器的具體運行情況和氣候環境間的耦合關系作進一步分析，從而制定出更加合理、精確的方法來衡量熱泵熱水器在全年范圍內的綜合能效。

4 結論

(1) 對影響熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的因素進行了分析，并分析了各個因素對熱泵熱水器能效的具體影響；

(2) 參照 IPLV概念并結合概率和加權理論的提出一種計算熱泵熱水器全年綜合能效(ACE)的方案；

(3) 對該方案進行了實驗驗證，實驗分析證明該方案具有一定的合理性，能夠考慮環境溫度對機組性能的影響，即反映了熱泵熱水器夏季時的高效率，也反映了冬季時機組性能受影響較大的情況。

[1]吳靜怡,江明旒,王如竹,等. 空氣源熱泵熱水機組全年綜合能效評定[J]. 制冷學報, 2009,(5): 14-18.

[2]中國國家標準化管理委員會. GB/T 21362-2008商業或工業用及類似用途的熱泵熱水機組[S]. 2008.

[3]鄭賢德. 制冷原理與裝置[M]. 機械工業出版社. 2006.

[4]薛殿華. 空氣調節[M]. 清華大學出版社, 2006.

[5]Hiller CC, Lowenstein AI, Merriam RL. Detailed water heating simulation model[J]. In: ASHRAE Trans. 1994,100(1): 948-954.

[6]黎恢山,江永新等. 空氣源熱泵熱水系統補水方式對機組制熱性能系數的影響[J]. 給水排水,2008,5(34):197-200.

[7]中國國家標準化管理委員會. GB/T7725-2004房間空調器調節[S]. 2004.

[8]馬一太,劉秋菊,劉圣春. 空調能效比發展趨勢的研究[J].制冷與空調,2007,6(3):10-13.

[9]賈榮林. 空氣源熱泵熱水器中 R417A的應用及電子膨脹閥控制特性研究[D]. 上海交通大學,2009.

Annual Consolidated Energy Efficiency (ACE) Analysis and Experimentals on Heat Pump Water Heater

JIANG Kun*, LIU Ying, WANG Fang, WANG Xiang, JIANG Sha
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai University for science and technology, Shanghai 200093)

Annual consolidated energy efficiency (ACE) program was proposed in this paper, and the factors that would affect the annual consolidated energy efficiency were analyzed. The running conditions of HPWH in one year were divided into high, medium and low ranges according to this program, the proportion of each temperature range and the average temperature of each range were calculated respectively throughout one year time, the COP of system was tested according to the average temperature, and the value of the ACE was calculated by means of weighted. The experimental study verified that ACE program could reflect the impact of the environmental temperature on the unit performance. The high efficiency in summer running condition and low efficiency in winter running condition were both reflected in this program.

HPWH; ACE; energy efficiency; experiments; R417A

*姜昆，男（1987-），碩士在讀，上海市楊浦區軍工路516號上海理工大學制冷及低溫工程專業，研究方向：熱泵，制冷及空調系統測試與優化，13601839495，E-mail：jiang_kun2010@163.com。

上海市重點學科建設資助項目（S30503）；上海市研究生創新基金項目（JWCXSL1102）。

本論文優選自中國制冷學會2011年學術年會論文。