寧夏地區(qū)空氣源熱泵熱水器性能測(cè)試及分析

董 娟 余 杰

（1.銀川能源學(xué)院電力學(xué)院，寧夏 銀川 750105；2.中建安裝集團(tuán)有限公司華西分公司，陜西 西安 710000）

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，生活熱水的需求量越來(lái)越大，生活熱水能耗大幅度增長(zhǎng)，這給城鎮(zhèn)建筑節(jié)能帶來(lái)巨大的壓力[1]。由于空氣源熱泵熱水器具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在全國(guó)范圍內(nèi)空氣源熱泵的推廣得到政府政策的大力支持[2]。因此，開(kāi)展寧夏地區(qū)空氣源熱泵熱水器的性能測(cè)試，分析其影響因素，提高系統(tǒng)總體性能的研究就顯得尤為重要了。

1 空氣源熱泵熱水器的工作原理

熱泵熱水器以供應(yīng)居民洗澡、廚衛(wèi)洗涮、洗衣等方面的生活熱水為目的，按熱源種類不同分為空氣熱源、水熱源、土壤熱源、太陽(yáng)能熱泵熱水器等；按熱源數(shù)量來(lái)劃分有單熱源和多熱源熱泵熱水器?？諝庠礋崴魇悄壳凹夹g(shù)比較成熟，應(yīng)用廣泛的熱泵技術(shù)，主要利用電能驅(qū)動(dòng)制冷劑進(jìn)行熱力循環(huán)，發(fā)生相變換熱從空氣中吸收熱量來(lái)加熱水[3]。由于空氣資源豐富，有空氣的地方就有熱量，加上空氣流動(dòng)性好，使用便捷、節(jié)能環(huán)保，所以空氣源熱泵使用很廣泛。圖1是熱泵的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，圖2是空氣源熱水器的系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程。

根據(jù)圖1和圖2，結(jié)合熱力學(xué)第一定律可以看出來(lái)，從環(huán)境吸收熱量Qk，消耗電能W和熱水吸收熱量Qd具有以下關(guān)系,如公式（1）所示。

圖1 熱泵的能量轉(zhuǎn)換

圖2 系統(tǒng)循環(huán)示意圖

空氣源熱泵熱水器的性能系數(shù)COP指的是制熱量與輸入功率的比值[4]，即

從式（2）可以看出，性能系數(shù)COP的值總是大于1，因此熱泵熱水器可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

2 性能測(cè)試

2.1 測(cè)試方案

根據(jù)GB/T23137-2008對(duì)某寧夏地區(qū)5000W額定制熱量，水箱容積200L的空氣源熱泵熱水器進(jìn)行能效測(cè)試，將水箱里面的水從15℃加熱到60℃。熱泵熱水器性能測(cè)試階段的溫度變化如圖3所示，圖中所示A階段屬于加熱溫度逐漸上升的階段，水箱里面15℃的水處于一直加熱狀態(tài)直到機(jī)器停止，通常情況下這時(shí)的溫度都會(huì)在55℃以上，同時(shí)記錄下這個(gè)階段所需要的時(shí)間和電量；B階段重點(diǎn)對(duì)機(jī)器不工作時(shí)所消耗的電量進(jìn)行測(cè)量；C階段測(cè)試用水性能，D階段測(cè)試的是熱水量的最大使用情況，E階段測(cè)試溫度范圍，F(xiàn)階段測(cè)試安全性能。筆者考察重點(diǎn)就在C階段，主要對(duì)熱水器性能進(jìn)行測(cè)試，選擇的測(cè)試方法是以普通家庭每天使用熱水的情況（其中包括了放水量、時(shí)間、溫度以及速度等）為基本參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些條件的判斷來(lái)選擇用戶習(xí)慣的放水模式，以此來(lái)得出耗電量以及制熱量的具體數(shù)據(jù)，然后根據(jù)它們的比例來(lái)確定性能系數(shù)[5]。

圖3 熱泵熱水器性能測(cè)試階段圖

歐盟標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)組性能的要求比較高，但是如果測(cè)試的時(shí)間比較長(zhǎng)的話，就需要將水流量的精度提高，這樣整體下來(lái)成本也比較高。相比于歐盟標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)我國(guó)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)NB/T34027-2015來(lái)測(cè)試空氣源熱泵熱水器，需要針對(duì)水的使用情況來(lái)決定，并根據(jù)熱水目前的使用情況對(duì)測(cè)試方法去簡(jiǎn)化處理，選擇合適的水流量。水箱里的水加熱到55℃時(shí)可以進(jìn)行放水，當(dāng)溫度調(diào)整到45℃時(shí)不再放水，等機(jī)組把水溫加熱到55℃時(shí)再執(zhí)行放水動(dòng)作，在這周期內(nèi)記錄好所需要的耗電量以及制熱量，再判斷系統(tǒng)的能效系數(shù)，通過(guò)該測(cè)試來(lái)對(duì)機(jī)組性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。

2.2 測(cè)試工況分析

2.2.1 熱泵制熱過(guò)程性能測(cè)試

剛開(kāi)始進(jìn)行加熱時(shí)，熱泵熱水器的性能指標(biāo)如表1所示。當(dāng)設(shè)定的環(huán)境溫度處于20℃~30℃時(shí)，水箱里的溫度維持在14℃左右，這表明了水箱在非寒冷季節(jié)的情況下所需要的給水條件以及運(yùn)行工況；當(dāng)設(shè)定的環(huán)境溫度達(dá)到9℃，2℃，-5℃的時(shí)候，水箱的進(jìn)水溫度需要保持7℃，這表明了寒冷季節(jié)環(huán)境下水箱的給水條件以及運(yùn)行工況。根據(jù)水箱的相應(yīng)容積，將水溫增加至設(shè)定溫度（55℃），熱量由熱泵機(jī)組所提供，此時(shí)測(cè)試2個(gè)季節(jié)環(huán)境下的制熱量。由于環(huán)境以及水箱溫度的不同，熱泵機(jī)組的耗電量以及制熱能力有不一樣的體現(xiàn)形式，環(huán)境溫度在下降的同時(shí)需要的加熱時(shí)間在增加，而制熱能力則是在逐漸下降，能效系數(shù)也處于不斷降低的狀態(tài)。

表1 加熱測(cè)試工況下熱泵熱水器測(cè)試指標(biāo)

2.2.2 熱泵運(yùn)行能耗測(cè)試

加熱初期空氣源熱泵熱水器隨水箱溫度增加，耗電功率如圖4所示。通過(guò)圖4可以看到系統(tǒng)耗電功率隨著水箱溫度的上升而上升。

圖4 不同環(huán)境溫度下耗電功率隨水箱溫度變化圖

能效系數(shù)COP指的是水箱溫度變化1℃所產(chǎn)生的制熱量與耗電量之間的比值。加熱初期系統(tǒng)能效系數(shù)隨著水箱溫度變化如圖5所示。通過(guò)圖5可知，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，系統(tǒng)COP較高，特別是環(huán)境溫度在20℃以上且水溫保持45℃時(shí)COP維持在3以上；當(dāng)溫度低至2℃或者更低時(shí)，熱泵熱水機(jī)組會(huì)開(kāi)啟除霜功能，能效系數(shù)基本不會(huì)有太大的變化，水溫40℃時(shí)COP也會(huì)停留在2左右。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種類型的熱水器如果處于非寒冷季節(jié)時(shí)是有較強(qiáng)的運(yùn)行性能，但是當(dāng)處于寒冷季節(jié)時(shí)，它的運(yùn)行性能就會(huì)有所下降。

圖5 不同環(huán)境溫度下機(jī)組能效系數(shù)隨水箱溫度變化圖

3 空氣源熱泵熱水器性能分析

3.1 環(huán)境溫度對(duì)空氣源熱泵熱水器的影響

如圖6、圖7所示，環(huán)境溫度直接影響空氣源熱泵熱水器的性能。在熱泵耗電量和運(yùn)行時(shí)間方面，隨著環(huán)境溫度的升高，兩者處于下降的趨勢(shì)；相反，隨著環(huán)境溫度的下降，熱泵COP、熱泵產(chǎn)熱水量呈現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是環(huán)境溫度升高，蒸發(fā)器需要從周?chē)諝庵形崭嗟臒崃縼?lái)滿足對(duì)流的需要，這樣在水箱容積不變情況下，熱泵系統(tǒng)在耗電及運(yùn)行時(shí)間方面，會(huì)隨著蒸發(fā)溫度的升高出現(xiàn)相應(yīng)減少的趨勢(shì)，而系統(tǒng)產(chǎn)熱水量和COP則會(huì)呈現(xiàn)出增大的現(xiàn)象。

圖6 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)耗電量和運(yùn)行時(shí)間的影響

圖7 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)熱水量和COP的影響

3.2 水箱容積對(duì)熱水器的影響

該實(shí)驗(yàn)在18℃水箱初始溫度，20℃環(huán)境溫度條件下對(duì)熱泵熱水器的性能進(jìn)行分析。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)保持其他參數(shù)不發(fā)生變化，把水箱溫度從18℃加熱到55℃時(shí)，水箱有較好的保溫效果，漏熱系數(shù)也趨向穩(wěn)定。當(dāng)把水箱的容積從80L增加至200L時(shí)，水箱的熱量升高，運(yùn)行時(shí)間增加，如圖8所示。顯然，水箱容積與熱泵加熱時(shí)間存在緊密的關(guān)聯(lián)，一旦水箱容積出現(xiàn)變化，將影響熱泵加熱時(shí)間的變化，例如水箱容積從80L逐步增加 200L時(shí)，系統(tǒng)加熱時(shí)間則從70min延長(zhǎng)到138min。因此，在供熱水時(shí)間不變的條件下，需要合理選取水箱容積。

圖8 水箱容積對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和水箱得熱量的影響

圖9、圖10體現(xiàn)了水箱容積與熱泵耗電量、產(chǎn)熱水量、系統(tǒng)COP三者間的關(guān)系。從圖可以看出，水箱容積增加，熱泵耗電量增加了約106%，產(chǎn)熱水量增加了26%，系統(tǒng)COP增加了22%。

圖9 水箱容積對(duì)系統(tǒng)耗電量和COP的影響

圖10 水箱容積對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)水量和COP的影響

3.3 進(jìn)水初溫對(duì)熱泵熱水器的影響分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析空氣源熱泵熱水器在進(jìn)水初溫的影響下呈現(xiàn)出的變化情況。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)保持系統(tǒng)其余參數(shù)不變，并將水箱容積設(shè)定為200L，環(huán)境溫度設(shè)定為20℃。由圖11可知，熱泵運(yùn)行時(shí)間隨著水箱進(jìn)水溫度的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，而熱泵產(chǎn)熱水量則出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，初始進(jìn)水溫度從15℃增加到 35℃，熱泵耗時(shí)從 145min減少到 90min。

圖11 水箱初溫對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和產(chǎn)熱水量的影響

4 結(jié)論

該文對(duì)寧夏地區(qū)空氣源熱泵熱水器進(jìn)行性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度影響著空氣源熱泵熱水器的性能系數(shù)。氣溫較高時(shí)，空氣源熱泵熱水器制熱效果、耗電功率和能效都比氣溫低時(shí)好。影響空氣源熱泵熱水器性能的因素除環(huán)境溫度外，還有水箱容積、進(jìn)水初溫等。此外，受到氣溫和氣候影響，單一熱源的熱水設(shè)備不能全天運(yùn)行，所以單純靠空氣源的熱泵系統(tǒng)無(wú)法滿足人們的需求。但是，若能夠?qū)⑻?yáng)能熱泵技術(shù)和空氣源熱泵技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，就會(huì)有很多優(yōu)勢(shì)，這樣可以在集熱效率高、供熱性能好、形式多樣、一機(jī)多用、應(yīng)用廣泛的同時(shí)，又節(jié)約了能源、降低了能耗，能夠更好地解決太陽(yáng)能與建筑一體化和24h連續(xù)熱水供應(yīng)的實(shí)際問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義巨大。