空氣源熱泵熱水器季節性能的試驗設計及分析

黎志瑜

（ 廣東瑞星新能源科技有限公司，廣東 江門 529700）

季節性能評估作為一種常用的檢測方法，主要用于對熱水器性能指標的精確化檢測，從而確定出影響熱水器性能的季節因素，同時，還能實現對熱水器運行經濟效益的精確化分析，因此，該檢測方法被廣泛地應用于太陽能熱水器領域中，由于缺乏相關試驗理論知識的指導和借鑒，因此在熱泵熱水器領域中的應用較少，為了解決這一問題，提高空氣源熱泵熱水器季節性能檢測結果的精確性，如何對其試驗進行科學設計和分析是相關人員必須思考和解決的問題。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗裝置

該試驗裝置示意圖如圖1所示，從圖1中可以看出，該試驗裝置主要由以下部分組成：1）壓縮機。壓縮機所選用的旋轉式具有一定的全封閉性，額定功率通常達到735W。2）蓄熱水箱。蓄熱水箱的容積達到了150L，所選用的水箱種類主要以承壓式為主，該類型水箱內膽材質為不銹鋼板。內膽和外殼之間充滿一定量的填充物，該填充物為聚氨脂發泡保溫材料。3）螺旋形冷凝盤管。該冷凝盤管的安裝位置主要集中于水箱底部。4）風冷換熱器。風冷換熱器主要由以下兩個部分組成，一個是蒸發盤管，另一個是軸流風扇。5）節流元件。節流元件內部含有大量的毛細管。壓縮機和毛細管兩種零件均被設置于指定的恒溫室內，恒溫室溫度通常為-5℃ ~35℃。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 試驗方法

該試驗所采用的試驗方法如下：在不同季節下，對恒溫室環境溫度進行模擬和調節，然后，在不同環境溫度下，對該熱水器在加熱期間所產生的設備能耗和水箱水溫進行完全記錄，其中，設備能耗在實際的統計中，需要利用功率計對其進行采集和計算，水箱水溫在實際的統計中，要利用熱敏電阻1，對相關數據進行自動化、智能化采集，熱敏電阻1所采集的數據對象主要以水箱水溫參數為主，在指定的水箱中段處安裝和固定相應的溫度測點，可以有效地避免水溫分層現象，確保最終計算結果的精確性。另外，在該試驗中，還要利用熱敏電阻2，對蒸發盤管側溫度進行全面采集和整理，然后，確定出系統、完善的執行化霜流程。最后，通過利用熱敏電阻3，對環境溫度進行自動化采集和模擬，并向恒溫室中心處設置相應的溫度測點。在整個試驗期間，還要根據系統性能評判指標，通過利用系統性能值，對水箱初始水溫進行科學設置，使其達到15℃。

2 試驗結果分析

2.1 水箱設定溫度的影響

該試驗對空氣源熱泵熱水器水箱所設置的溫度進行全面測試，發現水箱設定溫度的變化，將會直接影響系統運行性能。水箱設定溫度的影響測試結果如圖2所示。從圖2中可以看出，當水箱溫度所設定的溫度不斷升高時，系統值呈現出不斷下降的趨勢。同時，當水箱所設定的溫度達到60℃，系統運行性能值降到最低。此外，當環境溫度不斷升高時，曲線整體呈現出比較平坦的狀態。在水箱設定溫度整個變化范圍內，系統運行性能值始終保持在0.2~0.4。當環境溫度不斷下降時，系統運行性能值會呈現出不斷下降的趨勢，值變化范圍通常集中在0.7~1.5。當值達到1.5時，說明系統運行性能不佳，此時，需要派遣指定人員前來維修。

圖2 各種環境溫度Tn下水箱設定溫度對COP的影響

2.2 環境溫度的影響

通過模擬出不同的環境溫度，對空氣源熱泵熱水器的運行性能進行試驗測試，得出如圖3所示的測試結果。從圖3中可以看出，在環境溫度的不斷變化下，系統值變化曲線可以劃分為三個區域：1）低溫區域。低溫區域通常為-5℃~5℃，在這一范圍內變動幅度較小，整體走勢比較平坦，并且當值達到比較低的狀態時，難以保證其運行效果。2）中溫區域。中溫區域范圍為5℃~30℃，在這一范圍內，呈現出不斷上升的趨勢，變化幅度較大，達到2.5以上，這表明當環境溫度處于中溫區域時，對影響比較顯著，當環境溫度達到30℃時，空氣源熱泵熱水器達到最佳運行狀態。3）高溫區域。高溫區域范圍集中在30℃以上，在這一范圍內，值呈現出不斷下降的趨勢，同時，下降幅度達到1，當環境溫度達到35℃時，整個系統實際運行效率較低，這一測試結果與實際應用完全不符，出現以上問題的根本原因是該熱水器無法與高溫區域系統進行有效匹配，導致系統熱負荷過高，造成整個系統無法可靠、穩定、安全地運行。

圖3 各種水箱設定溫度Tset下水箱設定溫度下環境溫度對COP的影響

2.3 結果分析

通過分析以上試驗結果，不難發現，當水箱設定溫度不斷上升時，空氣源熱泵熱水器運行性能處于不斷下降的狀態。同時，當環境溫度達到最低時，這種影響程度越來越明顯。根據環境溫度對系統的影響程度，將環境溫度劃分為以下三個區域，分別是高溫區域、中溫區域和低溫區域。其中，中溫區域環境溫度一旦出現明顯變化，會對該熱水器運行性能造成顯著的影響，同時，當環境溫度達到30℃時，系統將會達到最佳運行狀態，為操作人員開展相關作業提供了極大的便利。由此可見，為了進一步提高該熱水器的運行性能，確保系統達到最佳運行狀態，技術人員除了要做好對中溫區域環境溫度的控制外，還要將環境溫度設置為30℃。

3 試驗優化設計

在對以上試驗進行優化設計期間，將“上海地區”設置為試驗場地，并繪制出上海地區的四季平均氣溫資料（見表1），從表1中的數據可以看出，上海地區的晝夜溫差往往比較顯著，一年四季平均氣溫主要集中在4.9℃~26.4℃。另外，還要采用多模式流程控制方式，對以上試驗進行優化設計，用戶可以根據自己實際使用需求，在充分結合季節變化情況的基礎上，對以下四種工作模式進行選擇。1）午間模式。熱泵系統具有一定的高效性，在午間時段內，需要對該系統進行加熱處理，在其他時段內，可以采用保溫方式，維持該系統的恒定溫度。此外，由于全天環境溫度峰值通常集中出現在午后至傍晚這一時間段內，所以，對其進行加熱處理，可以最大限度地提高系統值。2）谷電模式。為降低經濟成本，需要在谷電差價時段內，對該系統進行加熱處理，在其他時段內，采用相應的保溫措施，盡管值出現大幅度下降現象，但是，由于電費為半價狀態，系統總體運行費用較低，從而起到節約費用成本的作用。3）谷電加午間模式。該模式主要適用于那些早上、晚上熱水用量較大的用戶，極大地滿足了用戶的用電需求。4）正常模式和即時加熱模式。為了保證空氣源熱泵熱水器使用的舒適性和可控性，用戶要根據自身的實際需求，對加熱啟停時間進行科學設置，或者，根據實際需求，采用臨時加熱的方式進行短時間加熱處理，以保證熱水器整體加熱的均勻性。

根據以上試驗數據，結合上海氣候特征發現：當春季環境溫度和秋季環境溫度處于中溫區域時，一旦環境溫度出現變化，系統值會出現比較明顯的變化趨勢，這表明晝夜環境溫差對該熱水器的運行性能影響較大，因此，要優先選用午間模式，將水箱設定溫度范圍設置為52℃~56℃，在該范圍內節能效果較好。當用戶熱水用量比較大時，可以將午間模式與谷電模式進行充分結合。夏季，環境溫度普遍高于如表1所示的溫度，在高溫環境下，難以保證系統運行性能，此時，需要優先選用谷電模式，有效優化系統運行性能，另外，由于水箱設置溫度并不會對系統運行性能產生直接影響，因此，可以將水箱設定溫度控制為56℃~60℃，如果用戶熱水用量變得越來越大時，需要將谷電模式和即時加熱模式進行充分結合，以滿足用戶龐大的用電需求。在冬季，一旦室外環境溫度高于10℃以上時，系統值比夜間溫度多出0.6℃左右。此時，需要采用午間模式，以保證最終的節能效果，從而取得良好的經濟效益。另外，在冬季環境下，水箱所設定的溫度會對系統的整體工作效率產生顯著的影響，當水箱所設定的溫度為48℃~52℃時，用戶熱水用量往往比較多，此時，需要將午間模式與谷電模式進行充分結合，避免出現用戶用水量供不應求的現象。

表1 上海地區的四季平均氣溫℃

4 經濟性分析

“以上海試驗場地”為例，通過采用優化后設計方案，全面分析空氣源熱泵熱水器的經濟效益，得出的統計結果（表2），從表2中的數據可以看出，優化設計方案實施后，在不同季節下，空氣源熱泵熱水器均取得良好的節能效果。與以前熱水器能耗相比，全年實際能耗節省量達到了30%，其中，春秋季運行費用節省17.7%；夏季運行費用節省50.0%、冬季運行費用節省51.0%，與優化前相比，全年運行費用較低，僅為460元，節省60.3%，這表明該文所提出的空氣源熱水器季節性能設計方案具有較高的經濟效益。

表2 空氣源熱泵熱水器系統優化運行前后的經濟性比較

在常規模式下，當水箱所設定溫度達到60℃時，優化設計方案取得良好的經濟效益。通過計算加熱量與系統熱效率之間的比值，可以精確地得出系統的實際能耗，如果每日用水量為200L，水箱水溫會不斷上升，由之前的15℃上升至55℃；單季總天數統一控制為90天。另外，上海地區電價和谷電電價通常被設置為0.61元/kW·h、0.30元/kW·h。由此可見，經過優化后的空氣源熱泵熱水器系統，可以有效地降低用電成本，取得良好的節能效益，這表明該系統具有較高的應用價值和應用前景，值得被進一步推廣和應用。

5 結語

綜上所述，該試驗所得到的結論如下：1）當水箱所設置的溫度不斷升高時，會嚴重影響空氣源熱泵熱水器運行性能，同時，當環境溫度呈現出不斷下降的趨勢時，水箱所設置的溫度對的影響程度越來越大。2） 對環境溫度來說，其值變化對的影響產生一定的分區作用。中溫區域溫度為30℃~150℃時，一旦環境溫度出現明顯變化，會對空氣源熱泵熱水器效率產生明顯的影響，當環境溫度達到30℃時，系統運行性能將會達到最佳狀態。3）根據該試驗結果，多模式流程控制方案的應用，除了可以提高系統能效比外，還能取得良好的經濟效益，因此，該文所提出的控制方案具有較高的應用價值。對空氣源熱泵熱水器來說，在春秋季、夏季、冬季不同季節下所表現出的運行性能均存在一定的差異，為此，相關人員要對該熱水器在不同季節下的運行性能進行試驗，然后，分別測定和評估設定溫度和環境溫度對系統工作效率產生的影響程度，然后，制定出一套系統、完善的優化試驗設計方案，該方案主要用于自動化、智能化、高效化地控制空氣源熱泵熱水器的運行，為最大限度地提高系統全年運行能效比打下堅實的基礎。