空气源热泵热水机组全年综合能效评定

  随着我国国民生活水平的提高及工业现代化的发展，家用、商用及工业用热水需求量也越来越大，与此同时，由于热泵热水机组与传统的热水器(电热水器，燃气热水器，太阳能热水器)相比，具有节能、保、安全、不受建筑结构、气候条件限制等特点，已显出强有力的市场潜力[1]。但同时也应注意到，除了技术和价格方面的因素外，从生产制造、质量检验到评价标准都没有统一的规范，长期以来困扰着国内热泵热水市场的发展。2008年国家标准GB/T 21362-2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机组》[2](以下简称《标准》)的出台，毫无疑问给目前的热泵热水市场带来了福音：

 

  不仅有利于规范热泵热水器市场，引导生产企业之间的良性竞争；同时又能推动热泵热水技术的不断发展完善。

 

  目前国内采用机组名义工况(nominal workingconditions)能效比来衡量机组节能性能，因此，名义工况的确定也是此次《标准》制定的难点及关键。

 

  然而，必须注意到，名义工况下的COP并不能准确地体现机组实际运行过程中的节能效果，以空调产品为例，为了更合理的评价空调能效，美国的ARI210/240-2003标准[4]和日本的JRA 4046标准[5]均采用季节能效比来评价空调的节能性能。

 

  另一方面，空气源热泵热水机组具有运行工况范围宽、常年制热以及冷凝温度时变等特点，再考虑到我国不同地区气候差异大和用户不同的用水习惯，相对于空调器而言，单纯的依据名义工况下的能效指标就更加难以对空气源热泵热水机组的实际运行性能做出客观评价。

 

  《标准》将空气源热泵热水机组分为普通型和低温型，其中普通型机组名义工况干湿球温度分别规定为20℃和15℃。下面将主要以普通型循??加热式空气源热泵热水机组为例，对其在不同条件下的节能效果进行分析讨论，如无特别说明，空气源热泵热水机组均指普通型循??加热式空气源热泵热水机组。

 

  1 上海及广州地区空气源热泵热水机

 

  组实际运行工况分析

 

  空气源热泵热水机组主要分布于我国长江流域和华南地区，这里以上海和广州地区为例，通过理论结合实际，引入全年综合运行工况来对空气源热泵热水机组的能耗比进行评定。

 

  1.1 上海及广州地区气候条件

 

  空气源热泵机组的运行工况主要取决于室外干湿球温度、初始加热水温和目标水温。以下计算均假设每次加热过程都是从水箱补水温度一直持续加热到目标水温度，这样初始加热水温就为水箱补水温度，目标水温根据《标准》规定为55℃。

 

  图1为上海及广州地区室外月平均干球温度和水箱补水温度，其中室外月平均干球温度数据来源于由中国气象局统计发布的(1971-2000年)气候标准值，水箱补水温度为室外干球温度的函数，根据经验值拟合得出，拟合公式如下：

 

  t0 = -0.0005ta2 + 0.51ta + 5.6 (1)其中，ta为室外????温度，t0为在????温度ta下的水箱补水温度，受水管长度和保温情况等方面的影响，t0会略微有所差异。

 

  1.2 全年不同工况下机组的COP计算比较相对于空调系统来说，空气源热泵热水机组全年运行在制热模式，蒸发温度的变化范围宽，而且即使在某一特定的????温度下，随着水温不断升高，相应的冷凝压力也会随之升高，因此是一个复杂的变工况过程。为了更加合理的评价空气源热泵热水机组全年运行的性能指标，G. L. Morrison[6]等人针对以上特点，通过实验结合计算拟合出热泵热水机组季节性COP的经验公式：

 

  COP = [a1+a2 (Tt - Ta)[1-a3 (Ta - Tw)/(Ta - Td )]

 

  (2)其中，Tt、Ta、Tw和Td分别为水温、温度、湿球温度以及露点温度。为了便于计算，取初始水温和终了水温的平均值作为水温标准值作为Tt，并把上海和广州地区的气象参数带入上式，得到这两个地区空气源热泵热水机组逐月COP曲线，如图2所示。可以看出，一台标准的空气源热泵热水机组1月份、7月份、10月份，在上海地区运行的COP为2.49、4.26、3.67，而在广州地区运行的COP为3.15、4.32、3.96，虽然不同机组之间会有所差异，但其变化规律大致相同。

 

  图2 上海及广州地区空气源热泵热水机组逐月COP曲线Fig.2 Monthly average COP curve of ASHPWH in Shanghaiand Guangzhou为了验证通过经验公式(2)计算出的能效比变化规律的通用性，下面以上海地区为例，用理想条件下计算出来的机组能效比来对它进行校核。取初始水温和目标水温的平均值作为标准水温，假定运行过程中冷凝温度始终比水温高7℃，蒸发温度始终比室外干球温度低15℃，按照卡诺循??下COP的计算公式(3)，得出：

 

  COPideal = / ( - Te ) (3)

 

  COPideal为理想情况下的机组运行能效比， 为与标准水温相对应的冷凝温度，Te 为蒸发温度。

 

  将上海地区每月的气象参数带入公式(2)和(3)，分别计算出上海地区的机组第i月份的经验能效比COPi 和第i月份的理想能效比COPideal,i 以及它们的比值 λi ，λi 为：

 

  λi = COPi / COPideal,i (4)

 

  表1为上海地区，通过公式(2)、(3)、(4)计算出的空气源热泵热水机组的COPi，COPideal,i 以及它们的比值λi。可以看出机组λi的值基本相同(最大最小值的偏差在10%以内)，夏季λi值比冬季略高，这是由于经验公式中还考虑到了室外相对湿度对机组能效的影响[6]。因此，经过理论验证，经验公式(2)计算出的COP能够较为准确地反映出空气源热泵热水机组在不同????温度下的实际运行能效比的变化规律，具有代表性。

 

  根据文献[6]，在不同工况下空气源热泵热水

 

  机组压缩机的平均功率拟合公式如下：

 

  P = b1+b2 (Tt -Ta)+b3(Ta-Td)+b4(Ta-Td)2 (5)同理，取初始水温和终了水温的平均值作为水温标准值代入Tt ，并将上海及广州地区气象参数代入上式，可以求出这两个地区的空气源热泵热水机组每月压缩机平均功耗的相对值(以名义工况室外干湿球温度20℃/15℃，水箱补水温度15℃作为基准点)，如图3所示。可以看出不同????温度下空气源热泵热水机组压缩机的平均功率夏季比冬季略高，但相差不大。