空调热水器能效评定方法研究

陆 山 王粤威 钱 劲 樊 锐

(1.湖南出入境检验检疫局 湖南长沙 410000;2.珠海出入境检验检疫局)

1 前言

空调热水器是利用逆卡诺循环原理，用电能驱动压缩机做功，推动系统中工质循环运动，利用设备内的吸热工质(冷媒)从空气或自然环境中采集热能并排放出冷气，经压缩机压缩后提高工质的温度，通过热交换器使工质向环境空气或水释放热量，可同时实现空调和热水器功能的装置。

根据不同的设计，空调热水器可以实现以下功能：

——独立空调：制冷、制热等

——独立热水器：热水

——复合应用：空调制冷+热水、空调制热+热水等

其主要结构包括压缩机、室内侧换热器、室外侧换热器、热水换热器、换向机构(四通阀/电磁阀)、节流机构、控制电路、储水箱等八个部分。空调热水器的工作过程见图1所示，以压缩机为起点，被压缩后的工质经过铜管到达换向机构，换向机构根据工作模式选择合适的换热器通路流过对应的换热器，经换热器冷凝后的工质进入节流机构，节流后的的工作进入换向机构;或者选择合适的换热器通路并流过对应的换热器，经换热器蒸发后回流到压缩机。整个工作过程由控制电路进行控制协调，但储水箱部分通常无电气连接。

2 空调热水器相关能效评定方法介绍

2.1 热泵热水器中国国家标准

家用热泵热水器中国国家标准GB/T 23137－2008《家用及类似用途热泵热水器》给出了机组测试的各项工况要求［1］，见表 1。

图1 空调热水器工作原理示意框图

表1 家用及类似用途热泵热水器测试工况

热泵热水器制热量测试，采用热水周期的方法，把热水加热到平均水温为55℃时，计算整个水箱获得的热量。需要注意的是，对于直热式机组，主机出水温度达到55℃即可开始计算，而循环加热式与自然对流加热式，需要在加热完成后，通过外置水泵对水箱进行强制循环，使得水温均匀达到55℃后，才能进行计算，如水温未达到要求，需要多次加热搅拌循环，直到达到要求为止。

2.2 日本热泵热水器标准

日本热泵热水器标准JRA 4050：2009规定范围是使用二氧化碳(CO2)或氢氟代烃(HFC)作制冷剂的电动压缩式空气源热泵、密封式热水贮存罐、热水供给控制装置、遥控器等构成的热水器［2］。

日本热泵热水器标准按不同的工况给出了标准条件下的制热量以及功率测试方法，更为重要的是，该标准也根据日本用水习惯设置了标准加热模式下的制热量及性能评定方法，并结合各工况下的制热量及能效情况获得年性能系数。对热泵热水器实际的运行状态，评价十分全面、具体。

2.3 欧洲热泵热水器标准

欧洲关于热泵热水器的标准为 EN255－3(1997)：采用电动压缩机的空调、液体冷冻机组和热泵—制热模式第3部分：作为制取生活热水的机组测试和要求［3］。该标准给出了热泵热水器性能测试方法，其具体包括以下5个主要阶段。

——加热升温期间;

——测定热水器性能系数;

——测定参考热水温度;

——测定待机输入功率;

——测定在一次放水的最大可用热水量

测试过程时间持续较长，但可以较为全面的评价水箱在此过程中的温降导致的功率消耗，同时也可以评价水箱加热完成后，能够获得的最大热水使用量。它是通过放出一半热水获得热水的加热量，再把补入的冷水加热到设定温度停机，计算这段时间的耗电量，以此来获得系统的性能系数。采用该方式，对于不同的水箱结构，存在一定的误差，而且操作起来也不是很方便。从检验角度看，评价起来较为复杂。

2.4 澳大利亚热泵热水器能效评定标准

澳大利亚对热泵热水器能效的测试方法同GB/T 23137－2008规定的方法较为相似，都是针对水箱内部水温，求取平均温度，再计算总的加热量和功耗，以此计算特定工况下的能效。不同的是，澳大利亚热泵热水器能效评定标准为了计算特定工况的性能，先获取大量的数据样本，再通过统计的方式，对机组进行季节性能评估。这样，实验室就可以通过机组的性能及功率评估关系式，获得在给定环境空气温度，湿度，进水温度条件下的性能情况。

3 能效评定方案

对比上述不同国家和地区对热泵热水器测试标准，除了名义工况的测试外，一般会增加其他环境工况的测试，同时为了更好的反映热泵热水器在不同环境温度下的性能指标，澳大利亚标准还引入了季节能效评定，以此来预测不同机组全年的性能情况;日本对热泵热水器的标准更具有特色，该标准设定了用水方式作为标准测试工况，能更加真实的体现热泵热水器使用性能;另外欧洲标准在测试性能系数时不同于国标、日本以及澳大利亚的标准，它采用放出的热水来计算制热量，加热功率为放水时再热的功率，该标准考虑了待机时的能源消耗。

综合上述各项标准，考虑到空调热水器的实际情况以及国标对空调及热泵热水器的测试要求，课题组方案倾向于综合房间空调器以及GB23137《家用及类似用途热泵热水器》标准。在性能测试上，结合空调器和热泵热水器的标准，给出新的性能测试工况，对各样机制冷、制热，制热水，制冷加制热水，制热同时制热水五种模式的运行性能进行测试。测试工况详见表2：

表2 空调热水器名义工况时的温度条件(℃)

4 样机能效测试结果及分析

为了全面评价空调热水器产品的能效指标，课题组对市场上已产品化的代表性样机进行相关的测试与分析。样机从几家主流的生产企业采购得到，包括A、B、C、D四个品牌的空调热水器。上述产品具有技术典型性和代表性，A通过在原有空调系统上采用串联套管换热器，以此来实现热水功能;B采用双四通阀方案，可以实现不同循环方式的切换，其热水换热器内置在水箱内，加热方式为自然对流式;C同样采用了双四通阀方案，通过冷媒切换，实现空调及热水多种功能，其换热方式为水泵强制循环方式;D样机为直热式空调热水器，主机加热量大，直热式设计，出水温度恒定，可由恒温水阀自由调节。运行功率、压力、吸排气等基本恒定不变，性能稳定。表3为各样机能效测试结果。

表3 各样机的能效测试结果

通过对上述样机进行试验结果对比可以看到，A空调热水器整体性能较差，在低温环境下出现了很多问题，导致系统无法正常运行。B空调热水器在名义工况下的能力没要达到热泵热水器国标要求，在低温下最明显的问题就是排气温度太高，而且没有出现排气保护。C和D空调热水器在名义下的实验数据较好，与A和B空调热水器相比，在高低温以及可靠性方面的优势明显。

5 能效试验方法及能效限定值标准制修订建议

综合空调热水器的相关能效评定方法、代表性样品的测试方案及结果，课题组提出了空调热水器的能效试验方法及能效限定值中国国家标准制修订建议如下。

5.1 空调热水器能效试验方法标准建议

(1)测量仪表精度：按GB/T 10870－2001附录A 的规定［4］。

(2)测量规定如下：

①测量仪表的安装和使用按GB/T 10870－2001的规定。

②热水器的空气干、湿球温度的测量按GB/T 18430.1－2007附录 A 的要求进行［5］。

5.2 空调热水器的安装和试验规定

(1)温度条件：水温及空气干、湿球温度偏差按表1的规定。

(2)电源条件：空调热水器应在其铭牌规定的额定电压和额定频率下运行，其偏差不应大于额定值的±1%。

(3)被试空调热水器应按生产厂规定的方法进行安装，并且不应进行影响制热量的构造改装。环境应充分宽敞，机组附近的风速应减小到充分低的值，以免影响机组的性能。

5.3 空调热水器名义工况性能试验

5.3.1 名义热水制热量试验

名义热水制热量按GB/T 23137－2008《家用及类似用途的热泵热水器》附录的规定进行试验测定和计算;热水制热量不包括电加热的制热量。

被测空调热水器的安装应按所提供的，或按说明书内推荐使用的附件、工具进行安装;除试验所需要的装置和仪器的连接外，对空调热水器不应进行随意更改和调整;必要时，空调热水器可按制造厂的规定抽真空和充注制冷剂(如必要，制冷剂由制造厂提供)。

对于循环加热式空调热水器和自然对流加热式空调热水器，试验必须选用制造商指定的或允许使用的最大容量的水箱，这是作为该类产品性能测试的基本规定，否则，配用不同容量的水箱，会有不同的测试结果。

对于带有辅助电加热的机组，需要断开辅助热源，不考虑辅助热源的制热量和消耗功率。

(1)平均水温的实验要求

而对于加热完成后水箱水温度的取值，要求平均水温达到。平均水温为水箱水搅匀后的温度，采用外置循环水泵(无论是自带水泵的循环加热式热泵热水器，还是另用水泵循环取得平均水温的自然对流加热式热泵热水器。)进水口处测量的温度值，而非水箱所带的温度表的显示值。直接加热式空调热水器出水温度为系统稳定运行后机组出水口的温度。如图2所示，实验样机放置在带水系统的焓差台中(主机)，控制环境温度达到测试工况后，以直接加热方式运行热水模式，制热水量可直接测得。

图2 直接加热方式热水量测试装置

(2)循环实验条件及要求

根据热泵热水器的国标GB/T 23137－2008要求，平均水温测试时，循环试验条件：环境温度为(20℃ ±5℃)、环境风速不大于0.5m/s;

循环水泵要求：采用非金属壳体结构、每分钟标称流量不小于1/2水箱有效容量，放于水箱底部;

取热水配管要求：单程长为1.5m－2m的耐热性合成树脂管或者橡胶管，不作保温;

循环时间限制：≤3min。

上述的循环试验条件都是围绕着控制循环试验中的散热，其中选取合适的循环水泵最为关键，选用非金属壳体结构目的是减少散热，每分钟标称流量不小于1/2水箱有效容量能应保证在3min内充分搅匀整箱的水，取得平均水温，一般满足上述要求时，循环达到水温波动≤0.5K时一般在1.5min，循环3min是允许的循环时间的最大值，＞3min将影响平均水温的检测准确度，如循环3min仍无法达到水温波动≤0.5K，则应检查循环水泵是否满足要求及连接的循环管路是否畅通。试验水箱连接见图3。

图3 水箱辅助循环水泵

c)热水制热量的计算

一次加热式制热水量按照式(1)进行计算

式中：

U—制热水能力，单位为升每小时(L/h);

G—水流量，单位为升每小时(L/h)。

循环加热式热泵热水器、静态加热式热泵热水器按照式(2)进行计算

式中：

V—被加热水体积，单位为升(L);

H—加热时间，单位为小时(h)。

热泵制热量计算

热水制热量按照式(3)进行计算

式中：

Q2—热泵制热量，单位为千瓦(kW)

T2——出水温度，单位为摄氏度(℃);

T1——进水温度，单位为摄氏度(℃)。

5.3.2 空调制冷量，制热量试验

空调名义工况按表1规定的工况进行试验。按照以下规定进行试验测定和计算空调制冷量，制热量和消耗总电功率。

空气源机组制冷、制热量按GB/T 10870－2001的规定进行试验测定和计算。热源侧环境的温、湿度条件可采用空调装置使其达到规定的工况要求，消耗总电功率包括压缩机电动机、操作控制电路和热源侧风机电动机等的输入总电功率。

5.3.3 空调制冷同时制热水实验

(1)对于直接加热式空调热水器，参照GB/T 23137－2008的规定进行试验并计算一次加热式热水制热量。空调制冷工况可按GB/T 10870－2001的规定进行试验测定和计算。热源侧环境的温、湿度条件可采用空调装置使其达到规定的工况要求，消耗总电功率包括压缩机电动机、操作控制电路和热源侧风机电动机等的输入总电功率。测定和计算空调制冷量，热水制热量和消耗总电功率。

(2)对于循环式和自然对流加热式空调热水器，在制冷同时热水模式运行时，对于由于冷凝压力是变化的，在测试周期内制冷量也是变化的，某个时间内的制冷量不能代表机组的平均制冷量。参照国标GB/T 17758－2010对化霜期间制热量测试的方法，此时也应该采用类似非稳态制热的方式：累计整个测试周期内的冷量［6］。

采用积分的方式取得完整热水周期内的制冷量除以完整周期的时间，即制冷量=周期内总制冷量/完整周期的时间，该过程总的热量则包括参照GB/T 23137－2008的规定进行试验并计算得到的热水制热量和采用非稳态获得的制冷量之和。

引入制冷量在“不稳定期”的测试方法，参考GB/T 7725－2004《房间空气调节器》A3.2.2 不稳定期热泵制热量的计算方法，可以通过A.13计算制冷量，并在整个加热周期内按时间平均，以此得到单位时间内的制冷量［7］。实验时采用焓差法，每5S检测一次制冷量，得到整个过程的制冷量曲线，按积分方式求得总的制冷量，再根据时间得到单位时间的制冷量。机组运行功率采用累计功率计获得整个过程的耗电量，再按时间获得单位时间的耗电量。单位时间内的制冷量除以功率，即为机组的制冷能效比。

5.3.4 空调制热加制热水实验

(1)对于直接加热式空调热水器，参照GB/T 23137－2008的规定进行试验并计算一次加热式热水制热量。空调制热工况可按GB/T 10870－2001的规定进行试验测定和计算。热源侧环境的温、湿度条件可采用空调装置使其达到规定的工况要求，消耗总电功率包括压缩机电动机、操作控制电路和热源侧风机电动机等的输入总电功率。测定和计算空调制热量，热水制热量和消耗总电功率。

(2)对于循环式和自然对流加热式空调热水器，在制热同时热水模式运行时，采用类似非稳态制热的方式：累计整个测试周期内的制热量。

采用积分的方式取得完整热水周期内的制热量除以完整周期的时间，即制热量=周期内总制热量/完整周期的时间，该过程总的热量则包括参照GB/T 23137－2008的规定进行试验并计算得到的热水制热量和采用非稳态获得的制热量之和。

引入制热量在“不稳定期”的测试方法，参考GB/T 7725－2004《房间空气调节器》A3.2.2 不稳定期热泵制热量的计算方法，可以通过A.13计算制热量，并在整个加热周期内按时间平均，以此得到单位时间内的制热量。实验时采用焓差法，每5S检测一次制热量，得到整个过程的制热量曲线，按积分方式求得总的制热量，再根据时间得到单位时间的制热量。机组运行功率采用累计功率计获得整个过程的耗电量，再按时间获得单位时间的耗电量。

对于采用制热与制热水间断进行的机组，可分别按空调制热与制热水测试方法进行独立计算，由于运行过程不是同时进行的，能力与能效可独立给出，不作汇总要求。

5.4 空调热水器能效限定值建议

关于空调热水器能效限定值，考虑到与最新的热泵热水器及空调器的能效限定相接轨，我们查阅了房间空调器最新的能效要求(GB12021.3－2010)，对空调器的能效要求如表 4、表 5［8］。

表4 家用空调能效限定值

表5 家用空调能效等级要求

考虑到空调热水器运行状态较空调器恶劣，同时机组本身带有热水功能，系统流程复杂，在考虑能效等级要求时，我们在上述测试的基础上，对空调热水器的能效限定要求建议如表6。

表6 空调热水器能效比限定值(建议)

［1］GB/T 23137－2008家用和类似用途热泵热水器［S］.

［2］JRA 4050：2009家用热泵热水器［S］.

［3］EN255－3(1997)带电驱动压缩机的空调器、液体制冷设备和热力泵加热方式.第3部分：对卫生间热水装置作标志的测试和要求［S］.

［4］GB/T 10870－2001容积式和离心式冷水(热泵)机组性能试验方法［S］.

［5］GB/T 18430.1－2007蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组［S］.

［6］GB/T 17758－2010单元式空气调节机［S］.

［7］GB/T 7725－2004房间空气调节器［S］.

［8］GB12021.3－2010房间空气调节器能效限定值及能效等级［S］.