空气源热泵热水器全年综合能效(ACE)分析与实验

姜昆，刘颖，王芳，王祥，姜莎

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

空气源热泵热水器全年综合能效(ACE)分析与实验

姜昆*，刘颖，王芳，王祥，姜莎

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

文章提出一种热泵热水器全年综合能效(ACE)的方案，并对影响热泵热水器全年综合能效(ACE)的因素进行了分析。该方案将热泵热水器全年运行工况分为高、中、低三个区间，计算得出各个温度区间在全年范围中的比重，以及各个温度区间的平均发生温度，将计算出的平均温度作为测试工况，测试系统COP，最后经过加权计算，得出热泵热水器全年综合能效(ACE)。对该方案进行的实验验证证明，全年综合能效（ACE）能够考虑环境温度对机组性能的影响，即能反映了热泵热水器夏季时的高效率，也能反映了冬季时机组性能受影响较大的情况。

空气源热泵热水器；全年综合能效（ACE）；能效比（COP）；性能测试；R417A

0 引言

随着国民经济的不断发展，人名生活水平不断提升，家用及商业用热水的需求量也在逐年增加。近几年，由于热泵型热水器在节能、安全、环保等方面展露出其独具的优越性，已经显示出巨大的市场潜力[1]。然而在有关热泵热水器能效的定义方面，国标GB/T 21362-2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机组》[2]中仍然以COP作为标准，市场上销售的热泵热水器产品也采用标准工况下的COP值来区分产品能效的高低以及性能的优劣。然而热泵热水器全年都在运行，实际运行工况与国标中规定的标准工况相差较大，只有少数时间在标准工况附近运行。因此，热泵热水器的 COP不能充分反映机组能效情况和产品的性能，更不能反映其在全年时的综合能耗。

另外，由于制冷行业技术的进步以及国家节能减排相关政策的推进，在对产品能效要求提高的同时，对产品在全年整个运行周期的能耗的关注也不断加强。考查产品是否节能，并不只取决于实验工况条件下机组的 COP值，而应该联系产品在实际使用中的特点和所处的运行环境来综合评价。因此，国标制定了关于热泵空调器的季节能效比（SEER）[3]和冷水(热泵)机组的综合部分负荷系数（IPLV）[4]来衡量机组的综合性能。热泵热水器在全年范围内使用，受气候环境的影响较大，不同季节时机组运行工况差别较大，因此，更需要一个能反映机组全年运行性能的评判标准来合理评价机组的性能，为产品比较提供依据。相比于上述两种能效评定方法，全年综合能效 (Annual comprehendsive efficiency，简称ACE) 概念能更合理的反应机组在运行时的能耗状态，更加清晰的表明不同产品间的优劣。研究热泵热水器全年综合能效能，可以更加直观反映地不同热泵热水器的能效情况，更加具有可比性，同时有利于市场进一步向高能效产品转换。

1 热泵热水器全年综合能效(ACE)影响因素分析

热泵热水器的使用情况和特点具有多样化，影响其全年能效(ACE)的因素较多，主要分为个人因素、自然因素和设计因素。分析各个因素与机组性能的相关性对研究系统的全年综合能效(ACE)有较大帮助。

(1)室外气候变化对机组性能的影响；

室外气候影响属于自然因素，根据文献[9]中的测试数据可知，系统 COP随环境温度变化较大，夏季温度较高时的COP为冬季低温时的两倍左右。

(2)用水量大小对系统能效的影响；

用水量属于个人因素，根据文献[5]总结得出，同一热泵热水器机组，室外环境条件相同的情况下，系统水箱的容量不同时，将水箱水温加热到标准温度，机组的 COP各不相同。机组的整体性能会随着水箱容量的增大而降低，水箱容量大，达到标准温度所需的热量多，机组制热量大，机组冷凝器处在高温状态时间也较长，机组COP较低。

(3)水箱温度设定对系统能效的影响；

设定的出水温度越高，系统循环的高温热源温度越高，机组最终所处的冷凝压力与温度越高，低温热源温度不变，使得高低温热源温差越大，分析循环的压焓图可知，设定出水温度越高，压缩机的输入功率越大，机组的制热效率越低。

(4)水箱补水方式[6]及漏热系数对系统能效的影响；

空气源热泵热水器制热性能系数受蒸发温度和冷凝温度的影响较大，而机组不同的补水方式，导致进出系统冷凝器的热水温度的不同，也就造成系统冷凝温度的不同，最终影响到机组的制热性能。另外，水箱的热水温度始终是高于环境温度，与环境存在换热温差，因此机组会有一定的热量损失，国标中对水箱的漏热系数的测量与大小有具体要求。

2 热泵热水器全年综合能效(ACE)的综合分析

分析影响热泵热水器全年综合能效(ACE)的因素，其中，设计因素对系统影响较为固定，在产品设计、生产过程中确定；个人因素对系统影响较难确定，但用水量的大小对系统的影响主要反映在机组水箱的选取上，自然因素对机组性能的影响主要体现在气候温度的变化上，由于全年气候变化较有规律，所以自然因素对系统性能的影响也具有规律性。因此，热泵热水器全年综合能效(ACE)可以看作是设计因素、个人因素及自然因素的函数：

式中：

α— 不同的补水方式引起的修正系数；选取集中式补水方式为 1，其他补水方式可根据经验取得；

β— 不同的容量水箱引起的修正系数；以100L水箱容量为参照，其他容量水箱可由实验或经验取得；

T1— 室外干球温度，℃；

T2— 室外湿球温度，℃；

T3— 水箱补水温度，℃；

T3=f(T1,T2,L)；L为补水管路的长度，m。

T4— 设定水箱出水温度，℃，

因此可以对一台热泵热水器在不同的气候环境下的性能进行测试，分析所得数据中机组运行时COP与环境的干、湿球温度等各个影响因素之间的关系，再通过拟合的方式得 ACE的计算公式。但这种方式所需数据量较大，数据不够充分时，拟合出的函数精确度较低，不具备通用性，另外，大量数据的获取是建立在大量精确实验的基础上，所需时间和精力也较多。笔者认为可以借鉴 IPLV和SEER概念，将热泵机组整个运行情况分为几种不同的负荷情况，计算加权得出各个不同的负荷情况在整个运行过程中所占比例系数，然后测试各个负荷工况下冷水机组运行的性能系数COP，最后得出该冷水机组的综合性能系数，具体如（2）式所示；

式中：

ACE — 空气源热泵热水器全年综合能效比；

η、λ、γ—高温、中温、低温区所占全年运行时间的比例系数；

a、b、c—分别为高温、中温、低温工况下热泵热水器的平均能效比COP。

国标 GB/T7725-2004《房间空调器调节》[7]在定义家用空调的季节能效比（SEER）时，将我国划分为制冷和制热两种工况，并统计了两种工况下部分温度的发生时间。根据该数据以及分析空气源热泵热水器的使用特点，将全年空气源热泵热水器的运行工况分为三个区：A—高温区（24℃-38℃），B—中温区（17℃-23℃），C—低温区（-9℃-16℃），如表1所示，各温区发生时间占全年（按365天计算）运行总时间的比例为：高温区27.4 %、低温区41.1 %、中温区31.5 %，其中高温和低温区的部分温度发生的时间长短分别如图1和图2所示。

表1 各个温区的时间总和及占全年时间比例

图1 高温区部分温度的发生时间

图2 低温区的部分温度发生时间

根据以上分析和总结，结合 IPLV的计算式，可定义空气源热泵热水器全年综合能效比的计算式如下：

合理的得出各个温度区内热泵热水器的平均综合能效比a、b、c是计算全年综合能效(ACE)的关键。分析高温区A、低温区C各个温度发生时间的特性，将高、低温区中温度发生分别看作为离散型随机事件 X、Y，根据国标[7]中的数据计算出各温度在该温度区内的发生的概率 P、Q，计算结果如图3和图4所示，由离散变量期望的计算公式可得低温区温度发生的平均温度E(X)：

式中：xi— 低温区温度发生的各个温度；

pi— 各个温度对应的发生概率。

代入表中数据可计算：E(X)= 5.8765；同理，计算高温区温度发生的平均温度：E(Y)= 27.7153。

分别取整得：E(X)= 6，E(Y)= 28。即高、低温区温度发生的平均温度分别为28℃、6℃。

图3 高温区部分温度的发生概率

图4 低温区部分温度的发生概率

由于中温区暂时还没有较为权威的数据可供参考，但中温区温度划分为 17℃-23℃，分区跨度较小，温度分布较为集中，因此，可取其平均值20℃作为中温区温度发生的平均温度。

综上分析和计算，可得出高、中、低温区所对应的平均温度分别为 28℃、20℃、6℃，因此，确定A、B、C值的测试工况如表2示。

表2 热泵热水器综合能效测试工况

根据表2中给出的工况，分别测试机组在各个工况下的运行性能COP值（即A、B、C的值），带入式（3）可计算该热泵热水器全年综合能效（ACE）。也可通过机组的COP随环境温度变化的曲线查出A、B、C的值后计算得出。

3 热泵热水器全年综合能效(ACE)的实验验证

根据国标中对空气源热泵热水器性能测试的要求，结合实验研究的目的，将实验测试装置置于多功能人工环境室中，利用多功能人工环境室来模拟室外环境的改变，从而测试不同环境工况下机组的运行性能（测试工况见表 2）。所选用热泵热水器为上海科美特公司提供的一台 1.5匹热泵热水器，机组使用替代工质R417A，采用内置式盘管换热器，机组的主要参数如表3所示。测试机组的结构示意图如图5所示。

表3 测试热泵机组的主要参数

图5 待测热泵热水器机组改装示意图

测试结果如图6所示。由图可以看出，夏季时机组运行的 COP要远远大于冬季时，也充分说明用单一工况时机组的 COP值来反映热泵热水器在全年周期内的运行性能是不合理的。

图6 不同环境温度热泵机组的运行性能

分析图6得出，干球温度6℃时机组COP=2.8；干球温度20℃时机组COP=3.7；干球温度28℃时机组COP=4.4；即A=4.4，B=3.7，C=2.8。代入式（3）可以得出ACE值为3.53。

从计算结果看，样机的全年综合能效较为合理，充分考虑环境温度对机组性能的影响，即反映了热泵热水器夏季时的高效率，也反映了冬季时机组性能受影响较大的情况。

文章提出全年综合能效方案在一定程度上弥补了采用标准工况能效比在季节差异上的不足，但是方案的计算方法还存在不合理之处，影响热泵热水器性能的因素较多，本文做了适当简化，结果建立在初步计算和实验的基础上得出，且在计算各个温区的平均温度时存在一定误差，特别是在低温区平均温度计算过程中， 考察的温度下限为-6℃，比通常热泵热水器的冬季运行最低温度要低 5℃左右，另外式（3）计算出的结果增加了冬季低温时比重，使结果有一定误差。因此，需要对空气源热泵热水器的具体运行情况和气候环境间的耦合关系作进一步分析，从而制定出更加合理、精确的方法来衡量热泵热水器在全年范围内的综合能效。

4 结论

(1) 对影响热泵热水器全年综合能效(ACE)的因素进行了分析，并分析了各个因素对热泵热水器能效的具体影响；

(2) 参照 IPLV概念并结合概率和加权理论的提出一种计算热泵热水器全年综合能效(ACE)的方案；

(3) 对该方案进行了实验验证，实验分析证明该方案具有一定的合理性，能够考虑环境温度对机组性能的影响，即反映了热泵热水器夏季时的高效率，也反映了冬季时机组性能受影响较大的情况。

[1]吴静怡,江明旒,王如竹,等. 空气源热泵热水机组全年综合能效评定[J]. 制冷学报, 2009,(5): 14-18.

[2]中国国家标准化管理委员会. GB/T 21362-2008商业或工业用及类似用途的热泵热水机组[S]. 2008.

[3]郑贤德. 制冷原理与装置[M]. 机械工业出版社. 2006.

[4]薛殿华. 空气调节[M]. 清华大学出版社, 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. 空气源热泵热水系统补水方式对机组制热性能系数的影响[J]. 给水排水,2008,5(34):197-200.

[7]中国国家标准化管理委员会. GB/T7725-2004房间空调器调节[S]. 2004.

[8]马一太,刘秋菊,刘圣春. 空调能效比发展趋势的研究[J].制冷与空调,2007,6(3):10-13.

[9]贾荣林. 空气源热泵热水器中 R417A的应用及电子膨胀阀控制特性研究[D]. 上海交通大学,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-），硕士在读，上海市杨浦区军工路516号上海理工大学制冷及低温工程专业，研究方向：热泵，制冷及空调系统测试与优化，13601839495，E-mail：jiang_kun2010@163.com。

上海市重点学科建设资助项目（S30503）；上海市研究生创新基金项目（JWCXSL1102）。

本论文优选自中国制冷学会2011年学术年会论文。