高原环境对空气源热泵技术性能影响探讨

黄逊青

( 广东万和新电气股份有限公司，广东 528305 )

高原环境对空气源热泵技术性能影响探讨

黄逊青

( 广东万和新电气股份有限公司，广东 528305 )

空气源热泵的运行性能主要受进风条件影响，高原环境的低气压可能导致空气源热泵的制热量和性能系数明显降低，需采取措施进行处置；现行检测方法未对气压条件对热泵能效指标的影响给予合理的考虑，可能导致对能效检测结果的误判；高原环境在电气安全方面有其特殊性，预期在海拔2000m以上地区使用的空气源热泵产品通常需要进行针对性的设计变更以满足要求。

热泵；空气源；高原；气压；安全；能效；瞬态过电压；电气间隙

1 引言

随着空气源热泵产品的技术进步，低温制热性能水平的逐步提高，近年空气源供暖热泵产品陆续进入西部地区[2][3][4]。我国的地势分布从南到北梯度升高，典型的高海拔地区云贵高原、青藏高原以及川西高原形成的高原地区，在地理高程上明显高于空气源热泵的传统安装地区。GB/T 20615-2006《特殊环境条件 术语》第2.6条对高原的定义为：按照地理学概念，海拔超过1000m的地域[6]。按此定义，我国65%的国土面积属于高原地区。高原地区全年气温较低，昼夜温差大，对空气源热泵供暖的市场需求正在逐渐形成，是未来空气源热泵供暖的潜在市场，同时，高原地区的环境条件对空气源热泵的制热性能和安全性能等提出相应的特殊要求，而以往大量使用空气源热泵的地区基本上都是海拔1000m以下地区，其中绝大部分地区海拔高度更是低于500m的沿海，所以到目前为止，我国的空气源热泵技术积累的经验几乎都是在海拔500m以下地区获得的，这些经验无法满足空气源热泵在高原地区的使用要求，因此，认识高原环境对热泵技术性能的影响具有重要的现实意义。

2 制热性能

空气源热泵的制热性能受蒸发器的进风参数影响很大，在高原地区由于气压较低，空气密度变化随气压变化成正比，通过蒸发器的空气体积流量基本保持不变，但是，密度变化导致了空气质量流量发生变化，且变化幅度与气压变化幅度成正比[5]，因此，空气源热泵额定制热量的与气压的关系大致呈现以下规律：

(1)

式中：

Q1— 安装地点制热量，kW；

Q0— 海平面额定制热量，kW；

P1— 安装地点气压，kPa；

P0— 海平面气压，kPa。

以拉萨3658m海拔高度对应的平均气压65kPa计算，空气源热泵在相同进风温度条件下，在拉萨地区运行的制热量大约为在海平面运行的80%，同时，制热运行的性能系数下降至85%左右，从而一定程度抵消了热泵节能的优势。即使在海拔1000m的地区，空气源热泵的制热量也将下降到在海平面运行的94%。从相关部件的运行情况分析，制冷系统的制冷剂侧的运行状态不受热泵运行环境影响，受环境气压影响的是空气侧，制热量下降的根本原因是，气压降低导致蒸发器进风质量流量减少所致，换言之，由于空气侧性能的不适应，造成制冷剂侧性能浪费。所以，预期在高原地区使用的产品，如果在空气侧的风机电机参数和蒸发器参数针对高原地区的运行条件进行调整，例如，将进风的质量流量适当提高就可以解决此问题。可行的措施包括，在高原地区运行的风机电机，由于空气密度降低，电机扭矩和输出功率相应降低，因此电机特性曲线需要调整；同时，蒸发器的迎风面积和翅片的片距等参数也需要调整等；此外，风机的噪声水平可能会相应提高。

高原环境对现有的产品质量监管措施也产生不可忽视的影响。空气源热泵的能效计量检测规则尚未发布，目前检测过程对空气侧的检测条件要求，通常参照空调器的的能效计量检测规则，JJF 1261.2-2010《房间空调器能源效率标识计量检测规则》第6.1.3条规定大气压强范围是86～106kPa[8]。按(1)式计算，相对于101.3kPa气压条件下获得的制热量数据，仅由于检测实验室环境气压造成的制热量偏差范围大约是-8%～2%，而测量方法和仪表的不确定度形成的测量不确定度只有1%左右，与热泵性能标准一般允许±5%制热量偏差的合格范围相比，气压变化的影响产生的测量偏差，足以将几乎所有原本的合格产品判定为不合格。

以往房间空调器的生产和使用地区基本是在海拔500m以下地区，气压为95kPa以上，由于实验室环境气压导致的制热量偏差通常在3%以内，而且空调器的性能考核以制冷运行为主，制冷量用焓差法测量时，由于在蒸发器空气侧存在凝结水析出过程，缓解了空气密度变化因素的影响，冷凝器空气侧的质量流量减少，主要影响是压缩机消耗功率略有增加，而风机电机功率的减小也缓解了整机消耗功率的变化幅度。所以，JJF 1261.2-2010第6.1.3条的合理性问题，一直没有引起足够的重视，而对于空气源热泵热水器的性能检测，若仍然规定大气压强范围是86～106kPa，显然就不合适了。

3 安全性能

关于高原气候的产品安全的特殊要求，GB/T 20626.1-2006《特殊环境条件 高原电工电子产品 第1部分：通用技术要求》有系统的规定。GB/T 20626.1-2006的范围规定，对于低压电工产品的适用范围为2000m以上至5000m高原地区[6]。我国约有37%的国土面积属于海拔2000m以上地区，省会城市包括西宁、拉萨，这些地区全年平均气温低，是空气源热泵供暖应用潜在的广阔市场。近年随着家用电器产品在高原地区的普及，在使用过程中出现的诸如压力温度开关误动作等问题相继暴露，对高原地区使用要求的特殊性和处理措施的研究，逐渐引起家用电器产品制造企业的关注，所以，对于预期在2000m以上高原地区使用的空气源热泵产品，全面解决电气安全要求也应当受到重视。

目前我国家用电器的安全标准GB 4706.1正在修订，该标准等同采用IEC 60335-1:2013(Ed5.1)《家用和类似用途电器的安全 第1部分：通用要求》，在IEC 60335-1:2013第7.12条规定，打算在海拔高于2000m使用的器具，应说明最高使用海拔[1]。同时，随着未来新一版GB 4706.1实施，所有预期在高于海拔2000m以上地区使用的家用电器包括家用和类似用途热泵产品，其电气安全要求均必须按照相关的标准执行，空气源热泵显然属于GB 4706.1的适用范围。关于高原地区电气安全的特殊要求涉及范围较广，由于篇幅所限，仅列举GB 4706.1在Ed5.1新增的内容，瞬态过电压和电气间隙。

IEC 60335-1:2013第14章规定，瞬态过电压——脉冲试验电压被修正为位于海平面到500m的实验室的试验值。换言之，表6的脉冲试验电压数值适用于海拔不超过500m的任何地点的测试。如果测试地点高于海拔500m，在较高海拔的地方，由于空气密度减小，空气间隙的脉冲电压承受能力会减小，所以需要重新计算试验数值。因此，打算在高海拔地区使用的器具，在低海拔地区试验时，可施加较高的试验数值；相反，打算在低海拔地区使用的器具，在高海拔地区试验时，可施加较低的试验数值[1]。

IEC 60335-1:2013第29.1条规定，对于打算用于海拔2000m以上地区的器具，表16中的电气间隙应根据IEC 60664-1表A.2中的相关系数进行增加[1]。等同采用IEC 60664-1:2007的国标是GB/T 16935.1-2008《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分：原理、要求和试验》[7]，具体要求见表1。

表1 以2000m为基准的电气间隙修正系数

海拔正常气压电气间隙倍增系数2000m800kPa1003000m700kPa1144000m620kPa1295000m540kPa148

注：来源：摘自GB/T 16935.1-2008(IEC 60664-1:2007,IDT)表A.2[7]。

为了更全面反映海拔参数对电气间隙的影响，表2列出了以海平面为基准的电气间隙修正系数。

表2 以海平面为基准的电气间隙修正系数

海拔正常气压电气间隙倍增系数01013kPa1001000m900kPa1132000m800kPa1273000m700kPa1454000m620kPa1645000m540kPa188

注：来源：摘自GB/T 20626.1-2006表2[6]。

此外，高原环境虽然日平均温度较低，但是，昼夜温差大，太阳辐射强烈，可能导致通常户外安装的空气源热泵的电气部件热设计需要重新验证。例如，在停机时，强烈的太阳辐射可能导致产品内部温度处于较高的水平；又如，较低的空气密度导致依赖空气自然冷却的电气部件的工作温度可能发生不利的变化，尤其是一些安装在内部的电气部件，其内部微环境温度受外部环境温度影响不大却受冷却条件影响较大，就可能出现影响该部件可靠性的状况。

不过，类似电机类的温升指标，由于环境温度的降低，基本可以补偿空气冷却能力下降的影响，所以，在针对高原运行条件进行设计变更时，需要区别情况合理采取措施。

4 结束语

海拔1000m以上的高原地区是空气源热泵未来的应用市场，由于空气源热泵的制热能力受空气密度影响明显，建议对预期高原地区使用的空气源热泵的特殊要求进行研究，避免由于缺乏适当的措施导致产品的性能和运行经济性受到不良影响。同时，空气源热泵能效的检测技术要求也应针对环境压力的影响予以完善。关于海拔2000m以上高原地区使用的产品电气安全的特殊要求，近期将随着新一版GB 4706.1的发布成为强制的要求，现有的空气源热泵电气安全设计将需要经过相应的变更才能满足要求。

[1] 陈伟升.家用电器安全国际标准理解与案例分析-基于IEC 60335-1[M].第5.1版.北京：中国质检出版社，2016

[2] 马强.低温空气源热泵在高原高寒地区铁路车站的应用研究[J].铁道建筑，2014，(10)：116-119

[3] 蒙悟.高原地区太阳能热水系统引入空气源热泵辅助加热和管路系统保护的探讨[J].甘肃科技，2017，(9):67-68+71

[4] 王亮，李欣林.高原地区空气源热泵及辅助热源复合系统能耗研究[J].可再生能源，2016，(5):732-736

[5] 翟方志，朱茂华.通风机及其系统在不同海拔高度的性能变化及运用分析[J].企业技术开发，2011，(7):32-33+35

[6] GB/T 20626.1-2006 特殊环境条件 高原电工电子产品 第1部分：通用技术要求[S]

[7] GB/T 16935.1-2008(IEC 60664-1:2007,IDT)低压系统内设备的绝缘配合 第1部分：原理、要求和试验[S]

[8] JJF 1261.2-2010 房间空调器能源效率标识计量检测规则[S]

ApproachtotheOperationPerformanceofAirSourceHeatPumponAltitudeEnvironmentEffect

HUANG Xunqing

( Guangdong Vanward New Electric Co.,Ltd.，Guangdong 528305 )

The operation performance of air source heat pump is mainly affected by the air inlet conditions,low atmospheric pressure in high altitude environment may lead to air source heat pumps heating capacity and coefficient of performance decrease,need to take measures for disposition;existing testing technical method does not yet give reasonable consideration to the influence of atmospheric pressure condition on heat pump energy efficiency index,energy efficiency test results may lead to a miscarriage of justice;high altitude environment has its particularity in electrical safety,is expected to air source heat pump used in products at altitude 2000m above usually need to change to meet the requirements of design.

Heat pump；Air source；Altitude；Atmospheric pressure；Safety；Energy efficiency；Transient overvoltage；Clearance

2017-9-28

黄逊青(1962-)，男，高级工程师，主要从事家用热泵、太阳能、燃气等热利用等产品制造相关技术工作。

E-mail：hxq@vanward.com

ISSN1005-9180(2017)04-075-04

TQ051.5文献标示码B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.014