空气源热泵热水器在寒冷地区冬季的能效分析

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0981 文章编号：0254-0096（2023）01-0543-08

摘 要：对一台家用空气源热泵热水器进行冬季性能测试，研究室外空气温度、水箱温度不同时机组性能变化。基于测试数据分析影响机组性能的敏感因素，依据所得天津地区实测数据分析其冬季平均能效。结果表明：[COP]最低为1.30，具有节能效果；保证用水舒适度及机组运行稳定的情况下，45 ℃为水箱最佳设定温度；室外空气温度偏移较水箱平均温度偏移对系统性能更敏感；测试工况下热泵机组单独工作和启动电辅加热时全冬季的平均能效相差甚微，若用户设定机组在日最高温度时段开启加热，能获得更好的节能效果。

关键词：能效分析；空气源热泵；热水器；环境温度；寒冷地区

中图分类号：TU83" " " " " " " " " " " "文献标志码：A

0 引 言

近年来，能耗和环境问题成为全球性挑战，提高太阳能［1］、地热能［2］和空气能［3］等可再生能源的应用尤为重要。空气源热泵在高能效、经济性、安全性和减排方面显示出良好前景［4］。空气源热泵热水器的主要市场分布在长江以南地区，现已逐渐向北方地区扩展。但因各种因素制约，空气源热泵热水器在北方寒冷地区市场占有率仍很低。在中国，对热泵性能进行评价时，多采用性能评价指标[COP]（能效比），其定义为：额定工况下热泵机组的制热量与耗电量的比值。相同制热量条件下，[COP]越高越有利。张丽等［5］利用焓差实验室研究空气源热泵热水器性能参数的变化；郝吉波等［6］进行了变工况测试分析，但未给出定量的趋势；王宇等［7］对不同环境下热水器能效进行测定，评价了不同地区全年运行能效；郭兴国等［8］虽然对不同地区空气源热泵热水器的经济性进行了分析，但均未针对寒冷地区冬季工况进行实际测试研究。

本文对空气源热泵热水器在天津地区冬季进行性能测试（天津位于寒冷地区A、B区交界处，具有典型寒冷地区气候）。通过测试，计算得到不同工况下系统制热功率、耗功率及[COP，]进而分析空气源热泵热水器在天津地区冬季能效，以期为其在北方寒冷地区的推广提供依据。

1 测试系统

1.1 使用场景设定

热水器的运行工况十分复杂，为方便测试与计算分析，本文设定该热水器为三口之家在20：00—23：00期间使用。根据国家标准《家用和类似用途热泵热水器》GB/T 23137—2020，按照三口之家的用水量，本文选用的100 L蓄热水箱容量满足使用要求。

1.2 空气源热泵热水器系统组成

100 L蓄热水箱，涡旋式压缩机，额定输入功率743 W，额定制热量2600 W，翅片式蒸发器，制冷剂为R134a。室外温度低于设计温度（[-7 ℃]）时会自动启动电辅加热，电加热功率为2000 W。

1.3 测试工况

测试时间从2020年11月—次年3月，测试环境温度变化范围为[-17～22 ℃]。为了得到空气源热泵热水器在较低温度工况下的运行数据，本文所取测试的最高气温为7 ℃。测试期间进水温度波动范围为[17.1～23.8 ℃]。

1.4 测试方法

按照国家标准《家用和类似用途热泵热水器》GB/T 23137规定的静态加热式热泵热水器的测试方法进行测试。将初始温度相同的水加热到不同的设定温度（30、35、40、45、50、55、60 ℃），在此过程中记录通过数据采集系统获得的测试过程中的相关参数（空气源热泵热水器耗电量、运行时间和温度）。制热功率、耗功率及[COP]均指整个加热时间内的平均值。

将计算机与智能电表相连，实时测得热水器工作时的功耗（每10 s记录一组参数）；将7组热敏电阻分别编号1～7，依次放置在水箱出口管、蓄热水箱进口管、蓄热水箱内部、室外、室内、水桶内（测量放水时水桶内的水温）及蓄热水箱外壁面，各测点通过记录仪对数据进行读取和采集（每60 s读取一组参数）；温湿度自记仪实时记录室外环境的干、湿球温度（每20 s读取一组参数）。试验台实测装置如图1所示。

2 理论分析

宏观上可将整个系统分为2个开口系统。图2为水箱构成的系统（记为系统1）和热泵机组构成的系统（记为系统2）的示意图。图2中：[Qk]为冷凝器向水中放出的热量，kJ；[Gms]为水箱进水的质量流量，kg/h；[hsj、][hsi]分别为水箱进水焓、出水焓；[Qs]为水箱散热量，kJ；[QO]为蒸发器吸收的热量，kJ。

由此建立蒸发器与室外空气的数学关系，如式（1）所示。实际测量计算公式如式（2）～式（5）所示。

制热量[H：]

制热功率[Q：]

耗功率[W：]

性能系数[δCOP：]

式中：[Mcw]——冷凝器水侧的质量，kg；[cp]——水的比热容，为4.186 kJ/（kg·℃）；[Gm]——制冷剂质量流量，kg；[tw2、][tw1]——冷凝器水侧的进出口温度，℃；[τ1、][τ2]——加热初、终时间，h；[E]——消耗电能，kWh；[Q]——制热功率，kW。

3 测试数据分析与评价

在测试时间段内，该热水器在最低温度[-17 ℃]的室外条件下仍可正常使用，但[-7 ℃]以下设备会自动启动电辅加热（工厂设定）。为了能评价热泵机组的加热性能，本文将室外干球温度高于、等于或低于[-7 ℃]时热水器的运行参数单独进行分析。空气湿度也会对冬季空气源热泵热水器的性能产生一定影响。杨庆成等［9］在拟定的实验环境（干球温度10～30 ℃，相对湿度34.9%～86%）下研究室外干、湿球温度对系统性能的影响。结果表明：若维持室外干球温度不变，改变湿球温度，系统制热量、耗功率、[COP]等参数变化不明显。北方寒冷地区冬季气候干燥，最冷月相对湿度均维持在45%～65%［10］。经实测数据得到天津地区冬季每月平均相对湿度如图3所示，可看出冬季每月平均相对湿度在50%～60%附近波动。本文实验所处室外干球温度范围在5 ℃以下，温度较低，会有结霜情况出现。实验测试设备具有自动除霜能力，除霜能耗已计入能效评价的数据中，因此相对湿度对能效的影响不再单独分析。

3.1 室外温度对系统性能的影响

室外环境温度的改变会对空气源热泵热水器的运行性能产生重要影响。选取冬季室外温度[-7～7 ℃]（未启动电加热范围），对相同水箱平均温度下的性能参数进行分析。图4～图6分别为不同室外环境下系统制热功率、耗功率、[COP]的变化情况。图4a为水箱平均温度为45 ℃时，随着室外温度的升高制热功率的变化情况。制热功率随室外温度的升高而增大，且增大速率为118.61，对应的拟合曲线近似为一次函数[Q1=118.61t1+1714.42]。随着室外空气温度的升高，蒸发器中制冷剂和空气传热温差增大。由于制冷剂的过热度增加，电子膨胀阀自动调节，导致压缩机做功增加，制冷剂流量增加，因此系统制热功率呈上升趋势。图4b为不同水箱平均温度下制热功率随室外温度的变化趋势，图中显示的不同水箱平均温度下拟合曲线平均增速为96.94，与平均增速偏离最大为10.60%，偏离最小为0.04%，可认为其变化趋势近似一致，故可根据该拟合曲线近似估计该空气源热泵热水器在不同工况下的性能变化趋势。

图中机组的耗功率随室外温度的升高而逐渐增大（制热功率也增大），增速为8.37，对应的拟合曲线近似为一次函数[W1=8.37t1+684.63]。压缩机功率的主要影响因素为压缩比和制冷剂流量，因吸气压力随室外环境温度的上升而增大，排气压力几乎保持不变，故压力比减小。但由于此时制冷剂流量增大，共同作用下使得压缩机的耗功量增加。图5b为对应不同水箱平均温度下耗功率随室外空气温度的变化情况。拟合曲线平均增速为7.96，与平均增速偏离最大为15.08%，偏离最小为1.00%。当水箱平均温度为55 ℃、室外温度为5 ℃时，机组的耗功为785.97 W，约为额定功率的1.06倍，低于压缩机允许的最大功率。

图6a为水箱内平均温度为45 ℃时，随着室外温度的升高系统[COP]的变化情况，图6b为不同水箱平均温度下[COP]随室外温度变化的趋势。经上述分析可知，随着室外环境温度的升高，系统制热功率和耗功率均增加，但运行过程中系统制热功率比压缩机平均耗功率变化显著，故计算得系统[COP]随室外环境温度的升高呈增大趋势，增速为0.14。水箱平均温度为55 ℃、室外温度为[-7 ℃]时，[COP]最低达到1.30，但仍大于1。设备运行正常，相较于其他热水器是节能的。

3.2 水箱平均温度对系统性能的影响

为得到冬季最适宜的水箱设定温度，使效益最大化，保持进水温度及进水流量不变，冬季室外温度选取[-5～5 ℃]，分析水箱平均温度分别在30、35、40、45、50、55 ℃下热水器的性能。图7a为冬季室外空气平均温度为0 ℃时，随着水箱平均温度的升高空气源热泵热水器制热功率的变化情况（天津冬季近10 a室外平均温度为1.60 ℃，0 ℃接近平均温度且相对偏低，具有代表性）。当室外环境温度一定时，机组的制热功率随水箱平均温度的升高而减小，增速为-46.75，对应的拟合曲线近似为一次函数[Q2=-46.75t2+3657.87]。此时制热功率约为1599.12 W，是额定制热功率的61.5%。随着水箱平均温度的升高，冷凝段温度不断升高，此时冷凝器中制冷剂温度和水箱内部水的温差减小，制热能力变差，制热功率减小。图7b为不同室外空气温度下制热功率随水箱平均温度的变化情况，可看出不同室外温度下拟合曲线平均速率为[-48.55]，与平均斜率偏离最大为20.09%，最小为0.41%。

图8a为冬季室外空气平均温度为0 ℃时，随着水箱平均温度的升高空气源热泵热水器耗功率的变化情况。当室外环境温度一定时，机组的耗功率随水箱平均温度的升高不断增大，增速为46.75，对应的拟合曲线近似为一次函数[W2=5.01t2+448.39]。主要原因在于压缩机的耗功率与其吸气、排气压力有关。当机组工作时，压缩机的吸排气压力均随加热时间增加，但吸气口压力增加速度较慢导致压力比增加，因此压缩机的耗功率增加。图8b为不同室外空气温度下耗功率随水箱平均温度的变化情况，图中拟合曲线平均斜率为5.16，与平均斜率偏离最大为10.47%，偏离最小为0.78%。由以上结果可得，在寒冷地区冬季室外平均温度为0 ℃、水箱平均温度为45 ℃时，系统耗功率为693.78 W，低于额定功率；当水箱平均温度为55 ℃时，系统的耗功率为743.38 W，超过系统的额定功率。

图9a为随着水箱平均温度的升高空气源热泵热水器[COP]的变化情况。环境温度为0 ℃时，系统平均[COP]随加热时间的增加不断减小，减小速率为[-0.09]。水箱内水平均温度升高，冷凝温度升高，故冷凝温度与制冷剂的温差、制冷剂流量、系统制热量均减小。而此时输入功率增加，故系统平均[COP]减小。冬季室外温度为0 ℃、水箱内温度为55 ℃时，[COP]最低达到1.46，性能较差；水箱平均温度为45 ℃时，[COP]达到2.08，提高了42.4%。

根据国家标准《建筑给水排水设计标准》GB 50015—2019，家用沐浴器的用水标准为40 ℃。对于储水式加热器，在加热完成后到使用间存在热量损失，为保证用水舒适度，最适宜水箱出水温度设定为45 ℃。

3.3 系统性能对影响因素的敏感性分析

敏感性分析来源于自动控制和经济学领域，经分析得到不确定因素的数值变化对评价指标的影响力大小。在分析中找到影响力大的因素进行调修以获得较好的结果［11］。空气源热泵热水器的主要影响因素为室外空气温度、水箱平均温度。本文对系统制热功率、耗功率及[COP]对室外空气温度和水箱平均温度的敏感性进行分析，设影响因素的变化幅度为±5 ℃。

图10a为系统制热功率随偏移温度的变化情况。室外温度为0 ℃，以水箱平均温度45 ℃为基准，当水箱平均温度偏移时曲线斜率为[-43.41]；水箱平均温度维持45 ℃，取室外温度0 ℃为基准，当室外温度偏移时曲线斜率为113.74。故得系统制热功率对室外空气温度更敏感。与制热功率工况设置相同。图10b为系统[COP]随偏移温度的变化情况，当水箱平均温度偏移时曲线斜率为[-0.09]；当室外温度偏移时曲线斜率为0.14。图10c为系统耗功率随偏移温度的变化情况，当水箱平均温度偏移时曲线斜率为6.13；当室外温度偏移时曲线斜率为8.45。由以上分析可知室外空气温度偏移比水箱平均温度偏移对系统制热功率、[COP]及耗功率的影响更大，即更敏感。

3.4 冬季平均能效分析

根据3.1、3.2节测试结果可得，室外空气温度及水箱内平均水温是影响空气源热泵热水器能效的主要因素。由3.3节结果可知，系统性能对室外空气温度更敏感。故机组工作时室外空气温度的改变将对机组冬季平均能效产生较显著的影响。由以上测试分析得到，室外温度在[-7～5 ℃]区间内热泵机组能可靠运行，室外温度低于[-7 ℃]时工厂设定启动电辅加热。为了更直观地比较压缩机单独工作与直接电辅加热参与工作的情况下机组整个冬季工作时间段的的平均运行能效，现将2种情况运行时间换算为以天为单位，按照式（6）进行计算。

式中：[Q1]——热泵机组单独运行时每天的总制热量，kWh；[Q2]——直接电辅加热所得到的热量，kWh；[DHP]——热泵机组单独工作的时间，d；[DE]——仅靠电加热器单独工作的时间，d；[W1]——热泵机组单独运行时每天消耗的电量，kWh；[W2]——电加热器工作时每天消耗的电量，kWh，当热泵机组单独工作时[Q1]=0、[W2]=0。

按照本文设定的使用场景，热泵机组每日的使用时间在20：00—23：00，图11为机组在工作时间段制热量和耗电量的变化情况。在室外温度最低（[-17 ℃]）时，该热水机组最长工作周期为2.5 h。为保证热水能完全加热至最初的设定温度，选取20：00—02：00对应的室外温度对以下情况进行分析，具体计算结果见表1。

3.4.1 仅热泵系统工作情况下的能效

经实测统计，工作时段室外空气温度大于等于[-7 ℃]的小时数为845 h，占整个冬季工作时段小时数的93.89%。在该温度条件下仅热泵系统单独工作，此时系统的平均能效为2.56，具有较好的工作性能。

3.4.2 电辅加热与热泵共同工作情况下的能效

当室外温度低于[-7 ℃]时，电辅助热泵机组加热，此时系统的平均能效为2.44，空气源热泵热水器运行稳定且能效较高。相比于热泵机组单独加热，电辅加热时机组能效仅降低4.68%。主要原因在于实验工况下热泵机组室外温度低于[-7 ℃]的时长短，仅55 h，占整个冬季工作时段时间的6.11%。

3.4.3 冬季日最高温度时热泵工作情况下的能效

以上为热泵按使用场景规定的时间段内工作时的机组能效情况。经实测统计，室外温度低于[-7 ℃]的情况大多分布在每日凌晨，每日14：00—17：00日气温达到最高（如图12所示）。若用户控制空气源热泵热水器的加热时间，使其每日气温最高时间段启动加热则可能进一步发挥空气源热泵热水器的节能优势。

以每日14：00—17：00为日最高气温时间段，共604 h，此段时间内统计得到机组能效情况如表2所示。在该段时间内，电辅加热的时长仅为16 h，而热泵机组单独工作的时长为588 h，占该段时间总时长的97.35%，且有140 h为10 ℃以上。此时热泵单独工作能效达到3.19，比正常工作时段内热泵单独工作时的能效提升25%。即使启动电辅加热，其平均能效仍达到3.09，比仅热泵工作时仅降低3.13%，机组能效得到很大提升。

4 结 论

基于对空气源热泵热水器在天津地区冬季的性能测试，分析了空气源热泵热水器在北方寒冷地区冬季的适用性。测试与分析表明，空气源热泵热水器在北方寒冷地区仍有较高的应用价值和节能效果。

1）水箱平均温度一定，随着室外温度的升高，系统制热功率、[COP]增大，耗功率略有增大，整个冬季设备运行稳定。

2）当保持室外环境温度不变，机组的耗功率随水箱温度的升高呈线性增加，系统制热功率及[COP]则不断减小。在冬季室外平均温度下，水箱平均温度设定为45 ℃时压缩机功率远小于额定功率，[COP]比水箱平均温度设定为55 ℃时也有所提升。为保证用水舒适度同时考虑系统性能，建议用户使用时将水箱温度设定为45 ℃。

3）分析系统制热功率、[COP]及耗功率对室外空气温度及水箱平均温度的敏感性得到室外空气温度偏移比水箱平均温度偏移对系统制热功率、[COP]及耗功率的影响更大，即更敏感。

4）在设定的使用场景时间段内，热泵单独工作与电辅加热和热泵共同工作时空气源热泵热水器平均能效相差甚微，若将空气源热泵热水器每日工作时间设置在日最高温度时段，其能效可获得更大提升，是十分可行的节能方式。建议用户自主设定空气源热泵热水器加热时间，进一步发挥空气源热泵热水器的节能优势。

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ENERGY EFFICYENCY ANALYSYS OF AIR ENERGY WATER

HEATER IN COLD AREA IN WINTER

Zhang Zhigang1，Liu Ying1，Yao Wanxiang2，3

（1. School of Energy and Safety Engineering， Tianjin Chengjian University， Tianjin 300384， China；

2. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China；

3. Tianjin Key Laboratory of Civil Structure Protection and Reinforcement Tianjin Chengjian University， Tianjin 300384， China）

Abstract：The performance of a small household air source heat pump water heater was tested in winter， and the performance changes of the unit were studied when the outdoor air temperature and water tank temperature were different. Based on the test data， the sensitive factors affecting the unit performance are analyzed，and the average energy efficiency in winter is analyzed according to the measured data in Tianjin. The results show that the lowest COP is 1.30， which has energy-saving effect， under the condition of ensuring water comfort and stable operation of the unit， 45 ℃ is the best set temperature of the water tank. The outdoor air temperature offset is more sensitive to the system performance than the average temperature offset of the water tank. Under the test conditions，there is little difference in the average energy efficiency of the whole winter when the heat pump unit works alone and starts the electric auxiliary heating.If the user sets the unit to start heating at the highest temperature of the day，better energy-saving effect can be obtained.

Keywords：efficiency analysis； air source heat pump； water heater； ambient temperature； cold area