热泵系统能效测评方法研究

彭旭东，许 静，邱泽晶，尹环英

(国家电气设备检测与工程能效测评中心(武汉)，湖北 武汉 430074)

0 引言

中国快速的经济发展正带来环境剧烈恶化的严峻挑战。能源短缺目前已成为中国最严重的问题［1］。为了解决这些问题，政府出台了一系列政策鼓励和支持节能环保技术的研究和推广。在诸多节能技术中，热泵技术作为一种新能源技术，以其能源效率高、环境友好性强等优点得到了迅速的发展［2］，已经在多个省市，多种类型的工程中得到了应用［3－4］。在节能技改项目中，热泵系统也因为能源成本小、运行效果好而被节能服务公司和用能单位广泛采用，大量的企业、酒店、宾馆等采用热泵系统代替燃煤(油)锅炉实行节能技术改造。

虽然热泵系统的应用日益广泛，但针对热泵系统的能效测评方法却不多。国外的很多关于热泵的运行效率研究都集中于对多功能热泵机组不同运行模式下的标准研究［5］。国内对热泵系统的研究主要针对空调系统的性能、热泵产品的能效标准进行研究［6－8］。文献［9］中对地下水源热泵系统开展了全年的运行监测，进行了能效分析。文献［10］分析了水源热泵系统的效率。文献［11］中对多功能热泵机组进行了能效评价指标的研究，给出了机组全年运行的能效评定指标APF的计算依据。

本文围绕热泵系统的能效测评方法进行了研究和分析，研究了从理论上测试热泵系统效率的方法，分析了该测试方法在实际节能技改工程中应用的局限性，并结合具体的工程项目，给出了热泵系统代替锅炉类项目的节能量估算方法。

1 热泵系统的能效测试

热泵系统的能效测试，主要是通过测试热泵系统的制冷/制热功率与额定输入功率之比计算热泵系统的能效比［12］。为了达到能效测评的目的，可按照图1所示的原理进行测试。

图1 热泵机组测试原理图

1.1 测试条件

热泵系统的测试应在工程竣工验收合格、投入正常使用后进行。

热泵系统制热性能的测试应在典型制热季进行，制冷性能的测试应在典型制冷季进行。对于冬、夏季均使用的地源热泵系统，应分别对其制热、制冷性能进行测试。

热泵机组制热/制冷性能系数的测试工况应尽量接近机组的额定工况，机组的负荷率宜达到机组额定值的80%以上;系统能效比的测试工况应尽量接近系统的设计工况，系统的最大负荷率宜达到设计值的60%以上;室内温湿度检测应在建筑物达到热稳定后进行。

应同时对测试期间的室外温度进行监测，记录测试期间室外温度的变化情况。

1.2 测试设备

热泵系统的能效测试主要围绕COP进行。主要的测试内容和测试设备包括:

(1)水温度测试仪

采用温度计/电阻温度计、热电偶加电位差计，准确度不低于±0.2℃。

(2)水流量测试仪

超声波流量计，准确度不低于测量值的±5%。

(3)温湿度测试仪

各类空气温度计，准确度不低于±0.5℃;空气湿度计，准确度不低于±10%。

(4)功率

采用功率表、电力分析或电流电压表，准确度不低于测量值的±5%。

1.3 测试方法

围绕热泵系统的能效测试指标，测试步骤分为:

(1)室内外环境参数的测试

测试参数:室内外温湿度。

测试方法:根据建筑的平面布置情况，选取部分典型区域和房间，在典型区域和室外分别布置温湿度测量仪表，对测试期间室内外温湿度的变化情况进行监测。

测试周期:测试时间室内温、湿度检测应在建筑物达到热稳定后进行，测试时间为6 h。

(2)热泵机组的性能测试

热泵机组制热/制冷性能系数是指热泵机组的制冷/制热量与输入功率之比。

测试参数:

热泵机组用户侧的进出口水温、流量;

热泵机组热源侧的进出口水温、流量;

机组输入功率。

测试方法:参照GB/T 19409－2003《水源热泵机组》［13］中规定的试验方法进行测试。

测试周期:机组运行工况稳定后进行，测试周期为1 h。

(3)热泵系统的性能测试

典型季节系统能效比是指地源热泵系统的制冷/制热量与系统输入功率之比，这里的系统输入功率主要是指热泵机组以及与热泵系统相关的所有水泵的输入功率之和(不包括用户末端设备)。

测试参数:

系统热源侧进出口水温、流量;

系统用户侧进出口水温、流量;

热泵机组消耗的电量;

水泵消耗的电量。

测试时间:热泵系统的检测应在系统运行正常后进行，测试周期为2－3天。

上述理论方法为热泵系统的性能测试提供了依据，包括测试仪器、测试参数、测试条件等，也为热泵系统节能量计算提供了理论参考。在热泵系统的节能技改中，原则上也需要按照上述理论方法，采用标准的测试设备，对热泵系统运行的各项参数进行理论测量和精确计算。然而，在实际的能源审计及节能量审核现场中，受场地、环境、时间等各项因素的限制，难以按照实验室的测试理论进行热泵系统的测试，但是，结合上述测试原理，对相关参数进行估算，得到热泵系统的节能量。如热泵机组用户侧的水量，可以根据酒店运行的实际用水量进行估算，而出水口的水温，也可以通过洗浴适宜的水温进行测算。因此，根据热泵机组性能测试的原理，可以得出适用于工程现场的节能量计算方法。

2 空气源热泵节能量计算实例

热泵系统作为重要的节能项目，目前尚无专门的、可操作性强的节能量测量和验证方法，因此，研究和确定一套热泵系统的节能量计算方法非常有必要。可为企业的节能技改及能源审计、合同能源管理等项目提供计算方法和数据参考。本论文以空气源热泵机组为例，阐述一种可行的空气源热泵系统的节能量计算方法。该方法已经用到了节能量审核的计算中，且得到了数据验证，是一种可供参考的方法。

实例:某连锁酒店的四个分店(以分店1、分店2、分店3、分店4代替)以空气源热泵机组代替原有的燃油锅炉(以柴油为热源)，为酒店提供洗浴热水。各分店的客房数如下:

表1 各分店的客房数

由于改造前的燃油锅炉及改造后的空气源热泵机组都只为酒店提供洗浴热水。因此本项目的节能量计算可以采用能量平衡的方法进行［14］。根据能量平衡原理，改造前后能源消耗的热量与能源转换效率的乘积等于酒店提供的热水的热量。

式中 Q1——能源消耗所提供的热量/J;

η——能源转换过程的热效率;

Q2——酒店洗浴所需热水的热量/J。

因此，项目改造前后能耗量均可按上述能量平衡公式进行。则改造前所耗能源折标煤Eb与改造后所耗能源折标煤Ej的计算公式分别为

式中 Nmax——酒店的最大容客量/人;

δ——酒店的入住率;

P——酒店每人每天的最大给水量/L;

ρ——水的密度/kg·L－1;

c——水的比热容/kJ·kg－1·℃－1;

ΔT——酒店需要加热水的温度/℃;

θ1——柴油的折标煤系数/tce·t－1;

d——酒店热系统的年运行天数/天;

μ——热工当量;

β——蒸汽的热量传递给热水加热过程的热损失率;

η——燃油锅炉的热效率;

L——柴油的低位发热量/kJ·kg－1。

根据现场实测，得出改造前各个分店年耗柴油折标煤情况，见表2。

表2 节能改造前能耗计算表

改造后耗电折标煤Ej的计算公式为

式中 COP——热泵机组的能效比;

θ2——热量折电系数/kWh·kJ－1;

γ——电的折标煤系数，单位:tce/万 kWh。

得出节能改造后能耗计算如表3。

表3 节能改造后能耗计算表

因此，项目改造的节能量为

其中，Eb=930 tce，Ej=309 tce。则 ΔE=Eb－Ej=930 tce－309 tce=621 tce。

据酒店实际能耗运行数据进行验证，得出酒店改造实际运行的节能量与采用上述方法计算的节能量相近。可见，该方法计算热泵系统节能量是一种行之有效的计算方法，可供类似项目节能量计算参考。

3 结语

本文提供了一种热泵系统的能效测评方法，包括理论测试方法和适用于工程现场的节能量估算方法。同时以空气源热泵系统替代燃油锅炉为例，给出了该方法的实际案例分析。实际证明，该方法合理有效，可供能源审计、合同能源管理以及节能技改中，热泵系统节能量估算。

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