空气源热泵热水器全年运行能效评价初探

林爱革，张 龙

（珠海格力电器股份有限公司，珠海519070）

空气源热泵热水器全年运行能效评价初探

林爱革，张 龙

（珠海格力电器股份有限公司，珠海519070）

本文结合热泵热水器现有能效评价方法特点和产品性能特点，并与国外热水器能效测试方法对比，另外从热泵热水器全年运行的环境影响因素，来分析能效评价方法的必要性，并结合作者的认识给出一个全年运行能效评价方案。

APF；全年热需求；气象数据国；度区间

1 引言

空气源热泵热水器以空气为热源，通过制冷系统从空气中吸收热量，用于制取生活热水。

与传统电热水器相比，热泵热水器在能源利用效率方面具有明显优势。

但目前各种热水器之间没有统一的评价平台，无法突出热泵热水器的节能优势，另一方面由于热泵系统采用卡诺循环，制热能力受环境影响很大，在低温环境下使用时，加热性能衰减较大，如果没有以全年运行的综合能效为基础，也无法让用户和传统热水器厂家相信热泵热水器的节能效果。

因此，需要针对空气源热泵热水器的全年运行情况，采用全年运行能效的评价方法。

本文通过对美国、欧盟等热泵热水器的测试方法 （标准）进行对比研究。探讨建立综合全年运行和用户用水的能效评价方法。

2 当前国外主要热水器能效评价方法

2.1 欧盟

目前欧盟热水器ErP生态设计实施条例［1］规定了10种规格的热水器（3XS、XXS、XS、S、M、L、XL、XXL、3XL、4XL），根据热水器规格分别制定了放水模型；结合EN 16147-2011标准（该标准中明确了一些热水的用途），规格在M及以上的热水器才能满足淋浴用水需求。

3XL规格：热水总热量46.76kWh，约等效1608L的40℃热水，约等效1005L的55℃热水；没有像其他规格少量用水，应已不适合家庭使用。

使用室外空气作为热源的分体式热泵热水器，欧盟放水测试的工况，室外侧干球温度7℃，湿球温度6℃，水箱放置在20℃的环境温度中。

热水器的能效为24小时测试期间热水器热量与耗电量的比值。计算时需用待机损失修正能效。

2.2 美国

美国的能效法规［2］中关于热水器的测试方法，按照热水量的流量 （直热式）和第1小时产水量，测试方法将热水器分成了4种使用情况 （见表2-1）：

表2-1 美国热水器规格划分

测试条件：

1）环境温度，环境干球温度维持在18.3～21.1℃。湿球温度维持在19.7℃±0.6℃。且测试期间相对湿度维持在48%～52%

2）供水温度，测试期间提供给热水器的水温维持在14.4℃±1.1℃。

3）储水箱温度，对于储水式热水器温控器应设定为满足出水温度51.7℃±2.8℃。

4）设定温度点，对于直热式热水器温控器设定为满足出水温度51.7℃±2.8℃。

在此基础上 （热水器规格和测试条件）设置了4种用水模式。

以用水模式的能效作为热水器的能效指标。

2.3 日本［3］

通过测试5个点的热泵制热量 （见表2-2），以及标准热水供应试验 （放水，接近3天的测试）（见表2-3），根据标准热水供应模式的热水热量和放水时间进行测试，并综合：“一年中每个夜晚平均室外温度的发生天数”进行能效计算。

2.4 国外标准简要对比

1）欧盟和美国最新标准能效评价的思路非常接近，都是以24小时，模拟用户的热水使用情况进行放水测试，测试方法适用于所有热源的热水器；

表2-2 热水器各季节制热量测试工况

表2-3a 标准热水供应试验的测试工况

表2-3b 标准热水供应试验中沸水、热水供应的时间分布

2）对于热泵热水器，美国没有对热源进行区分，欧盟分别规定：室外空气、室内空气、废气、排气、水源等热源的测试工况；

3）对于采用室外空气的热泵热水器，欧盟和美国没有考虑全年制热水时，环境温度对制热能效的影响因素；

4）日本热泵热水器的测试方法比较全面的考虑了用户用水以及季节变化，但其计算方法比较复杂。

3 热水器能效评价方法初步方案

3.1 国内热水使用习惯简析

1）在我国，生活热水主要用于洗浴，对于家庭来说，洗浴用水的温度 （热水与冷水混合后的水的温度）一般为40℃，用水情况比较稳定；

2）用水标准参考：淋浴40～70L/人；浴缸100～150L/次，格力电器的空气能热水器的产水量约为21L/（h·kW），用户选型会根据厂家的推荐进行，一般来说用户用水量为机组热水产水量的2倍，即机组1h产水量为G，则基本能满足用户2G的热水需求；

3）除冬季早上洗漱可能少量使用热水外，国人的洗浴习惯比较集中在晚上 （洗澡和洗脚），其他时间段应该很少使用热水，可暂不考虑其他少量用水。

3.2 热水用量

根据3.1的分析，40℃的热水需求量按下式计算 （定值）：

式中：

G—名义制热工况的1h产水量，kg

或自带水箱的名义容量，kg

例如：制热量3.5kW的机组产水量为75L/h，则：

Gm=240 kg（水的密度按1kg/L计算），能够满足3口之家的热水用量。

3.3 气象数据

由于热水器不同于空调，其运行方式是逐日运行，能效与日平均气温相适应，且目前热水器都可以预约在白天气温高时运行，所以按逐时统计的温度分区不太适用于热泵热水器，其次，考虑到气温越高，热泵热水器能效相对较高，所以采用逐日平均气温也不会造成能效虚高的情况。

从 “中国热环境分析专用数据库”，导出了北京、南京、广州、哈尔滨、昆明的日平均温度（见附件），这5个城市代表了我国5个建筑热工分区 （寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、严寒和温和）。普通热泵热水器在严寒地区使用时性能差，需单独开发。所以，下述的评价方案的工况暂不考虑严寒地区。严寒地区可在本方案基础上增加测试工况。

3.4 测试工况

见表3-1。

表3-1 测试工况

3.5 季节能效测试方法

3.5.1 一次加热式热泵热水器

在表3-1规定的高温工况、名义工况、最小运行工况、低温运行工况、超低温工况下测试热泵制热量，在热泵热水器出水口加装温度计及水流量控制装置，测试并记录热泵热水器的进水温度T1（℃）、出水温度T2（℃）、水流量G（L/h）、热泵制热消耗功率P（W）。

非稳态制热试验方法按目前行业内公认的测试方法。

3.5.2 循环加热式、静态加热式热泵热水器

在表3-1规定的高温工况、名义工况、最小运行工况、低温运行工况、超低温工况下，在水箱内注满规定温度的冷水，将水加热至55±0.5℃，记录初始温度t1（℃）、终止温度t2（℃）、被加热水体积V（L）、加热时间H（h）、耗电量E（kWh）。

3.5.3 热泵制热全年能源消耗效率（APFh）

全年能源消耗效率按照式 （3-2）进行计算

式中：

Pj—时间表中日平均气温编号j时制热消耗功

Wj—时间表中日平均气温为tj时每日所需的总热水热能，kJ；

Gm—40℃的热水需求量，kg；

G—额定制热工况时的1h产水量，kg；

4.187—水的定压比热容，kJ/（kg·℃）

nj—日平均气温编号j相应的发生天数；

Tj，c—日平均气温为tj时的冷水温度，℃；

当tj≤2℃时，Tj，c=6

注：5个城市日平均气温最高为33℃

COPj—时间表中日平均气温编号j的性能系数，W/W；

当tj在-7～27℃之间，COPj通过表3-1测试的结果内插求值。

当tj≤-7℃时，

COP-7、COP2、COP7、COP20、COP27—为测试的超低温工况、低温运行工况、最小运行工况、名义工况、高温工况的性能系数。

3.6 模拟使用测试方法

3.6.1 放水模型

在表3-1规定的名义工况下测试，按表3-2规定的热水总热量进行放水。

表3-2 用水模型

3.6.2 测试方法

3.6.2.1 对于储水式热水器

3.6.2.1.1 预试验

a）测试工况按表3-1名义工况。

b）往水箱中充满规定初始温度和压力的冷水，初次注水过程中热水器关闭。

c）打开热水器和相关的热泵机组，运行直到热泵停机——按照等同于制热水能力的流量放水，同时注入等流量的冷水，直至热泵再次启动，此时停止放水和注水放水——到设定温度停机。

d）再重复放水、开机、停机2次，并记录最后一次启动前放出的热水热量 （单位：kJ）、热泵重新启动到停机运行过程中的加热使用的时间（单位：h）、耗电量（单位：kWh）。

3.6.2.1.2 放水试验

a）根据机组的产水量，按照表3-2的用水模型进行放水。

b）每次放水前需根据水量显示和制造商的说明判断剩余的热水量是否能够满足放水所需的热水量。

c）产水量V≤75L/h，剩余水量足够下一次放水，则两次放水之间的时间间隔20min（单浴室）。

d）产水量V>75L/h，剩余水量足够下一次放水，则两次放水之间的时间间隔10min（多浴室）。

e）按照表3-2的放水模型放水，淋浴、盆浴穿插进行；淋浴最小放水流量6L/min，盆浴最小放水流量10L/min。

f）如果放出的水不能满足表3-2中“有效水温”要求，则计算时需要在消耗功率中以辅助热源补充。

g）按表3-2完成放水后，如热泵正在运行，则在热泵运行结束后结束试验。

h）如热泵未运行则在完成表3-2的放水后，按照等同于制热水能力的流量进行最后一次放水（记为放出水的热量，单位kJ），同时注入等流量的冷水，直至热泵再次启动，直接断电、停机（因为热泵重新运行的时间和耗电量在预试验步骤d）时已记录）。

3.6.2.2 对于一次加热式热水器

不使用水箱测试时，直接按照表3-2的要求放水。

使用标准水箱 （水箱保温、温度传感器布置需明确）按储水式热水器的放水要求。

3.6.3 能效计算

式中：

PT——放水测试过程耗电量，kWh；

Pstby——待机耗电量，kWh

一次加热式热水器不使用标准水箱的测试，Ql、Pstby均为0。

3.6.4 待机功率损失的测试和计算

a）待机热损失：按GB/T 23137-2008中的6.10.2的a）保温试验，将保温试验结束时所测得温度记为Tstby，2，保温试验测试前的温度取55℃。

b）每小时热损失量为：

VT为水箱容量，单位L；1为水的密度，单位kg/L；4.187为水的比热容，单位kJ/（kg·℃）。

c）待机损失需要耗电量：

3.6.5 热泵热水器全年能效计算

热泵热水器全年运行能源消耗效率按照式 （3 -5）进行计算：

4 方案存在的问题

1）测试工况，如果使用现有最大运行工况作为高温测试工况，可以在最大运行工况测试的基础上进行制热量和消耗功率的数据采集、计算，减少测试工作量及费用，但可能会加大计算数值与实际数值的偏差，且从几个建筑分区的全年日平均温度分布看，南京、广州最高都只有33℃ （日平均温度），而如果重新选取一个温度点，则会增加测试工作。

2）气象数据，个人建议使用日平均温度。

3）放水方式没有进行全面的用户使用习惯调查。

4）需考虑是否像空调产品一样，仅选取一个典型城市进行全年能效考核。

5）考虑到严寒地区的气候特性，建议全年能效指标区分低温机型和标准机型。

6）-7℃以下和27℃以上，这2个温度区间，方案中的制热量和COP采用外延法求值，主要考虑从时间表中，这2个区间的天数少，其次这2个区间的相关性能系数确实与趋势有一定的吻合性。

5 结论

1）本报告结合现有产品标准中的测试工况、气候数据以及简单的用户使用习惯分析，提出了一种新的能效评价方法，具有一定的可行性，希望能对后续热泵热水器能效国标的修订起到抛砖引玉的作用。

2）本方案在现有国标基础上主要增加了高温工况试验、超低温工况以及放水测试，低温运行工况可与现有除霜试验结合，所以对企业来说增加的试验相对较少。

3）本方案APF的基本原理是通过分别计算季节加热温升能效和模拟用水模式的能效后，进行修正计算。

（附件：主要代表城市全年各温度 （日平均）发生时间——附后）

［1］（EU）NO 814/2013热水器和热水储存罐的ErP生态设计实施条例 ［S］

［2］美国热水器能效法规（Federal Register/Vol.79，No. 133/Friday，July 11，2014/Rules and Regulations）［S］

［3］JRA 4050：2009家用热泵热水器［S］

附件：主要代表城市全年各温度 （日平均）发生时间

The Annual Performance Factor Evaluation M ethod of Air Source Heat Pump-water Heater

LIN Aige，ZHANG Long
（Standard Administration Department of GREE ELECTRIC APPLIANCES INC.OF ZHUHAI，Zhuhai519070，China）

In this paper，combined with the heat pump water heater of existing energy efficiency evaluationmethod and product performance characteristics，and analyzes the necessity of heat pump water heater using the energy efficiency evaluationmethod，combined with the evaluation scheme is given a preliminary understanding of the annual operating energy efficiency.

APF；annual heat contribution；Weather data；Temperature Bin

附件1 北京气象数据发生表

附件2 南京气象数据发生表

附件3 广州气象数据发生表

附件4 哈尔滨气象数据发生表

附件5 昆明气象数据发生表

TQ051.5［文献标示码］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.006

ISSN1005-9180（2015）03-032-08

2015-2-28；

2015-4-5

林爱革（1974-），男，工程师，研究方向：制冷空调产品性能评价方法及发展方向。Email：18023038766@189.cn