CO2热泵热水器的实验室评估

2016-01-20周子成

制冷 2015年4期

关键词：环境空气淋浴热水器

周子成

收稿日期：2015-9-30

文章编号：ISSN1005-9180(2015)04-042-08

作者简介：周子成(1935-)，男，教授，主要从事制冷空调的理论研究和新产品设计。Email：zichengzhou@163.com

CO2热泵热水器的实验室评估

周子成

[摘要]本文叙述一台带有室外热交换器的变速CO2热泵热水器的实验室测定结果。测试包括在室外环境温度为-8.3℃至35℃下进行的标准24小时和第1小时的额定等级试验的热泵效率;室外机的噪声水平测定;和对输送水量测定以及室外机组在10℃环境条件下运行时的高效率淋浴水量测定。

关键字：评估；CO2；热泵热水器

中图分类号：TQ051.5

文献标识码:A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.008

Laboratory Assessment of CO2Heat Pump Water Heater

ZHOU Zicheng

Abstract：This paper describes the results of a CO2Heat pump water heaters test with an outdoor heat exchanger.The project conducted lab tests of a variable-speed，CO2refrigerant HPWH with the heat exchanger located in the outdoor unit.The testing plan included observing heat pump efficiency at a range of outdoor ambient temperatures from -8.3℃ to 35℃；conducting the standard 24-hour and 1-hour rating tests；measuring outdoor unit noise levels；and quantifying the number of efficient showers delivered with the outdoor unit operating at 10℃ ambient conditions.

Key words:Assessment；CO2；Heat Pump Water Heater

1引言

二氧化碳热泵热水器比其他常规制冷剂的热泵热水器具有许多优点。首先是它使用了环境友好型自然制冷剂，对大气臭氧层无破坏作用，并且其温室效应很小，是R410A的1/1730，R22的1/1700，R407C的1/1600，R134a的1/1300。其次，它是在跨临界热泵循环下工作，制热性能系数高，目前产品的实际值已达到4.9以上。第三，它的出水温度高，可达到90℃，特别适用于热水器各种温度的需要。而常规制冷剂的热泵热水器只能达到55℃左右。第四，它在低环境气温下仍有足够的制热量和较高的效率，特别适用于北方寒冷气候地区使用。

我国二氧化碳热泵热水器的商业化进程较晚，但目前已开始有良好的发展势头。2014年3月海尔推出了拥有自主知识产权的名为“天沐”的首台CO2热泵热水器，并批量投放市场。其COP达到了5.72，可以实现省电80%以上。最高出水温度可以达到80℃，即使在-25℃的严寒气温下也能正常使用。

我国目前已有300多台CO2空气源热泵热水器在商业和工业部门中运行。包括在医院、火车站、学校和公共建筑的住宅部门，预期CO2空气源热泵热水器将会在我国进入一个快速发展期。

我国约有家庭3.6亿户，每个家庭都至少需要有一台热水器。假如我国50%农村居民换用热泵热水器，一年就可节约电能约1420亿千瓦时，减少二氧化碳排放3690万吨、二氧化硫14.7万吨，发展前景十分广阔，节能减排意义十分巨大。

本文叙述对一台日本生产的CO2家用热泵热水器产品进行实验室性能评估的试验结果与测试方法。

2测试目的和条件

测试目的是按照北方气候使用的热泵热水器规范(NEEA 2012，北方气候热泵热水器规范)对产品进行评估。被测试的是一台日本生产的分体式热泵热水器，其中包括一个室内水箱。测试计划包括在室外环境温度为17℉(-8.3℃)至95℉(35℃)范围内测定热泵效率;进行标准的24小时和1小时的额定等级试验;测量室外机的噪声水平;和室外机在50℉(10℃)环境工况下运转时确定高效淋浴水的供水量。

被测试的热水器是使用CO2制冷剂，变频器驱动。高效率的变速压缩机和风扇，当环境温度降低时仍能保持供热输出容量。测量COP的范围从17℉(-8.3℃)时的2.1℉至95℉(35℃)时的5.0。随着室外温度的降低，压缩机运转加速。设备效率降低，但制热能力几乎没有下降。这种特性意味着该被测热水器在冬季使用时只依靠压缩机就能够提供足够的制热量。

3方法

被测试的热泵热水器被安装在专用的测试室内。图1表示了通用测试装置的示意图。测试仪表包括按照美国能源部测试标准规定的测量点要求，以及另外增加了一些为了进一步获得观察热泵运行的测量点。

采用了设在相同水容积段串联布置的6个热电偶测量水箱内的水温。热电偶导线从水箱侧面的释压阀连接口引出。图2表示了独特的“钓竿”做法。在热电偶丝的底部附加了一个重量，使热电偶自由下垂在水箱中，以保持它们的居中位置。

用沉浸在进水管和出水管路中的热电偶测量进水与出水温度。在蒸发器盘管表面上的制冷剂进口、出口、和中间点安置了三个热电偶，以便监视盘管温度来指示结霜的可能条件。整个热泵机组采用数据采集系统对包括压缩机、风扇、以及泵的功率一次性的监测和测量(图3)。

数据采集(DAQ)系统以每隔5秒钟的间隔采集所有的测量数据，并将它们记录到测试文件中。

图1　测试设置

图2　水箱中的热电偶设置

图3　功率测量和数据采集系统

4设备基本特点

被测的CO2热泵热水器是一个全电力的热水器，包括由热泵和一个热水储水箱集成。该设备具有单一加热水的方法，用热泵从外界空气中提取能量并将其传输到水中。

所有设备的有源部件包括压缩机、冷凝器、蒸发器、风扇和水泵设在一个单一的室外机组中。室外机组的形状像一个典型的迷你分体式热泵型房间空调器的室外机。但是，代替具有制冷剂配管运行到房间的是水管而不是制冷剂。一台水泵将水在室外机组和室内水箱之间循环。所有的热交换是在室外机组进行。

一种变速风扇抽吸空气流过从周围环境空气中吸收热量的蒸发器盘管。CO2制冷剂循环传递热量到机组的气体冷却器侧，它与水进行热交换。水泵从室内水箱的底部抽取冷水，通过气体冷却器，并将热水重新注入到水箱的顶部。该设备在单流程中将冷水加热到热水。

在测试室中进行了一系列的测试，包括系统性能特征的一个基本的描述。这些特性示于表1。

表1被测试热泵系统的特性

部件测量/描述加热电阻无室外机(W)900～2400待机(W)<1水箱容积(加仑)84.6制冷剂R744(CO2)

被测试的热水器只用变速、变频压缩机加热，水箱中不包含电阻加热元件。测量所显示的室外机，包括压缩机、风机、水泵等的功率从0.9kW到2.4kW，取决于水箱的水和室外气温条件。当环境温度降低时，压缩机转速增加，并且为了保持加热输出的容量而使功率增大。在环境温度95℉(35℃)时，大多数热泵循环中室外机组消耗0.9 kW。当水箱中整体水温增大时，功率消耗增加到1.05kW。在环境温度17℉(-8.3℃)时，大多数循环中机组消耗1.9kW。在机组消耗达到2.4kW时循环终止。

设备的其它两个部件，即室外机风扇和循环水泵也消耗功率。这两个部件与压缩机同时运行和其功率消耗是包含在所有的测量中。风扇也是和压缩机一样变速的。风扇消耗9～77W的功率，取决于转速。较低的功率和空气流量发生在较高的外气温度时。

被测水箱的标称容积是315升(83.2加仑)。测量结果表明该装置在测试室保持84.6加仑(320升)。

被测的热泵热水器使用R-744(CO2)制冷剂。R-744具有比常用的R-410A和R-134A两种制冷剂一些独特的优势，R-744具有更宽的工作温度范围，使得它非常适合于用作寒冷的室外空气温度和热的水箱水温度之间的能量交换介质。测试室中的测试表明，在17℉(-8.3℃)室外温度时，设备将水箱中的水加热到149℉(65℃)没有困难。相应于获得132℉(73.3℃)的温度提升。R-744还具有数值为1的全球变暖潜能值(GWP)，远小于R-410A和R-134a的GWP。

被测试的热泵热水器室外机设置有集成电路控制基板，当热泵接通和断开时，它可以以多种方式进行编程控制。

水箱控制器设定在149℉(65℃)的一个固定温度设定点。设定点是用户不能调节的。对于控制点，有一个单一的热敏电阻监测位于从水箱的顶部大致三分之一水箱容积的水温度。当热敏电阻感测到水温低于113℉(45℃)时，压缩机被开动，水箱开始加热。当水箱内的水温达到其设定点时，该热泵循环关机。

控制逻辑是对内部的设备确定压缩机和风扇的转速设定。当室外温度下降时，压缩机增大其功率消耗。测试表明，无论室外温度是多少，该设备试图保持4kW的加热量输出。

5结果

5.1第一小时额定值和能量系数

美国能源部对于热泵热水器规定了两个测试工况去比较热水器的性能。第一个(1小时)测试工况是测出一个小时的额定值，确定在一小时内热水器中产生多少可用的热水。第二个工况是一个24小时的模拟使用测试，测出一个能量系数(EF)，标定出在模拟24小时期内生成64.3加仑(234.3升)的使用热水需要有多少的输入能量。对于水箱型热水器，第一小时额定值在很大程度上取决于水箱的容积和输出的加热容量，而EF依赖于加热系统的效率和水箱的热损失率。

由于测试工况设定的环境空气是在67.5℉(18.7℃)，和假设热水器是在温度可以调节的测试房中，对于室外机组采用同样的测试。为了便于与其他热泵热水器相比较，在标准工况下进行了1小时和24小时的测试。该设备的额定性能示于表2。

表2测试的性能

测量项目测量结果第一小时额定值(加仑)97.8能量系数(标准工况)3.3550℉环境温度时的能量系数3.11北方气候时的能量系数3.2水箱的热损失率(Btu/hr℉)4.0

在测试中水箱温度的设定点被设定为149℉(65℃)，而不是规范中的135℉(57.2℃)。第二个EF-型式试验中使用相同的方法，并绘制图形。为了确定北方气候条件下的能量系数，进行了50℉(10℃)的环境空气/50℉(10℃)的入口水温的不同环境条件下的测试。此外，进行了17℉(-8.3℃)，35℉(1.7℃)和95℉(35℃)更多的EF-型式试验。

5.1.1第一小时测试

图4绘制出第一小时的测试数据。测试在抽出水3gpm(11.356L/min)时开始。约20分钟后进入到第一次抽出水，热泵被激活(显示1千瓦)。当抽出水继续经过25分钟后，出水口温度降已超过25℉(13.9℃)，因此第一次抽出水结束。热泵继续加热水箱直到60分钟，那时，按照能源部的测试方法，当出口温度再次下降到低于124℉(51℃)时，该触发最终终止抽出水。

北方的气候规范使用1小时的测试数据，以确定多少加仑的热水在电阻元件导通之前在第一次抽出水其间被取出，这是混合式热泵热水器的整体运作效率的一个关键的指标。由于本被测水箱中没有电阻加热器元件，它在第一次抽出水时可以提供84加仑被热泵加热的热水。

图4　第1小时测试

5.1.2能量系数试验

24小时模拟使用试验包括在六个多小时相等间隔的六个10.7加仑(40.5升)抽出水试验，随后是十八小时的待机试验。标准测试工况条件是67.5℉(19.7℃)，50%相对湿度(RH)的环境空气，135℉(57.2℃)的水箱温度设定值(该水箱采用149℉(65℃))和58℉(15℃)的进水温度，作为北方气候热泵热水器规范的一部分。在该测试室还进行了24小时的模拟在50℉(10℃)较冷环境空气的环境条件和50℉(10℃)进水的使用测试，测试结果表明其性能随不同的环境条件而变化。

在表2中示出了67℉(19.7℃)和50℉(10℃)的EF试验。它们是按照美国能源部的方法计算，但是是在相对于50℉(10℃)的不同环境条件下测试的。北方气候热泵热水器规范提供了确定出北方气候能量系数(EFNC)的计算方法;这是在67℉(19.7℃)和50℉(10℃)之间使用温度分布型面加权组合的EF。

图5　24小时模拟使用试验，最初8小时

图6　24小时模拟使用试验，完整的24小时

图5示出了第一个八小时的试验，可以对抽出水结果和回收进行更详细的检查。图5中还绘制出在一个给定时间间隔内加入到热水中的热量的瞬时性能(COP)系数。

图6示出了完整的24个小时的测试结果，它也说明了水箱的热损失率。测试开始于水箱中水温在145℉(62.7℃)。在8个小时的恢复周期以后，水箱中的水温也是在145℉(62.7℃)。16个小时后，水箱中平均水温下降到135℉(57.2℃)。图中也示出了在10.5小时时热泵一个很短的循环，它相当于给水箱1个小的备用恢复量。

图7　24小时试验，50℉环境空气温度，50℉进水温度，最初8小时

图8　24小时试验，50℉环境空气温度，50℉进水温度，完整的24小时

图7和图8绘出了环境空气为50℉(10℃)的热泵特性和50℉(10℃)进水的24小时的测试结果。该图看起来几乎与在67℉(19.7℃)环境空气时的结果相同。在50℉(10℃)的环境空气中，机组几乎是在相同的输入功率下运行，但COP略微降低。压缩机必须运行一个额外的30分钟去加热低的进水温度的水，并且输出容量略有减少作为补偿。

5.1.3扩展的能量系数试验

在全范围测试的室外气温条件是从17℉(-8.3℃)到95℉(35℃)。通过测量更宽温度范围内的性能，能得到估计的全年系统运行效率。所有的测试采取了美国能源部24小时测试的抽出水方式，以便与标准条件保持一致和可比性。除了变化空气的温度以外，还有两个例外是使用一个50℉(10℃)的进水温度和水箱设定点在149℉(65℃)。

表3归纳了试验结果。该表示出了在测试条件下计算的能量系数、设备在整个主动加热期间的平均COP、以及在此期间的平均输出容量和平均输入功率。试验表明该设备如何控制变频压缩机，以维持随温度下降的输出容量。当外界温度从67℉(19.4℃)降至17℉(-8.3℃)时，为了保持输出容量为4kW，压缩机输入功率增大了一倍。此外，表3示出了对任何热泵操作时卓越的COP特性。这种高性能一部分是依赖于大的输出热交换表面积，另外的部分是依赖于低的功率部件，如压缩机和风扇。

通过在一定范围内变化室外温度测定出设备的效率，有可能创建一个表征其性能的函数关系。图9示出相对于室外温度变化时的EF值变化关系图。结果表明，能量系数EF与室外温度之间出现了令人惊讶的线性关系。图上所示的公式表示了函数拟合。

一旦知道了该性能曲线，就可以将其应用到对不同的气温分布来估算每年的水加热性能。

表3测试结果

温度(℉)能量系数(EF)COP输出容量(kW)输入功率(kW)171.742.14.01.9352.212.753.61.3503.113.74.01.1673.354.24.10.97954.35.04.60.93

图9　室外温度与性能间的关系

图10　淋浴测试补充抽水曲线图

5.2高效淋浴测试

除了标准的和修改的工况测试以外，北方气候规范要求进行额定输水量测试，以便更好地理解其性能。此模拟是使用“淋浴测试”(DP-SHW)描述热泵热水器能够提供的热水淋浴的效率。测试规范规定了环境空气为50℉(10℃)、进水为50℉(10℃)，并且设置点为120℉(48.9℃)。但被测热泵测试的设定点为149℉(65℃)。为了模拟一系列早晨的淋浴性能，在测试室中进行了以每分钟2加仑的重复8分钟抽出水试验。该抽出水是分离成由一个五分钟的延迟时间并持续直到电阻元件激活或出口温度低于105℉(40.5℃)。当这些事件之一发生时，当前的抽出水结束，水箱恢复，测试结束。基于本测试结果，被测热水器提供了7.5连续高效淋浴。该测试结果示于图10上。

如果水箱温度按照通常的测试规范分别设定在120℉(48.9℃)，低于105℉(40.5℃)的温降迟早会发生一个较低的淋浴输送额定值。其中出口下降15℉(8.3℃)图形上的点出现在第七次淋浴。因此，预期淋浴输送标定为大致标准测试条件下的6.5。

然而，如果该水箱保持在较高的温度和与冷水混合后下降到120℉(48.9℃)，这将产生更多的淋浴水。为了仿真调温阀的效果，在测试过程中降低抽出水的流量，以补偿较高的储水温度。由于这种测试的修改，可以预期在现场安装测得7.5的淋浴数量。

无论是美国能源部的1小时淋浴测试数量和输送标定值，还是统一泵送规范(UPC)-2009采用的1小时测试输出(第一个小时的额定值)的水箱尺寸要求，在第一个小时试验关注的是效率和所获得的额定值。从美国能源部24小时的测试可以使用两个输出值，即回收效率和能源系数，以便可靠地描述在1小时的测试中的运行效率。与此相反，典型的混合式热泵热水器有两个不同的加热效率，取决于其中的两种加热方式所使用的控制策略。因此，淋浴测试提供了考察水箱可以有效地提供有多少热水的能力。

5.3低温极限测试

该被测的热泵没有电阻元件作为补充加热，所以关键问题是在部署这些之前要知道现场室外温度较低时的运行限定值。测试室测试观察到压缩机运行在17℉(-8.3℃)，但没有模拟任何更冷的温度。17℉(-8.3℃)低温试验已接近使用的特定测试室的操作极限。不过，按照该产品制造商的报告，该热泵可以在-4℉(-20℃)下长期稳定运行。实验室测试证实了在17℉(-8.3℃)时压缩机工作没有困难。事实上，即使在这些寒冷气候条件下，热泵的COP仍保持在2，接近4千瓦的输出热量。

5.4噪声测量

在测试室中还测量了被测热泵设备的噪声声级。由于水箱没有运动部件，测量只是对室外机组进行。该测试室将该机组放置在一个房间中靠近墙壁，然后测量周长3英尺远而高2英尺的五个不同的点上的声级。同时反复测量5英尺高。测试的环境温度是65℉(18.3℃)。表4示出了背景噪声水平和五个测量值的平均值。这些水平显示出室外无风管热泵机组在测试范围内安静运行。

表4测得的噪声水平

分贝权重背景热泵热水器在2英尺高热泵热水器在5英尺高dBA37.746.444.8dBC62.463.766.2

5.5压缩机的输出能力和效率

为了更好地了解被测热泵的性能，测试计划将绘制出压缩式热泵在多种水箱温度和环境空气条件下的COP图形。这些COP测量反映出被测热泵组件在任何给定的条件下如何有效地运行。COP测试开始时水箱装满55～65℉(12.8～18℃)的水。然后热泵被接通和水箱被加热到接近设定值[19℉(65℃)]。在测试过程中，数据记录仪记录了在水箱中的温度变化(相当于输出能量)和设备的输入能量。两者的比值是COP。

图11绘出了在67℉(19.4℃)环境温度的COP。通过六个均匀分布的热电偶测得的水箱温度的变化计算出输出容量。当水箱内的温度分层移动时，这些热电偶遇到交替快速和缓慢的温度变化。这种不均匀的速度产生了明显振荡的COP图形，直到最底部的热电偶被加热和水箱接近均匀的温度。

图11示出了零分钟和8分钟之间几乎全部的水箱水排出。然后热泵开动和水箱被加热。热水的温度分层向下移动，开始于水箱中的第6个热电偶(TC6)，然后到第5个热电偶(TC5)，依此类推。

图12显示了在50℉(10℃)的环境温度下COP的测试曲线。

图11　67℉环境温度下的COP

图12　50℉环境温度下的COP

测试结果产生了一条描述在一个加热循环中水温和COP之间关系的曲线。图13示出在50℉(10℃)和67℉(19.4℃)测试的COP并绘制成曲线。似乎出现了一系列的COP，但这是误导性的 — 在67℉(19.4℃)的气温和65℉的水温时的COP为5(不是3至8.5)。

图13和图14这两个图中的两条曲线相交于热水的温度接近110℉(43.3℃)处。这两个COP的测试反映出运行初期在50℉(10℃)时的COP和能力比在67℉(19.7℃)时低。直到水箱温度达到最热。COP的这种变化是由于最初的水箱条件不同。在50℉(10℃)试验开始于水箱中低10℉(5.5℃)的水，它使得在测试的后期保持较高的COP。表3是最有代表性的跨越温度下的性能差异。