家用热泵热水器能效检测方法试验研究

刘家有 黄逊青

广东万和新电气股份有限公司 广东顺德 528305

1 引言

热泵热水器作为一种进入市场历史最短的热水器，由于其电能利用效率数倍于传统的电热水器，而且运行过程中无废气排放等优点，成为新一代热水器，逐渐为消费者所认识。热泵热水器的能效是该产品的主要性能指标，能效检测所依据的产品标准GB/T 23137-2008《家用和类似用途热泵热水器》已经发布10年[4]，该标准规定的能效检测方法经历多年的实践，有关各方已经积累了不少的实施经验，本文围绕家用热泵热水器蓄热水箱的热量检测方法，讨论热泵热水器能效检测方法的改进问题。

2 现行标准的问题

现行产品标准GB/T 23137-2008规定的制热量检测方法，是通过把蓄热水箱里的15℃冷水加热，直到机组停机后，再经过混水泵混水最终得到的水温为55℃±0.5℃后算得[4]，经过多年的实践，该标准关于能效检测方法的问题，比较突出的是：

——用于混水的循环泵要求不明确，只规定了铭牌参数而没有规定实际循环流量，由于水泵特性受系统水力参数的影响，实际运行指标与水泵的铭牌值可能存在较大的差异；

——强调在短时间内实现充分混水以保证水箱内温度均匀，但是，未合理考虑采用较大功率水泵时，运行过程的热效应对测量结果的影响；

——强调混水过程相关部件的保温要求，甚至要求循环泵外壳需采用非金属材料或用保温材料覆盖，而忽视了在混水过程中，对测量结果产生影响的是水泵运行的热效应，明显超过相关部件表面的热损失，混水循环过程实际上是加热过程；

——蓄热水箱结构具有蓄热效应，在热水输出时，部分储存在水箱结构的热量可以用于加热冷水，导致可用热水量增加；

——蓄热水箱结构具有漏热效应，水温低于环境温度时，环境空气的热量通过水箱结构传递到水箱内加热冷水，水温较高时，由于热量通过水箱结构漏出而造成损失，影响程度与加热时间关系较大[1][2]。

针对以上问题，本项研究参考了ISO 9459-2:1995《太阳能热水器—家用水暖系统—第2部分：太阳能系统的系统性能特征和年度性能预测》中关于蓄热水箱测量方法，对热泵热水器的蓄热水箱测量方法进行改进。ISO 9459-2:1995的热量测量方法包括排水法和混水法，两种方法的地位是相同的，只是排水法在非承压系统中适用性不如混水法。ISO 9459-2:1995以重新起草法修改采用于GB/T 18708-2002《家用太阳热水系统热性能试验方法》，其中混水法在GB/T 18708-2002第7.6.1条中规定；排水法在GB/T 18708-2002第7.6.2条中规定[5]。而且，GB/T 18708-2002被GB 26969-2011《家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级》引用。同时，排水法也参考了GB/T 20289-2006《储水式电热水器》第6.5条，GB/T 20289-2006的检测方法被GB/T 20289-2006《储水式电热水器能效限定值及能效等级》引用。

依据现行的家用热泵热水器标准GB/T 23137-2008检测所获得的制热量仅为蓄热水箱中水得到的热量，而在实际使用或是测试中，蓄热水箱本身的蓄热量是不容忽视的。由于每个制造商的生产工艺以及设计参数的不同往往会造成蓄热水箱本身蓄热能力以及漏热系数的差异。而且蓄热水箱在冷态或热态的基础下开始加热，对其后续加热过程中水箱的蓄热能力也有影响。

为了验证现行的家用热泵热水器标准GB/T 23137-2008在能效测试方面，由于测试方法的不一样引起的性能差异，在此以两种测试方法进行比较。

3 能效检测新方法

3.1 混水法

（1）预备过程，按规定向水箱注入冷水，加热至设定水温；

（2）启动混水泵，以7L/min～10L/min的流量，将储水箱底部的水输送到顶部，使水箱内部温度均匀，循环过程中应保持流量稳定，流量变化幅度应不超过±1L/min；

（3）当水箱温度变化持续5min以上不大于0.3K，停止混水，此时水箱内温度作为水箱平均温度；

（4）将水箱内热水以7L/min～10L/min的稳定流量从热水出口排出，同时往水箱注入等流量的冷水且水温波动不超过±0.5K，排出水温降低至终止排水温度-0.1K时停止排水；

（5）按（2）规定操作，当水箱温度变化持续5min以上不大于0.3K，停止混水，此时水箱内温度作为加热前水箱平均温度；

（6）加热至设定水温，按（2）规定操作，当水箱温度变化持续5min以上不大于0.3K，停止混水，此时水箱内温度作为混合后热水温度；

（7）水箱内的热量按（1）式计算：

式中：

Qm—混合法测量的热量，kJ；

ρ—水的密度，kg/L；

cp—水的比热，kJ/（kg•K）；

V—实测水容积，L；

tm—混合后热水温度，℃；

tc—加热前水箱平均温度，℃。

注：终止排水温度推荐为45℃。

3.2 排水法

（1）预备过程，按规定向水箱注入冷水，加热至设定水温；

（2）打开排水口，以7L/min～10L/min的稳定流量从热水出口排出热水，同时，从冷水入口补充等量的冷水；

（3）排水期间，补充的冷水温度波动不超过±0.25K，漂移不超过±0.2K，同时中应保持流量稳定，流量波动范围应不超过±1L/min；

（4）排水期间每隔5s测量一次排出的热水温度，排出水温降低至终止排水温度-0.1K时停止排水；

（5）加热至设定水温。在排放前提前10min，通过排水口排出入口段的冷水，以确保冷水入口处的温度为进水温度；

（6）按（2）、（3）、（4）操作；

（7）排水质量宜采用称重法测量；

（8）排出的热水热量按（2）式计算：

其中：

式中：

Qd—排水法测量的热量，kJ；

m—排出热水的质量，kg；

cp—水的比热，kJ/（kg•K）；

—排水期间平均排水温度，℃；

—排水期间平均补水温度，℃；

thi—排水期间第i次测量的热水温度，℃；

n—排水期间温度测量次数。

注：终止排水温度推荐为45℃。

3.3 检测方法讨论

从原理来说，排水法和混水法都是可行的检测方法，表1是一台空气源热泵热水器用不同检测方法的检测结果汇总。数据显示，排水法检测的制热量和性能系数均大于用混表1 几种方法检测结果对照

性能指标 混水法 排水法常规方式 预热方式 常规方式 预热方式制热量 5178.34W 5059.90W 5412.91W 5305.09W消耗功率 1229.80W 1270.76W 1223.70W 1268.76W性能系数 4.21W/W 3.98W/W 4.42W/W 4.17W/W

说明：常规方式是以进水温度作为加热起始温度的加热方式；预热方式是将前一次加热后放水结束剩余热水与进水混合的低温作为加热起始温度的加热方式。水法的结果，造成这种差异的主要原因是两种方法检测的制热量不一样。用排水法的排水时间一般都比较长，在排水期间因为进水温度比较低，带走部分蓄热水箱自身的蓄热量计入了排出的热量。由于现行家用热泵的国家标准并没有计算水箱蓄热量，所以导致按不同方法测量的制热量存在一定的差异。由于蓄热水箱蓄热引起的部分热量没有得到补偿，或许会使有些机组在能效分级时相差一级。

混水法具有适用范围广的优点，而且操作相对简单，在本文讨论的操作过程中，对于额定运行条件的检测过程，并不需要强调水泵外壳的保温性能，同时，由于所用的混水泵功率较小，混水过程中水泵热效应的影响明显小于GB/T 23137-2008规定的方法。但是，混水法不仅由于难以考虑水箱结构蓄热量对能效指标的影响导致其检测结果通常趋于保守，而且，混水过程实际上破坏了水箱内部的温度场，导致在某些情况下，检测结果与实际情况偏离较大，例如，对于利用温度分层措施改善系统特性的产品中，混水将温度分层的效果全部清除[3]。排水法的优点是不改变水箱的内部温度场，在承压式系统中使用方便，而且，可以结合水箱热水输出率检测一并进行，减少检测时间、费用。进行排水法检测时，通常要求水箱内部在排水过程中，补水过程应避免出现强烈的混水现象，所以，水箱的结构可能对测量结果有较大影响，尤其是对于非承压的水箱需要特别注意。

现有标准GB/T 23137-2008在名义工况下，起始加热水温为15℃，而目前不论在工程上还是在能效指标体系上大部分都采用40℃混合热水输出量作为可接受计算的基本参数，考虑到蓄热水箱本身的储水结构，以及目前的一些终端混水手段的调节精度，一般在蓄热水箱出水口温度达到45℃时用户就停止洗浴了，原因在于后半部分水温会急剧下降以及热量的不足而导致用水端的舒适度受到影响。由于每次用水后蓄热水箱总保留着一部分的残余热量，使得实际加热的水温高于15℃。为了与实际情况更加贴切，对上述的混水法和排水法做了一部分的修改。上述修改后的混水法和排水法在正式测试前都经过了一个排水的预处理阶段。由于在实际用水过程中，低温段的热水并没有被利用到。故以上的试验均以排水温度为45℃以上的热水作为有用热水。同时，空气源热泵热水器在名义工况的起始加热水温为15℃，不符合实际使用情况，建议在正式测试时，先经过一个排水的预处理阶段。虽然能效比原来的有所降低，但是这更接近实际的用水习惯。

4 结束语

针对现行热泵热水器标准GB/T 23137-2008中能效检测方法存在的问题，本文提出了基于ISO 9459-2:1995的改进方法，可以有效解决目前已经暴露的主要问题，从而提高检测数据的准确性。同时，通过增加预处理过程，使得水箱的蓄热量对能效的影响大为减小，测量过程的重复性明显改善，同时，使得检测结果与实际使用情况更为接近。

[1] 黄逊青. 空气源热泵热水器热力性能测试方法的完善方案探讨. 家电科技.2012 (12):76-78.

[2] 黄逊青. 完善商业或工业用热泵热水机技术标准的建议. 第二届中国制冷空调专业产学研论坛论文集:110-115. 2013.

[3] 黄逊青. 改善太阳能热水系统舒适性的蓄热水箱设计措施. 2015年中国太阳能热利用行业年会暨“十三五”太阳能热利用发展论坛论文集:156-159,2015.

[4] GB/T 23137-2008 家用和类似用途热泵热水器.

[5] GB/T 18708-2002 家用太阳热水系统热性能试验方法.