欧洲家用空气源热泵热水器测试方法研究及性能提升方案探讨

刘东平 万秀娟 王广岭 徐冯

青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101

1 引言

空气源热泵热水器是以空气中的热量为能源的，它获取能量的方式是主动的，因而不受阴天、下雨、白天、黑夜影响，热泵热水器电能利用效率高达350%～400%，如果使用节能的热泵热水器来替代电热水器和燃气热水器，将会极大减少社会能源消耗。随着人们节能意识的提高，空气源热泵热水器将逐步成为消费者首选的热水器，未来的热泵热水器市场会更加广阔。

一直以来，欧洲非常重视能源效率，保护人类居住环境。民间节能环保意识强烈，企业也以此作为产品卖点。欧洲作为全球家电产品市场竞争的核心区域，热泵热水器也不例外。近年来，由于政府对节能产品的大力倡导和支持，欧盟及各国都针对热泵热水器的能效不断提高市场准入标准。因此，对于出口欧洲的热泵热水器产品而言，其性能需要得到持续的优化以适应市场的需求。

2 空气源热泵热水器欧标测试方法介绍

欧洲热泵热水器性能测试标准EN 16147-2011《Heat pumps with electrically driven compressors-Testing and requirements for marking of domestic hot water units》虽然是从旧标准BS EN 255-3:1997演化而来，但是，首开以终端用户日用热水量为主要指标的热水器标准之先河。主要通过“家用热水供应的性能系数（COPDHW）”来评价热泵产品的性能，其测试方法与旧标准有着本质的区别，它要求在测试中完全模拟用户24小时用水情况来评价热水器的性能系数（COPDHW），试验包括以下6个主要阶段：

A. 加热期；

B. 确定待机输入功率；

C. 使用参考供水循环确定家用水加热的能耗和性能系数；

D. 确定一次供水中的参考热水温度与最大可用热水量；

E. 用于确定工作温度范围的试验；

F. 安全试验。

其中C阶段就是热水器的性能系数（COPDHW）测试，标准定义了一个24小时测量循环，同时在该循环中定义了每一次供水的开始时间和总能量，这样就可以通过记录24小时测量循环总有用热量和总耗电量计算出热水器的性能系数（COPDHW）。

其中：

QTC整个供水循环期间的总有用热能，单位：kw•h；

WEL-TC一次供水循环期间的总电能消耗，单位：kw•h。

与国标GB/T 21237测试方法相比较，其本质区别在于：国标GB/T 21237测试COP的方法是测试热泵热水器系统在一个加热过程中的能效平均值，这个过程只需要把储水箱温度从进冷水温度加热到设置温度为止即可，以此能效平均值作为衡量热泵热水器的能效指标。

欧标EN 16147-2011测试COPDHW的方法是模拟热水器用户在一整天内使用热水的情况，这个过程中，伴随着用户使用热水的进程，水温降幅超出回差值，热泵系统自动启动加温直至停止，进而持续这个过程，这段时间内的储水箱水温大部分都落在高水温区间内，以此过程中热泵热水器系统的能效平均值来衡量热泵热水器的能效指标。

从上可以看出，欧标COPDHW检测的重点是热泵系统处于高温区间内的能效平均值。这是我们提升欧标COPDHW的着力点。

图1 1号热泵热水器欧标监控曲线

图2 2号热泵热水器欧标监控曲线

3 提升空气源热泵热水器欧标COPDHW方案探讨

从以上公式不难看出，COPDHW的高低完全取决于总有用热能QTC和总电能消耗WEL-TC这两个值的大小。QTC整个供水循环期间的总有用热能在标准中是个定值，标准规定了5种不同的供水循环（S、M、L、XL、XXL），这5种不同的供水循环都对应着一组总有用热能值，制造商可以根据热水器水箱的容积和性能选择一种测试。这样来看，降低总电能消耗WEL-TC是提升欧标COPDHW的重要途径。

其中：

WEL-HP-TC整个供水循环期间热泵消耗的电能，kw•h；

tTTC试验循环的时长，小时；

Pes待机输入功率，kw；

QEL-TC整个供水循环期间产生电力的热能计算值，kw•h。

降低总电能消耗WEL-TC，从以上公式可以看出，需要从以下几个方面着手：

（1）降低整个供水循环期间热泵消耗的电能（WEL-HP-TC）；

（2）降低待机输入功率（Pes）；

（3）降低整个供水循环期间产生电力的热能计算值（QEL-TC）。

纳入标准：临床无腋淋巴结转移，无远处转移，肿块经粗针穿刺或活检病理诊断为浸润性导管癌，无腋部手术史的患者；自愿加入本次研究的患者。

如果热泵热水器的节流装置选用了电子膨胀阀（EEV），那么除了以上的三条之外，在供水循环过程，还需要通过控制电子膨胀阀的开度，达到精确控制热泵系统的过热度和过冷度，提高整个热泵系统效率的目的。落到实处就是如何设置膨胀阀的初始开度和不断调整膨胀阀的开度，以提升压缩机的工作效率。

3.1 降低整个供水循环期间热泵消耗的电能（WEL-HP-TC）

首先，整个供水循环期间热泵消耗的电能与整个产品的关键零部件选型有关。产品的压缩机一般选用热泵专用高效压缩机，以满足热泵高水温、高可靠性、运行环境温度范围宽的特点。风机选用可变速风机，低温工况可选用高档风速，高温工况选用低档风速，这样可以应对一年四季宽范围的环境温度，从而提升热泵的效率。节流装置选用电子膨胀阀，这样就能够根据工况和储水箱水温的变化随时调整开度，精确控制冷媒流量，提升系统效率。冷凝器选用具备与储水箱内胆接触的有效换热面积大、承压能力高等特点的微通道冷凝器。

其次，降低整个C阶段供水循环的24小时放水过程中压缩机启动的次数，有效提升加热效率。由于整个C阶段供水循环持续24小时，以L型放水类型为例，一共要进行24次供水，其中经历3次大流量的供水，在此过程中，压缩机多次启动在所难免。压缩机多启动一次，电能的利用率就会降低一些。因此，减少压缩机启动次数至关重要。

对于热泵热水器而言，一般压缩机是否会启动直接受储水箱水温影响。储水箱水温降低到一定程度，压缩机就会启动开始制热以满足人们的用水需求。因此，在放水过程中避免水温传感器位置的水温频繁波动很关键。如果水温波动频繁，超出了预先设定好的水温回差范围，压缩机就会启动。如果持续的大流量长时间供水造成压缩机启动不可避免，则至少可以把小流量短时间的水温控制住。对于储水式热水器储水箱而言，水温分层现象一直存在，通过实验监控温度数据可以看出，在放水过程中，受储水箱进冷水口的水流冲击影响，储水箱下半部分水温波动大，而上半部分水温波动小。因此，对于欧标测试而言，储水箱的水温传感器的安装位置一定要避开水温波动大的区域，在不影响最大可用热水体积的前提下，尽量靠上安装。

图1是某一型号热泵热水器在调整水温传感器位置前后欧标测试监控数据对比。测试工况为环境干球温度7℃，湿球温度6℃，设置热泵加热温度为55℃，待机输入功率Pes =41W。1号产品储水箱传感器位于距离水箱底部2/3H位置，2号产品储水箱传感器位于距离水箱底部1/3H位置（水箱内胆高度H）。

从表1中不难看出，在供水循环期间，1号热泵热水器和2号相比较，压缩机多启动一次，从实验数据上看，1号热泵热水器比2号消耗的电能（WEL-HP-TC）多0.654kw•h，COPDHW差距达到0.4。控制压缩机启动此时对提升系统性能很重要。

3.2 降低待机输入功率（Pes）

在欧标中，待机输入功率可以理解为：在用户不取用热水的情况下，热泵热水器在一个待机周期内消耗的能量与待机时间的比值。一个待机周期即为热泵加热完成后系统散热直至热泵再次启动加热完成的时间。因此，降低热泵系统的热损失是关键因素。

表1 1号和2号热泵热水器实验数据对比

图3 可以改变冷水的流速和方向的衬管结构

图4 开关阀步数不合理造成排气温度波动的欧标监控曲线

3.3 降低整个供水循环期间产生电力的热能计算值（QEL-TC）

为了提高热泵系统平均能效比，欧标在供水循环过程中设置了一些最低放水水温要求和参考水温指标要求，因此，通过降低冷凝温度来提升能效的方法在做系统设计时必须适可而止。

以L型供水的热泵热水器为例（具体可参照标准EN 16147关于供水类型L的热泵热水器的供水过程及供水能量条款），第5次、第11次、第14次、第22次、第23次均要求供水过程中进出水口的温差必须达到30℃或45℃以上，如果进出水口的温差没有达到这个要求，差异的能量必须要靠电力来补充，即1kw•h的电能换取1kw•h的水的热能，这对于热泵热水器的COPDHW来说是一个非常不利的数值。因此，我们要尽量避免拿电能换取热能，即在供水过程中始终保持出水温度在标准规定的底线之上，这个条件就要求我们设计的热泵热水器在供水过程中出水水温不要发生太大波动。

为了避免在供水过程中出水水温不要发生太大波动，我们可以注意以下几个方面：

（1）储水箱进冷水管衬管的结构设计，如图3所示。由于自来水压力较大，水流在经过进冷水管衬管进入储水箱的时候，流速快，一般进冷水管衬管出口都会靠近内胆壁或封头，这样水流就会直接冲击到内胆壁或封头上反射回来，直接冲向热水区域，造成热水区域水温急速下降，从而导致供水过程中热水能量不足，产生电力补偿的现象。为了解决这一问题，设计衬管的时候，可以做一些结构改变冷水的流速和方向。比如，将衬管出口堵上，然后在靠近出口的管体上开一些小孔，这样可以降低水的流速，改变水流方向，避免大量冷水反射到热水区域。

（2）储水箱外壁冷凝器的结构设计。设计冷凝器的时候，一定要保证储水箱下部冷水得到充分的加热，避免储水箱上下水温差距太大，特别是落地式大容积储水箱，更应该控制水温温差。冷凝器一定要布置在储水箱的中下部，对于外凸式封头，在封头外部也需要设置换热器，避免产生大量的死水。

（3）控制冷媒的注入量。如果注入热泵系统的冷媒过多，就会造成冷凝器底部过冷度大，储水箱底部区域的水无法从冷媒中获取足够的热量，最终导致储水箱上部水温已经达到了设定温度，热泵系统停止加热，但底部还是凉水，储水箱上下水温温差太大，在供水循环过程中，如果碰到较大能量（如浴池洗浴）供水时，或者对水温温差要求比较严格的（如洗碗）供水时，储水箱的供水能力就会捉襟见肘，出水水温陡然下降，导致水温波动剧烈。

如图1和图2所示，在供水过程中，1号热泵热水器出现了3次水温大幅波动（黄色曲线），2号热泵热水器出现了2次水温大幅波动（黄色曲线）。从表1可以看出，在供水过程中，1号热泵热水器产生了0.118kw•h的电力补偿的热能，而2号热泵热水器只产生了0.048kw•h的电力补偿的热能，二者差距0.07kw•h。这也是二者COPDHW差距大的一个因素。

3.4 控制供水循环期间过热度提升压缩机的效率

欧标COPDHW测试与国标COP测试有着巨大的区别。国标COP测试要求热泵一次性加热完成后混水，即从15℃持续加热到热泵停机为止，即可以计算出COP，热泵需要在低温区（15℃）启动，而且仅启动一次，在后面加热过程中需要考虑提升热泵的加热效率，不需要考虑热泵的多次启动造成的效率损失。对于欧标而言，供水循环测试过程中，热泵的启动一般发生在高水温区，而且会启动多次。如果设置温度为55℃，回差温度为5℃，则高水温区一般可定义在40～55℃范围，即在整个供水循环期间，一般热泵都会在这个水温区间内工作，因此，对于利用电子膨胀阀作为节流元件的热泵热水器而言，控制好高水温区电子膨胀阀的初始开度、开阀关阀步数和频率，对提升系统COPDHW非常重要。

如果能控制好高水温区电子膨胀阀的初始开度、开阀关阀步数和频率，在供水循环期间就能避免热泵系统排气温度出现大的波动，进而提升压缩机的效率。由于温度传感器精度等原因，吸气过热度控制方式不很精准，而排气温度对蒸发器的吸热效率更加敏感，业界广泛一般采用排气过热度控制，即通过控制压缩机排气温度来间接控制吸气过热度的方法。

首先，在选用电子膨胀阀的时候，一定要考虑阀的通径和热泵系统冷媒流量是否匹配。避免选用的阀过小或过大，在储水箱水温处于高温区或低温区的时候，阀很容易关闭或开启到极限位置，这样会大大影响节流精度。

其次，控制好高水温区电子膨胀阀的初始开度。在供水循环期间，如果热泵启动，电子膨胀阀开启，这时候就需要给它定义一个初始开度。如果热泵热水器的膨胀阀的开闭是采用排气过热度控制，即通过排气温度和水温相比较来控制，在供水循环期间，需要密切注意排气温度的走势。电子膨胀阀的初始开度太大或太小，会造成压缩机排气温度和水温差值太大或太小，这样电子膨胀阀就会频繁开大或关小，反过来会造成排气温度大幅波动，压缩机效率低下。通过不同工况下的大量实验，我们可以找到一个合适的电子膨胀阀初始开度，使实际排气温度平缓上升与实际水温上升趋势一致。

第三，如果将热泵系统视为一个闭环温度控制系统，温度控制系统的特点是系统惯性大，再加上传感器测量误差，因此，控制精度和反应时间是影响热泵系统效率的关键因素，如图4所示。在供水循环期间，由于储水箱水温在不断发生变化，这样电子膨胀阀就需要开大或关小以保证实际排气温度与储水箱水温变化趋势一致。在电子膨胀阀开大或关小过程中，开阀关阀步数和频率也至关重要。由于开阀关阀的趋势受储水箱水温变化影响，电脑板接收到水温变化信息后就会通知电子膨胀阀开阀或关阀，步数太大，过犹不及，步数太小，排气温度变化太慢，跟不上水温变化节奏。开阀关阀频率控制也一样，电子膨胀阀接到指令后的开大或关小一次有一段时间间隔，间隔时间太短或太长，也会造成过犹不及或跟不上水温变化节奏的问题。关于开阀关阀步数和频率的确定，也需要经过大量的实验，找到一个合适的开阀关阀步数和频率。

4 总结

综上所述，在欧标测试过程中，影响空气源热泵热水器的性能系数（COPDHW）的因素有很多，总结一下主要有以下几点需要注意：

（1）降低整个供水循环期间热泵消耗的电能（WEL-HP-TC），即降低压缩机和风机的耗电量，主要通过选用高能效的热泵专用压缩机和减少热泵启动次数来实现。

（2）降低待机输入功率（Pes），降低热泵系统的热损失是关键因素。

（3）降低整个供水循环期间产生电力的热能计算值（QEL-TC），可以按照以下方式来做：第一，优化储水箱进冷水管衬管的结构设计；其次，储水箱外壁冷凝器的结构设计；第三，控制冷媒的注入量；这三个方面可以避免在供水循环过程中储水箱上下水温温差太大，进而产生不必要的电力的热能计算值。

（4）如果热泵热水器的节流装置选用了电子膨胀阀（EEV），在供水循环过程，需要精确控制电子膨胀阀的初始开度和开阀关阀步数和频率，避免热泵系统排气温度出现大的波动，也就是尽量保证热泵系统两器的过热度和过冷度平稳保持在合理的范围内，进而提升热泵系统的效率。

总之，随着能源的日益紧缺和人们对用水舒适度要求的不断提高，空气源热泵热水器必将成为节能热水器阵营里面的主流产品。欧洲作为全球家电产品市场竞争的核心区域，热泵热水器也不例外。近年来，由于产品竞争的日趋激烈，欧洲对于热泵热水器的能效要求也在不断提升，2017年9月，热水器能效最高要求已经由A提升到A+级别，要想在欧洲热泵热水器市场竞争中占得一席之地，产品就必须不断被优化，希望能通过以上的方案使热泵热水器的节能效果发挥得更好，并且使用户的用水舒适度也达到较高水平。

[1] BS EN 16147-2011 Heat pumps with electrically driven compressors-Testing and requirements for marking of domestic hot water units，2011.

[2] COMMISSION REGULATION (EU) No 814/2013of 2 August 2013,implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to eco design requirements for water heaters and hot water storage tanks, 2013.