空气源热泵冷热水机组标准族新标准解析

2019-03-19马金平张明圣李志亮谢宝刚胡一清

制冷技术 2019年6期

马金平，张明圣，李志亮，谢宝刚，胡一清

（1-合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2-合肥通用机电产品检测院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

空气源热泵是基于热力学原理，以空气为低温热源，通过电动机驱动的蒸气压缩制冷循环，使热量从低温环境流向高温环境，从而制取冷热风或冷热水的装置。空气源热泵具有简单、高效、安全和无污染的优点，近五年来市场总体维持高速发展[1]，尤其是在国家煤改清洁能源政策的推动下发展迅速[2]，不但创造了突出的市场表现，也不断克服压缩机能力限制和蒸发器结霜[3]等系列技术难题，通过采用小温差换热系统[4]、多级压缩和变温控制策略[5]等新产品、新技术和新方法，将空气源热泵产品引入更加广阔的市场空间。随着空气源热泵技术的不断突破和产品的多元化发展，空气源热泵的产品标准也逐步得到丰富和完善，不断地推陈出新。

2018年11月，国家标准GB/T 25127—2010[6-7]《低环境温度空气源热泵（冷水）机组》完成修订，同期，行业标准《地板采暖用空气源热泵热水机组》完成制定。2019年8月，行业标准《空气源热泵冷热水两联供机组》也完成了制定。这些标准均已由全国冷冻空调设备标准化技术委员会（以下简称“冷标委”）上报至相关标准化主管部门，将获得批准发布。至此，我国空气源热泵冷热水机组的技术标准体系已基本成型。

随着国家的标准化战略不断向市场调节的方向倾斜，各类团体标准数量增加较快，但质量良莠不齐，大大增加了工程技术人员学习和使用标准的难度，甚至干扰了技术发展的方向。为了帮助有关人员明确标准间的关系，深入学习和了解我国空气源热泵冷热水机组产品的技术标准体系，本文结合现行蒸气压缩循环冷水（热泵）机组的标准 GB/T 18430.1—2007[8]和 GB/T 18430.2—2016[9]（以下简称 GB/T 18430），阐述了上述新标准间的技术差异和内在联系，分析了标准体系构建的思路，从标准的层面指出未来空气源热泵技术的发展方向。

1 标准的范围

由表1可知，各个标准既有区别，又有关联。

从用途上看：GB/T 18430既包含了用于空气调节目的的冷热水制取，也包含了用于工商业工艺流程目的的冷热水制取，其他标准不论末端是何种形式，均只涉及空气调节用冷热水制取。

从冷热功能上看：最早制定的 GB/T 18430以制取冷水为主要目的，兼具制热功能，所以叫“冷水（热泵）机组”；后制定的GB/T 25127—2010[6-7]针对的产品适用地域北移，以制取热水为主要目的，兼具制冷功能，因此称为“热泵（冷水）机组”。地板采暖机组只能制热，冷热水两联供机组是制冷与制热并重，在设计初始就须考虑制热能力至少应满足冬季热负荷97%以上的需求。由于机组的功能服务于用途，因此设计应以功能为导向。家用空调冬季制热效果不佳，原因之一是选购的空调在设计之初仅考虑满足冷负荷需求。

带有两个部分标准的 GB/T 18430和GB/T 25127（指GB/T 25127.1和GB/T 25127.2的报批稿，下同）均以制冷量/制热量大小来区分大机组（工商业用）和小机组（户用），其界限分别是50 kW的制冷量和35 kW的制热量。35 kW制热量是依据50 kW制冷量除以经验系数1.4近似换算而来，保持了标准间的内在统一性。因此，对机组能力大小的划分，两个标准实质上是一致的。但是这种划分属于单元划分或管理需要，不排除临界点附近的机组在用途上有交叉。其余两个标准在各自产品的型式划分中（包括性能要求等），也依据此界限做了工商业用和户用的区分。

表1 标准的适用范围

2 机组的型式

标准的第4章通常会以不同方式对产品的型式进行划分，以体现产品的不同属性。表2给出了各机组型式的对比。

从热源侧的情况而言：GB/T 18430的冷水（热泵）机组有多种热源，所以可以是水冷式和风冷式（或蒸发冷却式），而其它几个标准涉及的产品均为空气源，只有风冷一种型式。

从制冷制热的功能上而言：地板采暖机组显然只有单热型，其它机组都既有制热也有制冷，但是也有所区别。GB/T 18430的冷水（热泵）机组在设计时以制冷为根本出发点，优先考虑冷负荷；而GB/T 25127的热泵（冷水）机组在设计时以制热为出发点，优先考虑热负荷。因此前者分单冷型和冷暖型，而后者分单热型和冷暖型。两联供机组要求必须同时满足供冷和供热，因此只能是冷暖型。

从容量的划分而言：以制冷为根本出发点（或冷热并重）的产品以制冷量大小来区分户用和工商业用，标准以名义制冷量50 kW为界；以制热为根本出发的产品则以制热量大小区分，标准以名义制热量35 kW为界。

从机组所适用的环境温区而言：最早出现的是GB/T 18430管辖的冷水机组，其主要用于零上或略低于零度的环境；为解决北方雾霾，在国家煤改清洁能源等政策的大力推动下，GB/T 25127管辖的低环温热泵产品迅速发展，将产品的适用环境温度降至25 ℃，低温热泵技术迈上了一个新的台阶；2018年，我国空气源热泵市场销量首次下滑，同比增长7%[1]，在经历了政策引导后，市场逐步回归理性，回归到对我国新时期社会主要矛盾的思考上。

因此，地板采暖专用机组开始迅速发展，行业目光集中在更具潜力的长江中下游地区采暖市场，空气源热泵冷热水机组的标准族中也因此产生了针对15～21 ℃环境温度机型的标准。在该标准的制定过程中，起草组首次依据不同的气候分区将空气源热泵分成了A型、B型和C型，分别对应了表2中所示的各环境温区。

表2 机组的型式对比

产品多元化是市场发展的必然。GB/T 25127修订时，起草组及时捕捉到产品的发展趋势，依据热泵匹配的不同末端形式，将热泵分成地板辐射型、风机盘管型和散热器型3种型式，并分别规定了3种不同的出水温度。后续制定的冷热水两联供机组的标准也做了相同的划分。

3 评价工况

标准对名义工况的规定中，指出需要依据不同气候分区来规范热泵技术发展。各标准对名义工况的规定如表3所示。

由表3可知，对于制冷情形，各类机组的考核工况一致。这是由于各类机组的制冷用末端设备多为风机盘管，且夏季需要制冷的温度需求区间集中在30～40 ℃，区间相对较窄，因此对机组制冷的考核可以统一在一个工况点上。石文星等[10]研究表明，我国主要地区空气源热泵的制冷运行工况（平均工况、名义工况和极端工况）差异远小于制热；王晓洪等[11]研究也表明，即使夏季室外温差达到18.5 ℃，空气源空调系统仍可维持室内小于1 ℃的温度波动。因此标准对夏季工况的统一是合理的。但是在制热情形，不论从热源侧还是使用侧均很复杂。

表3 机组的名义工况

首先看热源侧。我国幅员辽阔，南北气候差异较大，华南地区最冷月平均气温高于 10 ℃，而东北地区冬季的平均气温仅约为20 ℃，南北温差达到 30 ℃以上。家用空调冬季制热效果不佳，根本原因是我国房间空调器标准GB/T 7725—2004[12]仅仅考核7 ℃/6 ℃一个制热名义工况，全国的空调设备制造商都关注这一工况进行设计，用户的使用体验较差。因此，冷标委在空气源热泵冷热水机组标准族中，将热泵按不同的气候类型做了细分，并针对不同的气候类型分别定义了制热名义工况。详细情况如表4所示。其中，D型热泵目前仅为技术路线图的演示，相关标准尚未制定完成。如此划分后，用户可以根据自己所在的地区，选取相应的热泵产品。而对于制造商而言，只要销售区域具有相似的气候特征，产品就可以占有相应的市场，这也令我国空气源热泵产品随一带一路走向世界，获得了有利的技术支撑。此外，由于标准制定有先后顺序问题，GB/T 25127修订时并未指明热泵的气候分型，但从标准给出的适用环温区间和制热名义工况不难发现，GB/T 25127定义的实为C类热泵。

表4 气候分区

其次看使用侧。采暖末端形式多样，标准针对风机盘管采暖、地板采暖和散热器采暖分别定义了不同的出水温度（详见表3）。其中特别指出散热器型末端的进水温度规定为 50 ℃，有别于“专用热水机标准族”（以GB/T 21362—2008[13]为元标准）规定的 55 ℃，一是考虑到当环境温度一定时，随着出水温度的升高，热泵系统的性能系数呈下降趋势[14]（热泵出水温度每升高 1 ℃，能效比约降低1.7%[15]），在能满足采暖热负荷需求的情况下，没必要一味追求高出水温度，应尽量兼顾热泵机组的能效；二是考虑到散热器采暖用水而非生活用水，用途单一，不需要在短时间内杀灭军团菌（50 ℃时也能在约380 min内杀灭所有军团菌[16]）。

目前，适合41 ℃进水采暖的风机盘管行业标准（《低进水温度风机盘管机组》）已经制定完成，正等待工信部批准发布；适合 50 ℃进水的低温散热器行业标准（《热泵系统用辐射——对流型供暖散热器》）也已经立项获批，相关制定工作正按计划展开。冷标委在整个空气源热泵冷热水机组标准族的布局已经逐步清晰明朗化，在这些标准的共同作用下，将进一步拓展整个行业对低品味热源的利用空间，引领热泵采暖技术向着更加节能高效的方向发展。

将来两联供机组标准可以考虑与 GB/T 25127即C类热泵的标准进行整合。但是整合后一方面应考虑“风盘供冷+地板采暖”和“风盘制冷+散热器采暖”的联供情形，补充对全年能效比的考核要求等；另一方面应考虑单热型机组的标准适用性问题，因为地板单热型已经有了专门的标准，而散热器单热型机组却没有，是构建“一个联供+两个单热”的标准体系，还是直接将所有空气源冷热水机组统一到一个标准中，是将来冷标委需要思考的问题。

4 性能与能效评价

通过以上分析，已从多个层面明确了各类空气源水机的相互关系，因此不需要再通过标准的名称、编号去识别或记忆有关内容，只需要关注两个关键问题：1）热源侧的气候类型，2）使用侧的末端类型。如果将4个新标准（表1～表3中的4个报批稿）给出的主要性能评价指标（性能系数）统一罗列出来，即可发现这些标准的体系关联性。新标准给出的性能系数评价限值如表5所示。

表5 性能系数评价限值

表5中，COPc为名义制冷性能系数；COPh为名义制热性能系数；COPdh为低温制热性能系数；HSPF（Heating Seasonal Performance Factor）为制热季节性能系数；APF（Annual Performance Factor）为全年性能系数。

对于制冷性能系数，由于名义工况统一，末端也一致，故只按用途做了两档区分。对于制热性能系数，则分别依据用途、热源侧特征和使用侧特征进行了要求的细分，且分名义和低温两个工况（低温工况主要是为了可靠性验证），严加考核。对于季节性能评价，如果是单热型机组，则只考核HSPF，若是冷暖型或冷热联供类机组则考核APF。

本次 GB/T 25127修订及相关新标准制定后，空气源热泵的评价指标已经从综合部分负荷性能系数（Integrated Part Load Value，IPLV）转为全年性能系数APF，这是由于APF的评价方式综合考虑了建筑负荷模型（工商业用机组采用酒店建筑模型，户用机组采用居民建筑模型）、外温发生小时数分布模型（标准在附录中给出）和机组的性能模型，可客观反映不同负荷分布情况下机组的全工况性能，因此评价方式更为科学合理[17]。

标准依据不同末端型式，分别给出最低能效要求，为进一步制定产品的能效标准提供了基本依据。低环境温度空气源热泵（冷水）机组的能效标准GB 37480—2019[18]已经批准发布，将于2020年5月1日实施。该标准目前只涵盖了GB/T 25127所管辖的C类热泵，对整个空气源热泵水机类产品能效的管控尚未形成体系。