宁夏地区空气源热泵热水器性能测试及分析

董 娟 余 杰

（1.银川能源学院电力学院，宁夏 银川 750105；2.中建安装集团有限公司华西分公司，陕西 西安 710000）

随着我国城镇化水平的不断提高，生活热水的需求量越来越大，生活热水能耗大幅度增长，这给城镇建筑节能带来巨大的压力[1]。由于空气源热泵热水器具有高效、节能、环保等优点，在全国范围内空气源热泵的推广得到政府政策的大力支持[2]。因此，开展宁夏地区空气源热泵热水器的性能测试，分析其影响因素，提高系统总体性能的研究就显得尤为重要了。

1 空气源热泵热水器的工作原理

热泵热水器以供应居民洗澡、厨卫洗涮、洗衣等方面的生活热水为目的，按热源种类不同分为空气热源、水热源、土壤热源、太阳能热泵热水器等；按热源数量来划分有单热源和多热源热泵热水器。空气源热水器是目前技术比较成熟，应用广泛的热泵技术，主要利用电能驱动制冷剂进行热力循环，发生相变换热从空气中吸收热量来加热水[3]。由于空气资源丰富，有空气的地方就有热量，加上空气流动性好，使用便捷、节能环保，所以空气源热泵使用很广泛。图1是热泵的能量转换过程，图2是空气源热水器的系统循环过程。

根据图1和图2，结合热力学第一定律可以看出来，从环境吸收热量Qk，消耗电能W和热水吸收热量Qd具有以下关系,如公式（1）所示。

图1 热泵的能量转换

图2 系统循环示意图

空气源热泵热水器的性能系数COP指的是制热量与输入功率的比值[4]，即

从式（2）可以看出，性能系数COP的值总是大于1，因此热泵热水器可以实现节能效果。

2 性能测试

2.1 测试方案

根据GB/T23137-2008对某宁夏地区5000W额定制热量，水箱容积200L的空气源热泵热水器进行能效测试，将水箱里面的水从15℃加热到60℃。热泵热水器性能测试阶段的温度变化如图3所示，图中所示A阶段属于加热温度逐渐上升的阶段，水箱里面15℃的水处于一直加热状态直到机器停止，通常情况下这时的温度都会在55℃以上，同时记录下这个阶段所需要的时间和电量；B阶段重点对机器不工作时所消耗的电量进行测量；C阶段测试用水性能，D阶段测试的是热水量的最大使用情况，E阶段测试温度范围，F阶段测试安全性能。笔者考察重点就在C阶段，主要对热水器性能进行测试，选择的测试方法是以普通家庭每天使用热水的情况（其中包括了放水量、时间、温度以及速度等）为基本参数，通过对这些条件的判断来选择用户习惯的放水模式，以此来得出耗电量以及制热量的具体数据，然后根据它们的比例来确定性能系数[5]。

图3 热泵热水器性能测试阶段图

欧盟标准对机组性能的要求比较高，但是如果测试的时间比较长的话，就需要将水流量的精度提高，这样整体下来成本也比较高。相比于欧盟标准，根据我国的有关标准NB/T34027-2015来测试空气源热泵热水器，需要针对水的使用情况来决定，并根据热水目前的使用情况对测试方法去简化处理，选择合适的水流量。水箱里的水加热到55℃时可以进行放水，当温度调整到45℃时不再放水，等机组把水温加热到55℃时再执行放水动作，在这周期内记录好所需要的耗电量以及制热量，再判断系统的能效系数，通过该测试来对机组性能进行评价[6]。

2.2 测试工况分析

2.2.1 热泵制热过程性能测试

刚开始进行加热时，热泵热水器的性能指标如表1所示。当设定的环境温度处于20℃~30℃时，水箱里的温度维持在14℃左右，这表明了水箱在非寒冷季节的情况下所需要的给水条件以及运行工况；当设定的环境温度达到9℃，2℃，-5℃的时候，水箱的进水温度需要保持7℃，这表明了寒冷季节环境下水箱的给水条件以及运行工况。根据水箱的相应容积，将水温增加至设定温度（55℃），热量由热泵机组所提供，此时测试2个季节环境下的制热量。由于环境以及水箱温度的不同，热泵机组的耗电量以及制热能力有不一样的体现形式，环境温度在下降的同时需要的加热时间在增加，而制热能力则是在逐渐下降，能效系数也处于不断降低的状态。

表1 加热测试工况下热泵热水器测试指标

2.2.2 热泵运行能耗测试

加热初期空气源热泵热水器随水箱温度增加，耗电功率如图4所示。通过图4可以看到系统耗电功率随着水箱温度的上升而上升。

图4 不同环境温度下耗电功率随水箱温度变化图

能效系数COP指的是水箱温度变化1℃所产生的制热量与耗电量之间的比值。加热初期系统能效系数随着水箱温度变化如图5所示。通过图5可知，当环境温度较高时，系统COP较高，特别是环境温度在20℃以上且水温保持45℃时COP维持在3以上；当温度低至2℃或者更低时，热泵热水机组会开启除霜功能，能效系数基本不会有太大的变化，水温40℃时COP也会停留在2左右。简单来说，这种类型的热水器如果处于非寒冷季节时是有较强的运行性能，但是当处于寒冷季节时，它的运行性能就会有所下降。

图5 不同环境温度下机组能效系数随水箱温度变化图

3 空气源热泵热水器性能分析

3.1 环境温度对空气源热泵热水器的影响

如图6、图7所示，环境温度直接影响空气源热泵热水器的性能。在热泵耗电量和运行时间方面，随着环境温度的升高，两者处于下降的趋势；相反，随着环境温度的下降，热泵COP、热泵产热水量呈现出一定的上升趋势。产生这种现象的主要原因是环境温度升高，蒸发器需要从周围空气中吸收更多的热量来满足对流的需要，这样在水箱容积不变情况下，热泵系统在耗电及运行时间方面，会随着蒸发温度的升高出现相应减少的趋势，而系统产热水量和COP则会呈现出增大的现象。

图6 环境温度对系统耗电量和运行时间的影响

图7 环境温度对系统产热水量和COP的影响

3.2 水箱容积对热水器的影响

该实验在18℃水箱初始温度，20℃环境温度条件下对热泵热水器的性能进行分析。在进行实验时，应保持其他参数不发生变化，把水箱温度从18℃加热到55℃时，水箱有较好的保温效果，漏热系数也趋向稳定。当把水箱的容积从80L增加至200L时，水箱的热量升高，运行时间增加，如图8所示。显然，水箱容积与热泵加热时间存在紧密的关联，一旦水箱容积出现变化，将影响热泵加热时间的变化，例如水箱容积从80L逐步增加 200L时，系统加热时间则从70min延长到138min。因此，在供热水时间不变的条件下，需要合理选取水箱容积。

图8 水箱容积对系统运行时间和水箱得热量的影响

图9、图10体现了水箱容积与热泵耗电量、产热水量、系统COP三者间的关系。从图可以看出，水箱容积增加，热泵耗电量增加了约106%，产热水量增加了26%，系统COP增加了22%。

图9 水箱容积对系统耗电量和COP的影响

图10 水箱容积对系统产水量和COP的影响

3.3 进水初温对热泵热水器的影响分析

通过实验进一步分析空气源热泵热水器在进水初温的影响下呈现出的变化情况。在实验中应保持系统其余参数不变，并将水箱容积设定为200L，环境温度设定为20℃。由图11可知，热泵运行时间随着水箱进水温度的增加呈现出下降的趋势，而热泵产热水量则出现上升的趋势，初始进水温度从15℃增加到 35℃，热泵耗时从 145min减少到 90min。

图11 水箱初温对系统运行时间和产热水量的影响

4 结论

该文对宁夏地区空气源热泵热水器进行性能测试，发现环境温度影响着空气源热泵热水器的性能系数。气温较高时，空气源热泵热水器制热效果、耗电功率和能效都比气温低时好。影响空气源热泵热水器性能的因素除环境温度外，还有水箱容积、进水初温等。此外，受到气温和气候影响，单一热源的热水设备不能全天运行，所以单纯靠空气源的热泵系统无法满足人们的需求。但是，若能够将太阳能热泵技术和空气源热泵技术进行有机结合，就会有很多优势，这样可以在集热效率高、供热性能好、形式多样、一机多用、应用广泛的同时，又节约了能源、降低了能耗，能够更好地解决太阳能与建筑一体化和24h连续热水供应的实际问题，经济价值和社会现实意义巨大。