空气源热泵热水器季节性能的试验设计及分析

黎志瑜

（ 广东瑞星新能源科技有限公司，广东 江门 529700）

季节性能评估作为一种常用的检测方法，主要用于对热水器性能指标的精确化检测，从而确定出影响热水器性能的季节因素，同时，还能实现对热水器运行经济效益的精确化分析，因此，该检测方法被广泛地应用于太阳能热水器领域中，由于缺乏相关试验理论知识的指导和借鉴，因此在热泵热水器领域中的应用较少，为了解决这一问题，提高空气源热泵热水器季节性能检测结果的精确性，如何对其试验进行科学设计和分析是相关人员必须思考和解决的问题。

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置

该试验装置示意图如图1所示，从图1中可以看出，该试验装置主要由以下部分组成：1）压缩机。压缩机所选用的旋转式具有一定的全封闭性，额定功率通常达到735W。2）蓄热水箱。蓄热水箱的容积达到了150L，所选用的水箱种类主要以承压式为主，该类型水箱内胆材质为不锈钢板。内胆和外壳之间充满一定量的填充物，该填充物为聚氨脂发泡保温材料。3）螺旋形冷凝盘管。该冷凝盘管的安装位置主要集中于水箱底部。4）风冷换热器。风冷换热器主要由以下两个部分组成，一个是蒸发盘管，另一个是轴流风扇。5）节流元件。节流元件内部含有大量的毛细管。压缩机和毛细管两种零件均被设置于指定的恒温室内，恒温室温度通常为-5℃ ~35℃。

图1 试验装置示意图

1.2 试验方法

该试验所采用的试验方法如下：在不同季节下，对恒温室环境温度进行模拟和调节，然后，在不同环境温度下，对该热水器在加热期间所产生的设备能耗和水箱水温进行完全记录，其中，设备能耗在实际的统计中，需要利用功率计对其进行采集和计算，水箱水温在实际的统计中，要利用热敏电阻1，对相关数据进行自动化、智能化采集，热敏电阻1所采集的数据对象主要以水箱水温参数为主，在指定的水箱中段处安装和固定相应的温度测点，可以有效地避免水温分层现象，确保最终计算结果的精确性。另外，在该试验中，还要利用热敏电阻2，对蒸发盘管侧温度进行全面采集和整理，然后，确定出系统、完善的执行化霜流程。最后，通过利用热敏电阻3，对环境温度进行自动化采集和模拟，并向恒温室中心处设置相应的温度测点。在整个试验期间，还要根据系统性能评判指标，通过利用系统性能值，对水箱初始水温进行科学设置，使其达到15℃。

2 试验结果分析

2.1 水箱设定温度的影响

该试验对空气源热泵热水器水箱所设置的温度进行全面测试，发现水箱设定温度的变化，将会直接影响系统运行性能。水箱设定温度的影响测试结果如图2所示。从图2中可以看出，当水箱温度所设定的温度不断升高时，系统值呈现出不断下降的趋势。同时，当水箱所设定的温度达到60℃，系统运行性能值降到最低。此外，当环境温度不断升高时，曲线整体呈现出比较平坦的状态。在水箱设定温度整个变化范围内，系统运行性能值始终保持在0.2~0.4。当环境温度不断下降时，系统运行性能值会呈现出不断下降的趋势，值变化范围通常集中在0.7~1.5。当值达到1.5时，说明系统运行性能不佳，此时，需要派遣指定人员前来维修。

图2 各种环境温度Tn下水箱设定温度对COP的影响

2.2 环境温度的影响

通过模拟出不同的环境温度，对空气源热泵热水器的运行性能进行试验测试，得出如图3所示的测试结果。从图3中可以看出，在环境温度的不断变化下，系统值变化曲线可以划分为三个区域：1）低温区域。低温区域通常为-5℃~5℃，在这一范围内变动幅度较小，整体走势比较平坦，并且当值达到比较低的状态时，难以保证其运行效果。2）中温区域。中温区域范围为5℃~30℃，在这一范围内，呈现出不断上升的趋势，变化幅度较大，达到2.5以上，这表明当环境温度处于中温区域时，对影响比较显著，当环境温度达到30℃时，空气源热泵热水器达到最佳运行状态。3）高温区域。高温区域范围集中在30℃以上，在这一范围内，值呈现出不断下降的趋势，同时，下降幅度达到1，当环境温度达到35℃时，整个系统实际运行效率较低，这一测试结果与实际应用完全不符，出现以上问题的根本原因是该热水器无法与高温区域系统进行有效匹配，导致系统热负荷过高，造成整个系统无法可靠、稳定、安全地运行。

图3 各种水箱设定温度Tset下水箱设定温度下环境温度对COP的影响

2.3 结果分析

通过分析以上试验结果，不难发现，当水箱设定温度不断上升时，空气源热泵热水器运行性能处于不断下降的状态。同时，当环境温度达到最低时，这种影响程度越来越明显。根据环境温度对系统的影响程度，将环境温度划分为以下三个区域，分别是高温区域、中温区域和低温区域。其中，中温区域环境温度一旦出现明显变化，会对该热水器运行性能造成显著的影响，同时，当环境温度达到30℃时，系统将会达到最佳运行状态，为操作人员开展相关作业提供了极大的便利。由此可见，为了进一步提高该热水器的运行性能，确保系统达到最佳运行状态，技术人员除了要做好对中温区域环境温度的控制外，还要将环境温度设置为30℃。

3 试验优化设计

在对以上试验进行优化设计期间，将“上海地区”设置为试验场地，并绘制出上海地区的四季平均气温资料（见表1），从表1中的数据可以看出，上海地区的昼夜温差往往比较显著，一年四季平均气温主要集中在4.9℃~26.4℃。另外，还要采用多模式流程控制方式，对以上试验进行优化设计，用户可以根据自己实际使用需求，在充分结合季节变化情况的基础上，对以下四种工作模式进行选择。1）午间模式。热泵系统具有一定的高效性，在午间时段内，需要对该系统进行加热处理，在其他时段内，可以采用保温方式，维持该系统的恒定温度。此外，由于全天环境温度峰值通常集中出现在午后至傍晚这一时间段内，所以，对其进行加热处理，可以最大限度地提高系统值。2）谷电模式。为降低经济成本，需要在谷电差价时段内，对该系统进行加热处理，在其他时段内，采用相应的保温措施，尽管值出现大幅度下降现象，但是，由于电费为半价状态，系统总体运行费用较低，从而起到节约费用成本的作用。3）谷电加午间模式。该模式主要适用于那些早上、晚上热水用量较大的用户，极大地满足了用户的用电需求。4）正常模式和即时加热模式。为了保证空气源热泵热水器使用的舒适性和可控性，用户要根据自身的实际需求，对加热启停时间进行科学设置，或者，根据实际需求，采用临时加热的方式进行短时间加热处理，以保证热水器整体加热的均匀性。

根据以上试验数据，结合上海气候特征发现：当春季环境温度和秋季环境温度处于中温区域时，一旦环境温度出现变化，系统值会出现比较明显的变化趋势，这表明昼夜环境温差对该热水器的运行性能影响较大，因此，要优先选用午间模式，将水箱设定温度范围设置为52℃~56℃，在该范围内节能效果较好。当用户热水用量比较大时，可以将午间模式与谷电模式进行充分结合。夏季，环境温度普遍高于如表1所示的温度，在高温环境下，难以保证系统运行性能，此时，需要优先选用谷电模式，有效优化系统运行性能，另外，由于水箱设置温度并不会对系统运行性能产生直接影响，因此，可以将水箱设定温度控制为56℃~60℃，如果用户热水用量变得越来越大时，需要将谷电模式和即时加热模式进行充分结合，以满足用户庞大的用电需求。在冬季，一旦室外环境温度高于10℃以上时，系统值比夜间温度多出0.6℃左右。此时，需要采用午间模式，以保证最终的节能效果，从而取得良好的经济效益。另外，在冬季环境下，水箱所设定的温度会对系统的整体工作效率产生显著的影响，当水箱所设定的温度为48℃~52℃时，用户热水用量往往比较多，此时，需要将午间模式与谷电模式进行充分结合，避免出现用户用水量供不应求的现象。

表1 上海地区的四季平均气温℃

4 经济性分析

“以上海试验场地”为例，通过采用优化后设计方案，全面分析空气源热泵热水器的经济效益，得出的统计结果（表2），从表2中的数据可以看出，优化设计方案实施后，在不同季节下，空气源热泵热水器均取得良好的节能效果。与以前热水器能耗相比，全年实际能耗节省量达到了30%，其中，春秋季运行费用节省17.7%；夏季运行费用节省50.0%、冬季运行费用节省51.0%，与优化前相比，全年运行费用较低，仅为460元，节省60.3%，这表明该文所提出的空气源热水器季节性能设计方案具有较高的经济效益。

表2 空气源热泵热水器系统优化运行前后的经济性比较

在常规模式下，当水箱所设定温度达到60℃时，优化设计方案取得良好的经济效益。通过计算加热量与系统热效率之间的比值，可以精确地得出系统的实际能耗，如果每日用水量为200L，水箱水温会不断上升，由之前的15℃上升至55℃；单季总天数统一控制为90天。另外，上海地区电价和谷电电价通常被设置为0.61元/kW·h、0.30元/kW·h。由此可见，经过优化后的空气源热泵热水器系统，可以有效地降低用电成本，取得良好的节能效益，这表明该系统具有较高的应用价值和应用前景，值得被进一步推广和应用。

5 结语

综上所述，该试验所得到的结论如下：1）当水箱所设置的温度不断升高时，会严重影响空气源热泵热水器运行性能，同时，当环境温度呈现出不断下降的趋势时，水箱所设置的温度对的影响程度越来越大。2） 对环境温度来说，其值变化对的影响产生一定的分区作用。中温区域温度为30℃~150℃时，一旦环境温度出现明显变化，会对空气源热泵热水器效率产生明显的影响，当环境温度达到30℃时，系统运行性能将会达到最佳状态。3）根据该试验结果，多模式流程控制方案的应用，除了可以提高系统能效比外，还能取得良好的经济效益，因此，该文所提出的控制方案具有较高的应用价值。对空气源热泵热水器来说，在春秋季、夏季、冬季不同季节下所表现出的运行性能均存在一定的差异，为此，相关人员要对该热水器在不同季节下的运行性能进行试验，然后，分别测定和评估设定温度和环境温度对系统工作效率产生的影响程度，然后，制定出一套系统、完善的优化试验设计方案，该方案主要用于自动化、智能化、高效化地控制空气源热泵热水器的运行，为最大限度地提高系统全年运行能效比打下坚实的基础。