低环境温度空气源热泵（冷水）机组性能测试方法解析

2022-06-28包继虎马金平李亚运谢鸿玺赵宗彬

流体机械 2022年5期

包继虎，杨弋，马金平，李亚运，周坤，付炜，谢鸿玺，赵宗彬

（合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

空调产品的性能测试通常是指按照国家标准规定的测试工况或第三方委托要求工况进行试验，得到空调产品的相关参数，并以检测报告等多种方式提供给监管机构、制造商或消费者。因此，性能测试对控制产品质量、评估产品性能、制定能效标准、保证行业的良性发展有举足轻重的意义［1-6］。

早期GB/T 25127.1-2010《低环境温度空气源热泵（冷水）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组》（以下简称“GB/T 25127.1-2010”）对空气源热泵（冷水）机组的性能测试名义工况和部分负荷工况进行了规范化要求［7］，但随着我国空气源热泵（冷水）机组技术的不断突破和产品的多元化发展，变频、变容空气源热泵（冷水）机组逐渐成为行业的研究与发展重点，变频、变容空气源热泵（冷水）机组在制冷行业中的占比越来越大，为了客观反映空气源热泵（冷水）机组在全年运行的实际情况，综合考虑了制冷、制热两种模式下全年的运行效率，满足空气源热泵（冷水）机组性能评价的需求，国家标准化管理委员会于2020年6月发布了GB/T 25127.1-2020《低环境温度空气源热泵（冷水）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组》（以下简称“GB/T 25127.1-2020”），代替了GB/T 25127.1-2010，并将于2021年4月1日正式实施，与GB/T 25127.1-2010相比，GB/T 25127.1-2020在性能测试方面的主要变化是删除了综合部分负荷性能系数（IPLV（H）、IPLV（C）），增加了制冷季节能效比（seasonal energy efficiency ratio，SEER）、制热季节性能系数（heating seasonal performance factor，HSPF）和全年性能系数（annual performance factor，APF）［8］。APF的评价方式综合考虑了建筑负荷模型、外温发生小时数分布模型和机组的性能模型，可客观反映不同负荷分布情况下机组的全工况性能，比IPLV体系更为精细、准确，特别适用于空气源热泵产品的性能评价，因此评价方式更为科学合理［9-10］。

目前，在与企业的交流过程中发现，企业相关检测人员对新标准中性能测试的条款理解上存在歧义，如性能测试过程中各工况点如何确定、计算名义制冷量和名义制冷量如何区别、新标准中是否要进行污垢修正等，最终可能导致厂家检测结果与第三方检测机构检测结果存在较大差异，给实际的产品开发能否达到设计要求增加了不确定性，严重时可能对产品做出不合格的判定结论。基于上述问题，本文主要针对GB/T 25127.1-2020中性能测试方法进行详细解析，以帮助使用者更好的理解标准中的性能测试方法，确保检测结果能准确反映产品的真实性能。

1 名义测试工况分析

GB/T 25127.1-2020在第4.3.3条中给出了低环境温度空气源热泵（冷水）机组（以下简称“机组”）的名义工况测试条件，如表1所示［8］。

表1 名义试验工况Table.1 Nominal test condition

表1中明确了使用侧出水温度和水流量，但仍有部分企业检测人员不能正确理解流量如何确认。关于流量计算的正确理解为：对于风机盘管型，无论是单冷型还是冷热双供型两类机组，名义制冷工况和名义制热工况的水流量均等于名义制冷量乘以单位制冷（热）量水流量。如果机组是单热型机组，对风机盘管型、地板辐射型和散热器型机组，名义制热工况的水流量均等于名义制热量乘以单位制冷（热）量水流量。

值得注意的是名义制热工况时热源侧的进风湿球温度要求低于0 ℃，通过温度传感器直接测量湿球温度有一定难度，目前惯用的方法是测量干球温度、相对湿度和大气压，并换算为湿球温度，计算过程中需要提供干球温度、相对湿度和大气压的测试值，因此，试验设备除了测量干球温度的传感器（通常采用铂热电阻）外，还需要相对湿度仪和压力传感器，笔者在一些现场试验中发现，部分企业无法提供测量大气压的压力传感器，主观认为采用标准大气压即可，显然，该方法不严谨，计算结果难免出现偏差。

其次，GB/T 25127.1-2010在4.3.1.2条（名义工况其他规定）中明确了大气压力为101 kPa［7］，虽然在新标准GB/T 25127.1-2020中并没有对该条件进行明确，但从名义测试工况条件看，大气压对空气的湿度和体积均有一定的影响，因此，为保证测量的准确性，测试过程中仍需考虑大气压对测试条件的影响。

2 APF计算方法分析

GB/T 25127.1-2020中定义全年性能系数（APF）为机组制冷时从室内除去的热量及制热时向室内送入的热量的总和与消耗的电量总和之比。全年性能系数同时反映了机组的制冷季节能效情况与制热季节能效情况。对于单冷型机组采用制冷季节能效比（SEER）来进行评价，制冷季节能效比（SEER）是指在制冷季节中，机组从室内除去的热量总和与消耗的电量总和之比；对于单热型机组采用制热季节性能系数（HSPF）来进行评价，制热季节性能系数（HSPF）是指在制热季节中，机组向室内送入的热量总和与消耗的电量总和之比；对于冷热双供的热泵型机组采用全年性能系数（APF）来进行评价。下面将针对上述评价情况涉及的试验和计算方法解析如下。

2.1 制冷季节能效比计算解析

计算过程中主要问题描述如下：

（1）制冷工况下房间冷负荷的计算时，将GB/T 25127.1-2020附录B中式（B.9）的计算名义制冷量理解为铭牌明示制冷量；

（2）定频和变频机试验方法理解出现偏差，特别是针对变频机试验方法的理解，导致测试结果与第三方检测机构结果偏差较大；

（3）在制冷B，C，D工况试验中，将“要求负荷”理解为“名义制冷负荷点”；

针对问题（1），GB/T 25127.1-2020附录B中明确指出，机组的计算名义制冷量的值应满足式（1），且名义热冷比HCRn取1.0［8］。

式中φfulh（-12）——名义制热量；

φfulc（35）——计算名义制冷量。

机组的名义制冷量明示值应不小于计算名义制冷量，式（1）适用于冷热双供的风机盘管型机组，单冷型风机盘管型机组的计算名义制冷量即为名义制冷量。在使用CD系数法计算COP时也一样，负荷系数LF计算公式中的QFL是计算名义制冷量，并非铭牌所示名义制冷量。

针对问题（2），定频机所有工况点（包括工况点A，B，C，D）都在工作频率下运行进行测试，变频机则将压缩机调整至适合相应工况点的频率运行进行测试，使机组的制冷量=计算名义制冷量×部分负载率×（100±10）%，测定机组的制冷量和制冷消耗功率。如不能在对应负荷点频率运行，则采用内插法或CD系数法计算COP值，制冷模式运行工况点A为选测点，即可对该工况点进行测试也可不对该工况点进行测试，标准GB/T 25127.1-2020在附录B中B.5.3.2中有详细计算方法。

针对问题（3），在制冷B，C，D工况试验中，“要求负荷”是指计算名义制冷量，并非名义制冷量。值得注意的是GB/T 25127.1-2020中附录B中表B.3中的冷负荷部分负载率均是指计算名义制冷量的部分负载，并非名义制冷量的部分负载率。

下面以某公司生产的定频低环境温度空气源热泵（冷水）机组（冷热型风机盘管机组）为例，对问题3进行分析，机组铭牌参数见表2，本次试验选择D工况点不进行测试。

表2 机组铭牌参数Table.2 Nameplate parameter of the unit

由式（1）可知，机组的计算名义制冷量φfulc（35）=名义制热量φfulc（－12）=54 000 W，并不等于名义制冷量70 000 W。依据标准GB/T 25127.1-2020中附录B中所给条件，可计算出相应的部分负荷制冷量，见表3。由于工况点B和C的实测制冷量均分别高于对应要求制冷量的110%，即54 000×110%=59 400 kW和30 780×110%=33 858 kW，因此需要对B点和C点的实测性能系数进行CD法修正，修正结果见表3。

表3 按计算名义制冷量试验计算结果Tab.3 Test calculation results by calculated nominal capacity

如果用名义制冷量计算部分负荷制冷量，计算和实验数据数见表4。由于工况点B实测制冷量没有超过名义制冷量的110%，所以未对B点实测性能系数进行修正。C点的实测制冷量高于对应要求制冷量的110%，因此需要对C点的实测性能系数进行CD法修正，修正结果见表4。

表4 按名义制冷量试验计算结果Tab.4 Test calculation results by nominal capacity

从上述分析发现，采用名义制冷量计算部分负荷时，B点的性能系数即为实测结果，不需要采用CD衰减系数进行修正，当采用计算名义制冷量计算部分负荷时，B点性能系数对应的制冷量高于对应负荷点制冷量的110%，所以需要采用CD衰减系数进行修正。对GB/T 25127.1-2020中“要求负荷”的不同理解，最终会影响到制冷季节能效比的计算结果。

值得注意的是，在部分负载工况A点测试时，若不对A工况点进行测试，其对应COP的值采用外插法计算，外插法是否准确值得商榷，变频机组误差相对会小一些，定频机组测试误差会较高，寻求更加合理的边界点外COP的计算方法是今后研究重点，从所查阅的文献来看，目前并没有较为合适的方法来取代外插法。因此，建议强制要求工况点A必须进行测试，这样可避免使用外插法，使计算方法更加科学合理。

2.2 制热季节性能系数计算解析

计算过程中主要问题描述：

（1）在GB/T 25127.1-2020附录B中B.4.3.2节，辅助电加热的消耗功率计算时给定了当Lh（tj）＞φful（tj）时，机组制热量不足需要补充其电加热，PRH（tj）由式（2）确定：

φfu（ltj）——温度tj时的机组实测制热量。

（2）各温度tj时的制热量φful（tj）不可能每个点都测试，目前通用的办法还是插值法。对于C，D，E工况点的热泵机组的制热量超过要求负荷110%时，其对应COP采用CD系数法进行计算，但对于上述工况点边界外的部分温度点对应的实测制热量只能采用外插法，即使工况点A，B，C，D，E的制热量和性能系数均可实测出，但工况点E以外的制热量仍需使用外插法进行计算，例如温度发生时间在8～12 ℃时，这样必然导致较大的误差。

针对问题（1），当Lh（tj）＞φful（tj）时，说明机组制热量不足，需要补充电加热，当Lh（tj）≤φful（tj）时，说明机组制热量足够，不需要补充电加热，此时即认为PRH（tj）=0，因此，在计算制热季节耗电量时，当Lh（tj）≤φful（tj）时，即认为PRH（tj）=0，相关测试人员需要注意该点在GB/T 25127.1-2020附录中并没有明确。

针对问题（2），与制冷测试相类似，外插法是否准确值得商榷，笔者偿试采用Lagrange多点插值等方法对COP和制热量进行了计算，经多次试算发现，由于边界点外方向的不可预知性，导致误差不确定，理论试算过程中还发现，在某些特殊情况时E点外侧的实测制热量还可能出现负值（对于变频机组，当E点实测制热量接近要求下限值，即E点实测制热量=名义制热量×24%×90%时，此时利用外插法计算E点外侧制热量与实测制热量的差值可能出现负值），变频商用和户用型机组均有可能。因此，寻求更加合理的边界点外性能系数和实测制热量的计算方法是下步研究重点。从所查阅的文献来看，目前并没有较为合适的方法来取代外插法。笔者认为，在进行制热季节性能系数计算时，为避免使用外插法，建议暂不要考虑E点以外的制热时间，E点以外的制热时间为128，82，81，75，43 h，共计409 h，分别对应室外温度8，9，10，11，12 ℃。制热季节总的制热时间为3 553 h，占比为11.5%［8］。

3 部分负载率分析

由GB/T 25127.1-2020可知，冷负荷部分负载点B的工况与名义制冷工况一致，对于冷热型的风机盘管型低温机组，GB/T 25127.1-2020规定了其流量等于名义制冷量乘以单位制冷（热）量水流量（0.172 m3/（h·kW）），该系数是依据GB/T 10870-2014中规定的液体载冷剂法，由机组的名义制冷量，按5 ℃进出水温差、水的平均比热容和水的密度反推得出［11］，即：

其中

式中 C —— 水的平均比热容，kJ/（kg·℃），取C =4.186 kJ/（kg·℃）；

第一，进一步明确了“值百抽五”的关税税负标准。《中英通商章程善后条约》第一款规定：“……倘有货物名目，进、出口税则均未赅载，又不在免税之列者，应核估时价，照值百抽五例征税。”即税则上没有列举的商品，都按5%的从价关税税率。

ρ ——水的密度，kg/m3，取ρ =1 000 kg/m3；

qv——水的体积流量，m3/h；

Δt ——进出水温差，℃，取Δt =5 ℃；

λ—— 单位制冷（热）量水流量，m3（/h·kW）。

将各取值代入式（3）得：

由式（4）即可推导出单位制冷（热）量水流量λ=0.172 m3/（h·kW）。但在GB/T 25127.1-2020中机组的冷负荷部分负载均是按照计算名义制冷量计算，其流量则是由名义制冷量乘以单位制冷（热）量水流量确定。针对本文前述低温机的制热量与制冷的配比关系（54/70=0.77＜1），由于热冷比系数的影响，导致名义制冷量与计算名义制冷量有较大偏差，这也直接导致了名义制冷量与冷负荷部分负荷点B的制冷量相差较大，尽管工况完全一样。因此，在实际热冷比小于1时，部分负荷运行工况均按名义制冷量确定的流量进行测试是否准确值得商榷，目前，热冷比小于1的商用型低温机仍占市场主流。当然，合理的方法是采用热冷比为1的机组来配比房间负荷率，保证选型机组的换热量与房间负荷率一致，尽可能使名义制冷量与名义制热量相等，这样从理论上保证了机组换热量与建筑物的合理配比关系，一定程度上限制供应商提供超出房间负荷的大机组，避免类似于“大马拉小车”的资源浪费。但选用较大热冷比的机组，其技术含量和制造工艺水平也相应提高，成本也相对较高。

需要引起重视的是，GB 37480-2019《低环境温度空气源热泵（冷水）机组能效限定值及能效等级》中低温热泵机组的能效评价值仍然采用综合部分负荷性能系数（IPLV（H））和制热性能系数（COPh）作为评价指标，2020年6月2日发布并于2021年4月1日实施的新的产品标准GB/T 25127.1-2020和GB/T 25127.2-2020中将采用全年性能系数（APF）评价体系，综合考虑了制冷、制热两种模式下全年的运行效率，且将低温热泵机组划分为地板辐射型、风机盘管型和散热器型三类产品，IPLV和APF两种评价体系中的部分负载率有一定差异，在试验过程中需要区别处理。因此，在进行低温空气源热泵（冷水）机组的能效性能试验时，仍然需要使用GB/T 25127.1-2010和GB/T 25127.2-2010中的试验方法和部分负荷测试工况。