小型空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)研究

楊歐翔苗朋柯

1空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術(shù)研究中心有限公司

0 前言

近年來(lái)隨著環(huán)境問題的日益突出，從政府到民間的環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸加強(qiáng)，特別是全國(guó)多地在冬季頻繁的霧霾現(xiàn)象，加速了我國(guó)采暖“煤改清潔能源”政策的推進(jìn)和實(shí)施。京津冀地區(qū)率先進(jìn)行“煤改電”試點(diǎn)，已取得了較好的實(shí)際效果。經(jīng)過多種技術(shù)系統(tǒng)的對(duì)比，低溫空氣源熱泵較為經(jīng)濟(jì)舒適[1]，適合在我國(guó)北方地區(qū)大量應(yīng)用，以取代分散型散煤采暖。

雖然我國(guó)空氣源熱泵產(chǎn)品已在“煤改電”工程中有一定規(guī)模應(yīng)用，但針對(duì)此種產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未建立健全，居民的安裝更多的是受補(bǔ)貼政策的影響。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，未對(duì)在寒冷地區(qū)使用的熱泵產(chǎn)品和常規(guī)產(chǎn)品進(jìn)行有效區(qū)分。如何在政府補(bǔ)貼退出后，由市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)消費(fèi)者自行購(gòu)買和使用合適的熱泵產(chǎn)品，需要制訂合理的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)熱泵產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

1 小型空氣源熱泵的制熱表現(xiàn)

小型空氣源熱泵一般用于家用和輕商場(chǎng)合，產(chǎn)品是以空氣作為熱源，向需要供熱的場(chǎng)合進(jìn)行供熱。其基本結(jié)構(gòu)見圖1，四大基本部件壓縮機(jī)，節(jié)流閥，室內(nèi)換熱器和室外換熱器由銅管連接，制冷劑充注其中。采暖運(yùn)行時(shí)，室外側(cè)為大氣環(huán)境溫度，室內(nèi)側(cè)為人居環(huán)境，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后的制冷劑為高溫高壓氣相狀態(tài)，流入室內(nèi)側(cè)換熱器后向室內(nèi)放熱，降溫后流入節(jié)流閥，降壓后形成低溫低壓液相狀態(tài)，流入室外側(cè)換熱器。由于制冷劑溫度較室外側(cè)大氣環(huán)境溫度更低，因此能夠吸收室外環(huán)境中低品位的熱能，由液相轉(zhuǎn)換為低溫低壓的氣相。空氣源熱泵是通過電力驅(qū)動(dòng)制冷劑在系統(tǒng)中進(jìn)行逆卡諾循環(huán)，從而將室外空氣中低品位熱能搬運(yùn)至室內(nèi)，以提高室內(nèi)溫度，從而達(dá)到采暖的效果。

圖1 空氣源熱泵基本結(jié)構(gòu)

空氣源熱泵的制熱性能由制熱量Q和制熱功率P決定，其比值為制熱能效COP。本文為便于比較，選用制熱量Q和制熱能效COP為衡量熱泵性能的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。本文以兩款已上市的成熟產(chǎn)品作為研究對(duì)象，在熱泵空調(diào)產(chǎn)品的焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)比其性能表現(xiàn)。產(chǎn)品A為采用單級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機(jī)的3匹熱泵空調(diào)，屬于常規(guī)產(chǎn)品。產(chǎn)品B為采用可變?nèi)莘e比的雙級(jí)增焓變頻壓縮機(jī)的3匹熱泵空調(diào)，是為提高低溫制熱性能而開發(fā)的產(chǎn)品，極限工作溫度低至-35℃。測(cè)試方法和對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)按我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《房間空氣調(diào)節(jié)器》GB/T 7725-2004[2]，工況參數(shù)見表1，對(duì)比測(cè)試的結(jié)果見表2。

從國(guó)標(biāo)工況的對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看，產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的全年能源消耗效率APF值處于相當(dāng)水平，均超過國(guó)家一級(jí)能效要求。具體來(lái)看，產(chǎn)品A在小負(fù)荷制冷和制熱時(shí)的能效具有優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品B在滿負(fù)荷下能效具有優(yōu)勢(shì)，特別是在低溫制熱下制熱量和制熱能效COP都有明顯優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)際氣候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，北方地區(qū)在冬季的室外溫度一般都會(huì)低于表1中“低溫制熱”工況的2℃，以北京地區(qū)為例，最低溫度可達(dá)15℃。因此，為了比較產(chǎn)品A、B在室外側(cè)溫度更低時(shí)的熱泵制熱表現(xiàn)，擬定了如表3的低溫工況，對(duì)比測(cè)試的結(jié)果見表4。在上述測(cè)試中，產(chǎn)品A和B均未開輔助制熱設(shè)備，其制熱量全部來(lái)源于熱泵循環(huán)的制熱量，即熱泵制熱量。通過對(duì)比，產(chǎn)品B較產(chǎn)品A在低溫工況下的制熱量提高10%至27%，COP提高9%至15%，應(yīng)用于北方地區(qū)作為“煤改電”采用顯然更為適合。

因此，對(duì)于能作為替代散煤采暖的小型空氣源熱泵產(chǎn)品來(lái)說，采用現(xiàn)有的國(guó)標(biāo)評(píng)價(jià)體系，是難以體現(xiàn)出其技術(shù)優(yōu)勢(shì)的，需要使用更為合適的測(cè)試工況和計(jì)算權(quán)重分配。而制定這套規(guī)則的依據(jù)，可參考我國(guó)嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)建筑采暖熱負(fù)荷的計(jì)算。

2 我國(guó)嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)建筑對(duì)熱泵產(chǎn)品的負(fù)荷需求

2.1 我國(guó)北方不同氣候區(qū)域?qū)岜卯a(chǎn)品的需求不同

依據(jù)我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ26-2010[3]，我國(guó)北方地區(qū)可分為嚴(yán)寒A，B，C和寒冷A，B五種氣候子區(qū)，不同子區(qū)的供熱需求相差較大。在該標(biāo)準(zhǔn)中，以采暖度日數(shù)（HDD18：Heating Degree Day based on 18℃）對(duì)供熱需求進(jìn)行量化區(qū)分，其定義為：一年中，當(dāng)某天室外日平均溫度低于18℃時(shí)，將該日平均溫度與18℃的差值乘以1天，并將此乘積累加，得到一年的采暖度日數(shù)，單位為℃·day。各氣候子區(qū)的HDD值范圍見表5。

我國(guó)北方地區(qū)大部分為寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)，表6列舉了幾個(gè)典型城市的HDD值，采暖期平均氣溫和最低氣溫從表中可以看出，對(duì)于北京，張家口，呼和浩特，哈爾濱及漠河等幾個(gè)城市，其采暖季室外氣溫大部分時(shí)間會(huì)低于2℃（即國(guó)標(biāo)規(guī)定中的低溫制熱工況，見表1），甚至漠河最低氣溫能達(dá)到零下三十多度。因此，從這個(gè)角度上看，現(xiàn)有國(guó)標(biāo)在測(cè)試采暖性能的工況和極限工作工況未能考慮我國(guó)北方寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)的室外溫度條件。

2.2 建筑采暖熱負(fù)荷的計(jì)算與分析

依照室內(nèi)供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法[4]，參照表7北京采暖季室外溫度持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，對(duì)文獻(xiàn)[5]中典型北方城市北京的農(nóng)村地區(qū)某保溫民宅建筑熱負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算，可以得到該北京農(nóng)村保溫民宅所需建筑熱負(fù)荷在不同室外溫度和建不同室外溫度持續(xù)時(shí)間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 北京某保溫民宅建筑負(fù)荷隨室外溫度和溫度持續(xù)時(shí)間的變化曲線圖

所以，針對(duì)該北京農(nóng)村保溫民宅對(duì)于熱泵產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，除了增加更低室外溫度工況的性能外，還要求增加最低室外工作工況和最低室外溫度熱泵產(chǎn)品的最大制熱量，也就是滿負(fù)荷點(diǎn)。例如，北京最低氣溫為-15℃，該北京農(nóng)村保溫民宅對(duì)熱負(fù)荷需求為8461W，那么該建筑所需熱泵產(chǎn)品除了滿足最低-15℃的條件下安全運(yùn)行外，還要滿足在該溫度下制熱量為8461 W。

綜上所述，熱泵產(chǎn)品在我國(guó)寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)使用時(shí)，采暖季中的室外溫度比較普遍低，當(dāng)熱泵制熱量在無(wú)法達(dá)到實(shí)際熱負(fù)荷時(shí)，輔助加熱設(shè)備工作，會(huì)大幅拉低熱泵產(chǎn)品的實(shí)際能效。因此需要考慮熱泵產(chǎn)品在低溫環(huán)境下大熱量輸出的表現(xiàn)，才能滿足采暖的實(shí)際負(fù)荷需求。對(duì)于寒冷地區(qū)熱泵產(chǎn)品的使用，更應(yīng)該加入低溫環(huán)境下大熱量輸出的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

3 歐盟標(biāo)準(zhǔn)的解讀

歐洲地處溫帶和寒帶，其緯度同我國(guó)北方寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)大致對(duì)應(yīng)，氣候條件多樣，采暖季時(shí)間較長(zhǎng)。歐洲在環(huán)境保護(hù)方面素來(lái)領(lǐng)先，其相關(guān)法律法規(guī)在世界上是最為嚴(yán)格的。因此學(xué)習(xí)和借鑒歐盟標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于我國(guó)提高熱泵產(chǎn)品的應(yīng)用大有裨益。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（CEN）對(duì)空調(diào)部分負(fù)荷下制熱性能測(cè)試和評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是在2015年12月通過，并于2016年3月執(zhí)行的EN14825∶2016[6]，該標(biāo)準(zhǔn)考慮的影響因素非常全面，其主要特點(diǎn)有：

A.制熱工作時(shí)對(duì)使用地區(qū)進(jìn)行了區(qū)分，分為平均區(qū)（Average，以法國(guó)東北部城市斯特拉斯堡為例）、寒區(qū)（Colder，以芬蘭首都赫爾辛基為例）、暖區(qū)（Warmer，以希臘首都雅典為例），在三種地區(qū)的采暖機(jī)組設(shè)計(jì)溫度有顯著差異，平均區(qū)為-10℃，寒區(qū)為-22℃，暖區(qū)為2℃。在標(biāo)準(zhǔn)的附表中列出了這三類地區(qū)的氣溫發(fā)生時(shí)間數(shù)。

B.評(píng)估機(jī)組性能的工況點(diǎn)多。以制熱為例，該規(guī)范規(guī)定了如表8的七種工況測(cè)試點(diǎn)，且這些工況點(diǎn)的能力和能效數(shù)據(jù)必須列入技術(shù)銘牌中。

C.考慮機(jī)組在部分負(fù)荷下的能效變化。設(shè)備末端熱風(fēng)系統(tǒng)的使用公式為：

式中：COPd為在規(guī)定工況（A-G）下機(jī)組達(dá)到宣稱制熱量時(shí)的COP；rc為能力率，是該工況下的熱泵制熱量除以該工況下的宣稱能力。

D.評(píng)價(jià)整體能效時(shí)，考慮非運(yùn)行時(shí)間中的能源消耗。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了四種非運(yùn)行模式，一是熱平衡模式（Thermostat-off mode），在該模式下，機(jī)組制冷或制熱的功能開啟，但冷/熱負(fù)荷為零。二是待機(jī)模式（Standby mode），在該模式下，關(guān)閉了制冷或制熱功能，但機(jī)組還能實(shí)際檢測(cè)到指令信號(hào)，或者能通過計(jì)時(shí)器開啟工作。三是關(guān)機(jī)模式（Off mode），在該模式下，機(jī)組無(wú)法接受啟動(dòng)信號(hào)，但還是同電網(wǎng)連接。四是曲軸箱加熱模式（Crankcase heater mode），在該模式下，曲軸箱加熱，避免制冷劑遷移到壓縮機(jī)中而影響壓縮機(jī)啟動(dòng)。在評(píng)價(jià)整體能效過程中，計(jì)算年度耗電量時(shí)需要將上述幾種模式下的耗電量算在內(nèi)。

4 結(jié)論及建議

通過上述對(duì)熱泵實(shí)際運(yùn)行情況、熱負(fù)荷計(jì)算及歐盟標(biāo)準(zhǔn)的分析，在適應(yīng)于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)使用的熱泵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)上有以下幾點(diǎn)結(jié)論和修訂建議：

1）現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)難以評(píng)價(jià)寒冷地區(qū)熱泵產(chǎn)品的性能優(yōu)勢(shì)，建議：在國(guó)標(biāo)工況基礎(chǔ)上，增加結(jié)霜區(qū)以及低溫區(qū)的評(píng)價(jià)工況，全面考察不同工況下機(jī)組運(yùn)行情況，增加最低室外溫度可靠性運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。

2）根據(jù)我國(guó)地域特點(diǎn)，建議將我國(guó)寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)進(jìn)行分類，并用典型城市/地區(qū)的氣候特征作為分類的代表，給出各溫度的發(fā)生時(shí)間，作為低溫?zé)岜卯a(chǎn)品的季節(jié)制熱性能系數(shù)的評(píng)價(jià)方法。

3）在室內(nèi)溫度恒定時(shí)，熱負(fù)荷同室外溫度呈線性關(guān)系，室外溫度越低，熱負(fù)荷越大。當(dāng)機(jī)組熱泵制熱量無(wú)法滿足熱負(fù)荷需求時(shí)，需要采用低效的輔熱設(shè)備。因此，建議在機(jī)組銘牌上明確注明熱泵臨界溫度和最低工作溫度，區(qū)分機(jī)組的使用條件；或者結(jié)合本文提出的氣候分區(qū)，注明機(jī)組適用的氣候區(qū)間。

4）在進(jìn)行季節(jié)制熱性能系數(shù)（SCOP）計(jì)算時(shí)，不僅考慮機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下的能耗，同時(shí)考察其在關(guān)機(jī)、待機(jī)、熱平衡狀態(tài)等非運(yùn)行時(shí)的耗電量，這樣計(jì)算出的SCOP能夠通過發(fā)電效率轉(zhuǎn)換為一次能源利用效率，進(jìn)而方便同其它能源形式進(jìn)行對(duì)比，得出應(yīng)用熱泵技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。