在能源与环境问题日益紧张的情况下,被誉为“第四代热水器”的空气源热泵热水机行业发展迅速。2008年,我国相继颁布并实施了国家标准GB/T21362《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》^[1]和GB/T 23137《家用和类似用途热泵热水器》^[2]。2013年,随着GB 29541《热泵热水机(器)能效限定值及能效等级》^[3]的颁布实施,我国热泵热水机的发展进入一个新时期,对于热泵热水机组额定工况下的能效比有了严格规定。因此,工程设计中,选择合适能效比的机组至关重要。但是,热泵热水机组的制热量、耗功量和能效比随着环境气候条件的变化而变化。进行全年运行费用经济性分析时,不能以标准工况测试COP值为基准,而应考虑全年平均综合COP。因此,本文将探索和分析热水机组全年运行能效比,并对其运行成本和节能效益作出合理评价。

　　 空气源热泵热水机组的运行能效主要受到环境温度、用水量大小,出水温度的设定、补水方式和用户用水习惯等因素的影响^[4~6]。其中用水量大小决定着蓄热水箱的容量,补水方式和出水温度影响着热泵热水机组冷凝器的冷凝温度和传热温差,从而影响冷水获取的热量,而机组在制热过程中,从空气中获得的热量主要受到不同地理区域的室外环境温度影响,环境温度直接影响着热泵热水机组性能。相比而言,热水系统实际运行过程中,用水量大小,补水方式和出水温度设定相对稳定,对机组能效的影响基本可以固定在一个较小范围;而一年四季环境温度变化幅度很大,因此,可以认为机组能效主要受到环境温度的影响。一般情况下,热泵热水机组产品样本除了给出额定工况能效比COP值,同时给出机组能效比COP与室外环境温度的关系曲线。本文根据实际工程中选用的热泵热水机组能效比COP与室外环境温度的关系曲线,研究如何合理计算机组的全年运行能效,并与实际工程测试数据比较。

　　 成都某大学公共浴室热水系统改造工程中,热水系统选用某品牌型号为PASHW130S(B)-2-C空气源热泵热水机组6台^[7]。机组在的额定工况测试条件下^[1]:制热主机输入功率为10.1kW、制热量为45kW、产水量为970L/h,机组能效比COP=4.5。

　　 浴室空气源热泵热水系统改造完成并从2012年9月开始运行。笔者跟踪调研记录热水系统2年的运行数据。其中2012年9月~2013年5月只有季度的总运行数据如表1 所示,从2013 年6 月~2014年8月笔者定期记录详细的运行数据如表2所示。采集的数据主要包括热水机组自来水进水温度、出水(热水)温度,热泵机组产水量和热泵热水系统的用电量。空气源热泵热水机组的耗电量没有办法直接测量,浴室电表电量包括热泵热水机组耗电量,热水增压泵以及热水循环泵耗电量。因此,本文将根据2个水泵的运行时间和运行额定功率计算出水泵的耗电量,再用热泵热水系统的耗电量扣除这部分耗电量,即为空气源热泵热水机组耗电量。系统中热水循环泵型号为PH-1500Q,额定输入功率1.8kW,每天运行大约4h;热水增压泵型号为PH-2200Q共2台,1用1备,额定功率2.2kW,主要是洗浴开始后给浴室输送热水的,每天运行时间为6h。

　　 浴室热泵热水系统使用的是市政管网自来水,合理确定进水温度对于热泵热水系统耗热量计算具有关键作用。很多时候无法及时获取自来水的即时水温,通常采用地表水温代替自来水温度以便计算。但是地表水温常常因为水文资料不全,无法获取。因此,本文采取一种估算方法确定并与实测水温进行比较。

　　 众多学者研究发现地表河流水温和当地气温、相对湿度、风速等条件有关。笔者根据李克锋等^[8]水文计算公式[见式(1)],计算得到成都市全年月平均水温如表3所示。其中成都市全年月平均环境温度参考文献[9],成都市夏季室外相对湿度73%,冬季室外相对湿度为83%,过渡季相对湿度采取夏、冬二季相对湿度的平均值78%。成都市夏季室外平均风速为1.2m/s,冬季室外平均风速为0.9m/s,春秋过渡季的风速同样按照夏冬两季的平均风速1.05m/s计算。

　　 式中t———水温,℃;

　　 T———环境温度,℃。

　　 r———空气的相对湿度,%;

　　 ω———风速,m/s。

　　 计算出的自来水温度与实测的热泵热水机组进水温度比较如图1所示。由图1可知,实测水温中2月和8月正值寒暑假,浴室没有运行,数据缺失。月平均水温最大变化幅度为2.9 ℃,这两年全年平均水温变化幅度分别为0.6 ℃、0.62 ℃。相对全年平均水温13.7℃,变化率分别为4.4%、4.5%。从工程角度考虑,变化率很小,工程上可以用典型气象年计算的月平均水温取代实测水温,方便计算,对计算影响很小。因此,笔者在下文将采用典型气象年月平均水温计算。2.3 热水机组实际运行能效计算分析

　　 浴室热泵热水机组实际运行能效由式(2)计算。根据2013年9月~2014年8月这一年的数据分析计算得到热泵机组各月平均能效COP如表4所示,年平均COP=3.9。

　　 式中COP———热泵机组的性能系数;

　　 W ———热水机组消耗的功,kW·h。

　　 c———水的比热容,取4.19kJ/(kg·℃);

　　 m———产水量,m³;

　　 t₁———热水机组冷水进水温度,按式(1)计算所得,℃;

　　 t₂———热水机组提供热水温度,按季节设定,℃。

　　 由上述计算可知,热水机组实际运行能效比与额定能效比4.5相差较大。实际工程中,仅仅利用额定工况下能效比,难以客观准确评价其节能效率。

　　 规范^[1]规定空气源热水机组额定工况测试条件:环境干湿球温度20 ℃DB/15 ℃ WB,进水温度15 ℃,出水温度55 ℃。由此可见,由于地区差异,环境气候差异,热水机组常年运行条件实际变化很大,机组铭牌上单一的额定COP难以客观反映其实际运行能效情况,容易误导消费者,不利于热水机组行业的长远发展。 因此,借助 《房间空气调节器》(GB 7725-2004)中的全年能源消耗效率APF(an-nual performance factor)概念^[10],提出热泵热水机组全年能源消耗效率。热泵热水机组全年能源消耗效率APF是指机组全年运行过程总制热量与同期间内消耗的电量总和之比。其计算基础是当前建筑能耗广泛应用的BIN分区法(温度频数法),即把室外温度分成若干个区间,通过气象数据统计得到每个区间内温度出现的小时数频率,根据不同温度区间运行状况下的COP_i计算,计算见式(3)。

　　 式中APF———热泵热水机组全年能源消耗效率;

　　 AHTL———热泵热水机组全年制热量总和,kJ;

　　 APC———热泵热水机组全年运行耗电量总和,kJ;

　　 Q_i———环境温度为i℃时的制热量,kJ;

　　 W_i———环境温度为i℃时的耗电量,kJ;

　　 COP_i———环境温度为i℃时的机组性能系数;

　　 P_i———环境温度为i℃出现的小时数频率。

　　 由式(3)可知,热水机组全年能源消耗效率APF为不同温度条件下性能系数COP_i的加权平均值。

　　 我国地域分布旷阔,气候变化复杂,从南到北随着纬度的增加,室外温度是不断地降低,而且有一些地区还会因为海拔的增加,室外温度也不断的降低,因此,计算热泵热水机组全年能源消耗效率要考虑到具体的地域影响。 热泵热水机组的全年能效APF计算宜选择对应城市或相近城市室外温度为基点进行计算。城市的室外温度一般选择该城市或相近城市的典型气象年室外干球温度比较合适。在统计全年逐时温度小时数频率时,可以选择以1 ℃为温度间隔进行统计。选取的代表性温度为温度区间的中间温度,而且用代表性温度统计和计算各温度出现的小时数。

　　 一般而言,这样划分统计数据详细,温度区间划分较多,按照式(3)需要计算每个温度区间,计算十分繁琐,精确度较高。从实际工程便捷性出发,我们可以将众多的温度区间划分为3个运行区间,分别为低温运行区,中温运行区和高温运行区。

　　 根据给排水规范^[11],日平均温度低于10 ℃,空气源热泵热水机组需要设置辅助热源,而且采用电辅助热源较多,机组整体能效下降明显。根据季节划分,连续日均温度低于10℃为冬季,连续日均高于22℃为夏季,10~22 ℃为春秋季节,此处称为过渡季。因此,10℃和22℃为3个运行区间的临界点。这样热泵热水机组全年能效APF可以用这3个运行区间占全年运行比例表示为式(4)。

　　 式中a,b,c———机组在低温区、中温区和高温区运行频率,计算按式(5);

　　 COP_a~c———分别为机组在低温区、中温区和高温区运行时平均性能系数,根据各个运行区间代表性温度和热水机组随环境温度变化的能效比曲线计算确定,运行区间代表性温度计算按式(6);

　　 P_i———第i运行区间频率;

　　 N_i———第i运行区间内温度出现小时数,h;

　　 N———全年运行时间,取8 760h;

　　 T_j———第j运行区间的代表性温度,℃;

　　 p_ji———第j运行区间中第i个温度区间出现的频率;

　　 t_ji———第j运行区间中第i个温度区间的代表温度,℃。

　　 统计成都地区典型气象年室外温度数据^[9]如图2所示。

　　 统计图2数据,按式(5)和式(6)分别计算出成都地区a=0.248,b=0.471,c=0.281;各运行区间代表温度T_a=6.56℃,T_b=16.54℃,T_c=25.67℃,四舍五入取整:T_a=7℃,T_b=17℃,T_c=26℃。

　　 该热水系统热泵机组能效比COP与室外环境温度的关系曲线如图3所示。

　　 由图3可知,机组在低温区运行时,T_a=7 ℃,COP_a=3.2;机组在中温区运行时,T_b=17 ℃,COP_b=4.2;机组在高温度运行时,T_c=26 ℃,COP_c=4.7。代入式(4)求得机组全年能效APF=4.1。

　　 前面由公式(2)计算出机组实际运行全年能效年平均COP=3.9,和机组额定能效比COP=4.5比较起来相差较大,与基于典型气象年数据的全年能效APF=4.1 接近。 可见较机组额定能效比COP=4.5而言,基于典型气象年数据,应用BIN分区法(温度频数法)计算的机组全年能效评价指标APF能够在一定程度上真实反映机组的全年运行能耗,更符合实际情况。

　　 空气源热泵热水机组在实际运行过程中,全年能效影响因素众多。 本次,主要考虑室外环境温度的影响和地域差异,提出热泵热水机组全年能效APF概念。同时,基于各城市的逐年温度提出计算机组的全年能效不仅与机组自身的性能系数有关,而且与城市的典型气象年有关,并给出了热泵热水机组的全年能耗计算公式。通过成都某大学热水系统的运行数据验证了机组的全年能效合理性,对于评价热泵热水系统工程具有实际的意义。