低環境溫度空氣源熱泵能效標準分析
低環境溫度空氣源熱泵能效標準分析
王派李敏霞馬一太王飛波
（中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津大學熱能研究所）
摘要京津冀地區大氣污染問題突出，為實現治理霧霾和節能減排目標，京津冀開始無煤化行動。低環境溫度空氣源熱泵經過十多年的研究和試制，已經取得成功，并在京津冀等地規模應用。本文重點研究低環境溫度空氣源熱泵名義工況下COP和綜合部分負荷值，即IPLV（H）；并通過具體算例，利用熱力學完善度分析相關標準下的IPLV（H），可供今后制定有關標準參考。
關鍵詞低環境溫度空氣源熱泵；能效標準；IPLV（H）
1京津冀地區“煤改電”現狀
京津冀地區大氣污染問題相對突出，2016年優良天數比例為56．8％，比全國平均比例低22個百分點；重度及以上污染天數比例為9．2％，為全國平均水平的3．5倍；12月份發生5次大范圍重污染天氣過程。2016年11月15日至12月31日京津冀區域PM2．5濃度為135g／m3，是非供暖期濃度的2．4倍，該時期占全年時間的12．8％，對全年PM2．5貢獻達到24．4％[1]。
目前研究表明，煤炭低效分散燃燒是我國霧霾形成的主要原因之一。為實現徹底治理霧霾和節能減排目標，京津冀開始了“無煤化”行動。
2015年12月，京津冀三地環保部門簽署了《京津冀區域環境保護率先突破合作框架協議》。2016年7月25日，天津市出臺《天津市貫徹落實〈京津冀大氣污染防治強化措施（2016－2017年）實施方案》，按照通知要求，到2017年，天津市PM2．5年均濃度應達到60gg／m3左右，其中，武清區、寶坻區、薊縣分別達到或低于全市平均水平[2]。
數年來，北京郊區等地已有的實踐表明，“煤改電”的替代裝置主要是空氣源熱泵。2016年底北京郊區已有18．9萬戶家庭作為一期試點安裝空氣源熱泵，11月8日正式供熱。天津緊跟“煤改電”的步伐，于2016年11月15日完成武清區空氣源熱泵的招標，并開始了安裝工作。
“煤改電”工作在各級政府的積極推動下，生產廠家努力創新制造，廣大用戶也在認真配合，筆者相信“煤改電”一定能取得豐碩成果。當然，節能減排永遠是進行時，在鞏固現有成績的同時，也應該看到目前空氣源熱泵尚存在季節能效偏低等問題，需要在今后加以解決。筆者主要分析低環境溫度空氣源熱泵機組的綜合部分負荷性能系數，即IPLV。
2IPLV的由來
IPLV最初應用于冷水機組。由于空調季節環境溫度的變化，冷水機組需要容量調節。冷水機組的供／回水溫度可以總是7℃／12℃，而環境溫度是變化的，冷負荷也是變化的，直接影響冷卻水的進／出口溫度。機組的負荷調節可能是無級的，也可能采用分級的，例如螺桿式冷水機組的滑閥分級調節等。在美國標準AIR550－1992 Centrifugal and Rotary Screw Water Chilling Packages中，針對冷水機組給出如下IPLV的計算公式：IPLV=0.17A+0.39B+0.33C+0.11D(1)式中：A，B，C和D分別為機組在100％，75％，50％和25％負荷時的COP值。其中系數0．17，0．390．33和0．11是依據以下幾個原則確定的：
1）計算方法：采用美國采暖、制冷與空調工程師協會（ ASHRAE）的Bin方法（根據某地全年室外干球溫度的逐時值，統計出一定間隔的溫度段（BIN）中的溫度在全年或某一期間所出現的時間（h），即溫度的時間頻率）
2）氣象參數：美國喬治亞洲亞特蘭大市
3）建筑類型：占所有建筑32％的辦公建筑1998年美國空調與制冷協會對ARI550－1992與ARI590－1992標準進行修訂并合并為ARI550／590-1998 Water Chilling Packages Using the Va
por Com pression Cycle］。在該標準中對IPLV進行了修正，計算公式如下：IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D其中計算方法仍采用美國采暖、制冷與空調工程師協會（ ASHRAE）的Bin方法；氣象參數則是美國29個城市的加權平均。這29個城市冷水機組的市場份額在19706－1992年間占80％；建筑類型是所有建筑類型的加權平均另外，美國標準ARI550的1992版和ARI550／590的1998版中對于IPLV的計算公式在權重方面有所不同，A工況對應系數由0．17變為0．01，這是由于計算樣本從亞特蘭大擴展到美國29個城市我國參照1998年版的ARI550／590原則，于2005年頒布GB50189－2005《公共建筑節能設計標準》，通過大量計算分析，分別得到我國4個主要氣候區（溫和地區除外）的標準辦公建筑的冷水機組部分負荷運行時間分布和4個氣候區的IPLV系數值，給出我國冷水機組IPLV的計算公式，IPLW=0.023A+0.415B+0.461C+0.101D(3)到2015年根據建筑節能大量調查和數據分析，由于建筑節能的變化，25％負荷工況的時間（h）明顯增加，GB501892015《公共建筑節能設計標準》?（已于2017年1月1日正式實施）的IPLV公式變化為V=0.012A+0.328B+0.397C+0.263D
(4)對于單元式空調機和空氣源熱泵設備，美國ANSI/ARI 210/240-2003 Per formance Rating ofUnitary Air-conditioners and Air-source HeatPump Eguipment?中給出IPLV的計算公式為EER,+EER2IPLV=(PLF1- PLF2EER2+ EER3(PLF,- PLF（PLF。－PLF／ER。1＋EERPLF. X EER
(5)式中：PLF是部分負荷系數，該系數由圖1中曲線得到。根據式（5），IPLV在100％，75％，50％和25％負荷下的EER的加權公式為IPLV=0.05A+0.3B+0.4C+0.25D
(6)根據曲線得到的不同負荷下的系數以及該負荷下的能效比就可以求得空氣源熱泵終端冷（熱）風機組的IPLV。空氣源熱泵終端冷（熱）風機組啟停比較頻繁，在部分負荷性能方面與大型冷水機組有所不同，這種思路包括部分負荷曲線圖1，曾被我國GB／T1887－2002《多聯式空調（熱泵）機組》直接采用綜上所述，IPLV反映了空調設備在夏季制冷變負荷時的綜合性能，雖然不同國家、不同時期4個加權系數不同，但基本上100％和25％負荷的加權系數較小，75％和50％負荷的加權系數較大。大型設備（離心機組、螺桿機組）100％負荷的加權系數僅1％～2％，小型設備（多聯機、單元式空調機）100％負荷的加權系數要大些。
圖1IPLV中的部分負荷系數[7]
3低環境溫度空氣源熱泵的COP和IPLV（H）
韓林俊等分析了低環境溫度空氣源熱泵的名義工況和IPLV（H）的評價方法。與以往標準中很少對熱泵性能有單獨的規定不同，2010年頒布的有關低環境溫度空氣源熱泵的標準中有IPLV（H）相關規定12。標準中規定制熱名義工況的熱源側空氣干球溫度為－12℃，空氣濕球溫度為－14℃，使用側出水溫度為41℃。有關制熱IPLV（H）的測試條件見表1。按表1測試綜合部分負荷性能值IPLV（H）。熱泵在低溫工況（環境溫度－12℃／－14℃，出口水溫41C）下COP不低于2．1（戶用）或2．3（商用），北京地區IPLV（H）不低于2．4（戶用）或2．5（商用）。
有關IPLV（H）的應用，可以形象地表示在圖中。冬季室外溫度與房間供熱負荷有線性關系，圖中曲線為實際工況下不同室外溫度所占比例，為便于監測，可將其簡化為A，B，C，D四個工況，即IPLV（H）的4個測試點，分別為100％負荷，75％負荷，50％負荷和25％負荷。各測試點所占的比例即為IPLV（H）的加權系數。IPLV的優點，在于可以充分利用部分負荷有更高的COP，即通過容量調節和工況調節，提高部分負荷時的COP，提高熱泵的節能潛力。表2說
明了這一潛力，熱泵在75％和50％負荷下工作時
間占總時間的75％。
從北方大多數地區分析看，B＋C的時間比例的綜合部分性能系數貢獻最大。通過比較可知，IPLV（H）僅是名義工況COP占75％，而此時的環境溫度為－7～0℃，對熱泵
的1．14倍（戶用）和1．09倍（商用），明顯低于在制冷工況時的規律，IPLV通常是COP的1．2～1．3倍。目前還都沒有低環境溫度空氣源熱泵名義工況COP和IPLV（H）能效等級的要求。這是由于，標準在制訂時，基本反映的是2005年前后的水平，當時是以能夠在低環境溫度下工作為主要目的，變容量的性能處于初級階段。經過十多年的發展，目前技術水平，尤其是變頻壓縮機技術，已有較大提高，建議修訂標準中的參數。
4提高低環境溫度空氣源熱泵COP和IPLV（H）技術措施
目前，戶用低環境溫度空氣源熱泵的壓縮機主要是渦旋式壓縮機，也有滾動轉子式壓縮機。商用低環境溫度空氣源熱泵因容量較大，主要采用多機頭的渦旋式壓縮機或滾動轉子式壓縮機，也有螺桿式壓縮機。從最近的發展看，直流變頻或磁懸浮離心式壓縮機也會用于空氣源熱泵當空調負荷為滿負荷時，直流變頻轉子式壓縮機和直流變頻渦旋式壓縮機的效率難分伯仲但是，在部分負荷時，例如冬季部分負荷工況都是室外環境溫度上升，要求的壓縮比也下降。在制冷工況下，不同控制方式的機組部分負荷性能如圖3所示。這個圖雖然來自大中型機組，但有關原理是通用的，也適合采用小型全封閉壓縮機的機組，只不過具體數據有所不同。通常渦旋式壓縮機是定壓比的，但出現了多種排氣方式克服“過壓縮”現象，而單機或雙轉子式壓縮機因可用排氣閥控制壓縮比，相當于圖3中變頻＋可變V，具有較高的效率。這樣，在部分負荷工況時，使用單機或雙轉子式壓縮機的空調器可能比使用渦旋式壓縮機的空調器的SEER或IPLV（HI）有較高的值為適應空氣源熱泵的需求，應開發可變內容積比螺桿式壓縮機，配合變頻電機，能夠獲得較高的IPLV（H）。在制冷工況下，直流變頻離心式壓縮機有著非常優秀的部分負荷性能，變頻電機驅動的離心式壓縮機的IPLV有明顯的上升，而采用磁懸浮離心式壓縮機的冷水機組越來越多。相信任何技術沒有停止發展，今后其他形式的變容量、壓縮比調節技術也可能會出現新的變化。對于商用低環境溫度空氣源熱泵，可以采用多機頭的渦旋式壓縮機或滾動轉子式壓縮機，也可以采用螺桿式壓縮機，今后可能會采用磁懸浮離心式壓縮機，因此發展空間很大，需要專門論述，筆者暫不作深入分析。由上述IPLV的計算公式來看，提高IPLV的
圖3在制冷工況下不同控制方式的機組部分負荷性能
措施主要是提高部分負荷下制冷空調產品的能效比。由表3可以看出，部分負荷下熱泵系統是變容量和變壓縮比運行。而変壓縮比還有2個方面方面不同容量下的工作溫度不同，即冷凝溫度可隨環境溫度的上升而下降，可降低壓縮比；另一方面，由于容量變化，在較小容量輸出時需要的傳熱溫差可以變小，這影響壓縮比。壓縮機容量調節和控制方式是影響熱泵設備IPLV（H）的重要因素。
5空氣源熱泵名義工況的OOP和IPLV（HD能效分析在實際制冷（熱泵）循環中，存在多種不可逆因素導致的熵增。一部分機械能轉化為熱能，其中大部分耗散到環境中，導致系統循環效率下降將實際循環的熱力學第一定律的效率與相同工況下逆卡諾循環第一定律效率相比，就得出實際循環的熱力學第二定律效率。熱力學第二定律表述實際循環偏離理想循環的程度，或者是實際熱力循環接近完善的程度，可以稱為循環的完善度或熱力學完善度，可以表示實際循環裝置的用能效率水平。例如，當熱泵出水溫度不同時，2種熱泵的COP不能直接作比較，但可以通過熱力學第二定律效率指標進行比較。機組1（直流變頻低環境溫度空氣源熱泵）的性能曲線，如圖4所示。.
圖4中出水溫度為35℃，而我國標準GB／T25127《低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組》中規定出水溫度是41℃，要推算出水溫度為41℃時的IPLV（H）可用熱力學完善度方法。用環境溫度和出水溫度建立逆卡諾循環，求出逆卡諾循環的IPLV（H），因為熱力學完善度具有一致性，可推導出41℃時的IPLV（H），為3．31。結果如表4所示同樣如果已知機組2在55℃出水時的COP與IPLV（H），如表5所示，通過熱力學完善度可計算出水溫度為41℃時系統的COP及IPLV（H）機組3在出水溫度為40℃C時，適用于水地暖輻射供暖末端機組COP如表6所示，通過熱力學完善度可計算出水溫度為41℃時機組的COP和IPLV（H）。
目前，我國還沒有低環境溫度空氣源熱泵名義工況COP和IPLV（D能效等級的劃分方法和標準等，但有些產品，特別是變頻壓縮機組，已經具有較高的IPLV，由于各自的設計指標和運行參數等不盡相同，如何評價和比較其能效等指標，無從下手為鼓勵研發部門和生產企業努力攻關和采用先進技術，推動低環境溫度空氣源熱泵產品發展，應立即著手對低環境溫度空氣源熱泵名義工況COP和IPLV（H）的能效標準預測開展研究。
基于相關熱力學完善度理論，并參考若干產品的設計和應用實測值等，對于戶用空氣源熱泵名義工況下（A工況），其1級能效、2級能效和3級能效（入門級）COP值依次建議為2．6，2．4和2．2。對于綜合部分負荷值IPL（H），其1級能效、2級能效和3級能效（人門級）值依次為3．3，3．0和2．6。作為研究和應用分析的參考，低環境溫度（戶用）空氣源熱泵的能效標準計算值可參考表7所示數據。
6結束語
京津冀地區大氣污染問題相對突出，北方許多城市正在推廣“煤改電”，低環境溫度空氣源熱泵在我國得到大力發展。筆者重點分析了低環境溫度空氣源熱泵的綜合部分負荷值IPLV（H），提出提高空氣源熱泵COP和IPLV（H）的措施。通過具體算例，利用熱力學完善度分析相關標準下的IPLV（H）。
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