陸 山 王粵威 錢 勁 樊 銳

(1.湖南出入境檢驗檢疫局 湖南長沙 410000;2.珠海出入境檢驗檢疫局)

1 前言

空調熱水器是利用逆卡諾循環(huán)原理，用電能驅動壓縮機做功，推動系統(tǒng)中工質循環(huán)運動，利用設備內的吸熱工質(冷媒)從空氣或自然環(huán)境中采集熱能并排放出冷氣，經(jīng)壓縮機壓縮后提高工質的溫度，通過熱交換器使工質向環(huán)境空氣或水釋放熱量，可同時實現(xiàn)空調和熱水器功能的裝置。

根據(jù)不同的設計，空調熱水器可以實現(xiàn)以下功能：

——獨立空調：制冷、制熱等

——獨立熱水器：熱水

——復合應用：空調制冷+熱水、空調制熱+熱水等

其主要結構包括壓縮機、室內側換熱器、室外側換熱器、熱水換熱器、換向機構(四通閥/電磁閥)、節(jié)流機構、控制電路、儲水箱等八個部分?？照{熱水器的工作過程見圖1所示，以壓縮機為起點，被壓縮后的工質經(jīng)過銅管到達換向機構，換向機構根據(jù)工作模式選擇合適的換熱器通路流過對應的換熱器，經(jīng)換熱器冷凝后的工質進入節(jié)流機構，節(jié)流后的的工作進入換向機構;或者選擇合適的換熱器通路并流過對應的換熱器，經(jīng)換熱器蒸發(fā)后回流到壓縮機。整個工作過程由控制電路進行控制協(xié)調，但儲水箱部分通常無電氣連接。

2 空調熱水器相關能效評定方法介紹

2.1 熱泵熱水器中國國家標準

家用熱泵熱水器中國國家標準GB/T 23137－2008《家用及類似用途熱泵熱水器》給出了機組測試的各項工況要求［1］，見表 1。

圖1 空調熱水器工作原理示意框圖

表1 家用及類似用途熱泵熱水器測試工況

熱泵熱水器制熱量測試，采用熱水周期的方法，把熱水加熱到平均水溫為55℃時，計算整個水箱獲得的熱量。需要注意的是，對于直熱式機組，主機出水溫度達到55℃即可開始計算，而循環(huán)加熱式與自然對流加熱式，需要在加熱完成后，通過外置水泵對水箱進行強制循環(huán)，使得水溫均勻達到55℃后，才能進行計算，如水溫未達到要求，需要多次加熱攪拌循環(huán)，直到達到要求為止。

2.2 日本熱泵熱水器標準

日本熱泵熱水器標準JRA 4050：2009規(guī)定范圍是使用二氧化碳(CO2)或氫氟代烴(HFC)作制冷劑的電動壓縮式空氣源熱泵、密封式熱水貯存罐、熱水供給控制裝置、遙控器等構成的熱水器［2］。

日本熱泵熱水器標準按不同的工況給出了標準條件下的制熱量以及功率測試方法，更為重要的是，該標準也根據(jù)日本用水習慣設置了標準加熱模式下的制熱量及性能評定方法，并結合各工況下的制熱量及能效情況獲得年性能系數(shù)。對熱泵熱水器實際的運行狀態(tài)，評價十分全面、具體。

2.3 歐洲熱泵熱水器標準

歐洲關于熱泵熱水器的標準為 EN255－3(1997)：采用電動壓縮機的空調、液體冷凍機組和熱泵—制熱模式第3部分：作為制取生活熱水的機組測試和要求［3］。該標準給出了熱泵熱水器性能測試方法，其具體包括以下5個主要階段。

——加熱升溫期間;

——測定熱水器性能系數(shù);

——測定參考熱水溫度;

——測定待機輸入功率;

——測定在一次放水的最大可用熱水量

測試過程時間持續(xù)較長，但可以較為全面的評價水箱在此過程中的溫降導致的功率消耗，同時也可以評價水箱加熱完成后，能夠獲得的最大熱水使用量。它是通過放出一半熱水獲得熱水的加熱量，再把補入的冷水加熱到設定溫度停機，計算這段時間的耗電量，以此來獲得系統(tǒng)的性能系數(shù)。采用該方式，對于不同的水箱結構，存在一定的誤差，而且操作起來也不是很方便。從檢驗角度看，評價起來較為復雜。

2.4 澳大利亞熱泵熱水器能效評定標準

澳大利亞對熱泵熱水器能效的測試方法同GB/T 23137－2008規(guī)定的方法較為相似，都是針對水箱內部水溫，求取平均溫度，再計算總的加熱量和功耗，以此計算特定工況下的能效。不同的是，澳大利亞熱泵熱水器能效評定標準為了計算特定工況的性能，先獲取大量的數(shù)據(jù)樣本，再通過統(tǒng)計的方式，對機組進行季節(jié)性能評估。這樣，實驗室就可以通過機組的性能及功率評估關系式，獲得在給定環(huán)境空氣溫度，濕度，進水溫度條件下的性能情況。

3 能效評定方案

對比上述不同國家和地區(qū)對熱泵熱水器測試標準，除了名義工況的測試外，一般會增加其他環(huán)境工況的測試，同時為了更好的反映熱泵熱水器在不同環(huán)境溫度下的性能指標，澳大利亞標準還引入了季節(jié)能效評定，以此來預測不同機組全年的性能情況;日本對熱泵熱水器的標準更具有特色，該標準設定了用水方式作為標準測試工況，能更加真實的體現(xiàn)熱泵熱水器使用性能;另外歐洲標準在測試性能系數(shù)時不同于國標、日本以及澳大利亞的標準，它采用放出的熱水來計算制熱量，加熱功率為放水時再熱的功率，該標準考慮了待機時的能源消耗。

綜合上述各項標準，考慮到空調熱水器的實際情況以及國標對空調及熱泵熱水器的測試要求，課題組方案傾向于綜合房間空調器以及GB23137《家用及類似用途熱泵熱水器》標準。在性能測試上，結合空調器和熱泵熱水器的標準，給出新的性能測試工況，對各樣機制冷、制熱，制熱水，制冷加制熱水，制熱同時制熱水五種模式的運行性能進行測試。測試工況詳見表2：

表2 空調熱水器名義工況時的溫度條件(℃)

4 樣機能效測試結果及分析

為了全面評價空調熱水器產(chǎn)品的能效指標，課題組對市場上已產(chǎn)品化的代表性樣機進行相關的測試與分析。樣機從幾家主流的生產(chǎn)企業(yè)采購得到，包括A、B、C、D四個品牌的空調熱水器。上述產(chǎn)品具有技術典型性和代表性，A通過在原有空調系統(tǒng)上采用串聯(lián)套管換熱器，以此來實現(xiàn)熱水功能;B采用雙四通閥方案，可以實現(xiàn)不同循環(huán)方式的切換，其熱水換熱器內置在水箱內，加熱方式為自然對流式;C同樣采用了雙四通閥方案，通過冷媒切換，實現(xiàn)空調及熱水多種功能，其換熱方式為水泵強制循環(huán)方式;D樣機為直熱式空調熱水器，主機加熱量大，直熱式設計，出水溫度恒定，可由恒溫水閥自由調節(jié)。運行功率、壓力、吸排氣等基本恒定不變，性能穩(wěn)定。表3為各樣機能效測試結果。

表3 各樣機的能效測試結果

通過對上述樣機進行試驗結果對比可以看到，A空調熱水器整體性能較差，在低溫環(huán)境下出現(xiàn)了很多問題，導致系統(tǒng)無法正常運行。B空調熱水器在名義工況下的能力沒要達到熱泵熱水器國標要求，在低溫下最明顯的問題就是排氣溫度太高，而且沒有出現(xiàn)排氣保護。C和D空調熱水器在名義下的實驗數(shù)據(jù)較好，與A和B空調熱水器相比，在高低溫以及可靠性方面的優(yōu)勢明顯。

5 能效試驗方法及能效限定值標準制修訂建議

綜合空調熱水器的相關能效評定方法、代表性樣品的測試方案及結果，課題組提出了空調熱水器的能效試驗方法及能效限定值中國國家標準制修訂建議如下。

5.1 空調熱水器能效試驗方法標準建議

(1)測量儀表精度：按GB/T 10870－2001附錄A 的規(guī)定［4］。

(2)測量規(guī)定如下：

①測量儀表的安裝和使用按GB/T 10870－2001的規(guī)定。

②熱水器的空氣干、濕球溫度的測量按GB/T 18430.1－2007附錄 A 的要求進行［5］。

5.2 空調熱水器的安裝和試驗規(guī)定

(1)溫度條件：水溫及空氣干、濕球溫度偏差按表1的規(guī)定。

(2)電源條件：空調熱水器應在其銘牌規(guī)定的額定電壓和額定頻率下運行，其偏差不應大于額定值的±1%。

(3)被試空調熱水器應按生產(chǎn)廠規(guī)定的方法進行安裝，并且不應進行影響制熱量的構造改裝。環(huán)境應充分寬敞，機組附近的風速應減小到充分低的值，以免影響機組的性能。

5.3 空調熱水器名義工況性能試驗

5.3.1 名義熱水制熱量試驗

名義熱水制熱量按GB/T 23137－2008《家用及類似用途的熱泵熱水器》附錄的規(guī)定進行試驗測定和計算;熱水制熱量不包括電加熱的制熱量。

被測空調熱水器的安裝應按所提供的，或按說明書內推薦使用的附件、工具進行安裝;除試驗所需要的裝置和儀器的連接外，對空調熱水器不應進行隨意更改和調整;必要時，空調熱水器可按制造廠的規(guī)定抽真空和充注制冷劑(如必要，制冷劑由制造廠提供)。

對于循環(huán)加熱式空調熱水器和自然對流加熱式空調熱水器，試驗必須選用制造商指定的或允許使用的最大容量的水箱，這是作為該類產(chǎn)品性能測試的基本規(guī)定，否則，配用不同容量的水箱，會有不同的測試結果。

對于帶有輔助電加熱的機組，需要斷開輔助熱源，不考慮輔助熱源的制熱量和消耗功率。

(1)平均水溫的實驗要求

而對于加熱完成后水箱水溫度的取值，要求平均水溫達到。平均水溫為水箱水攪勻后的溫度，采用外置循環(huán)水泵(無論是自帶水泵的循環(huán)加熱式熱泵熱水器，還是另用水泵循環(huán)取得平均水溫的自然對流加熱式熱泵熱水器。)進水口處測量的溫度值，而非水箱所帶的溫度表的顯示值。直接加熱式空調熱水器出水溫度為系統(tǒng)穩(wěn)定運行后機組出水口的溫度。如圖2所示，實驗樣機放置在帶水系統(tǒng)的焓差臺中(主機)，控制環(huán)境溫度達到測試工況后，以直接加熱方式運行熱水模式，制熱水量可直接測得。

圖2 直接加熱方式熱水量測試裝置

(2)循環(huán)實驗條件及要求

根據(jù)熱泵熱水器的國標GB/T 23137－2008要求，平均水溫測試時，循環(huán)試驗條件：環(huán)境溫度為(20℃ ±5℃)、環(huán)境風速不大于0.5m/s;

循環(huán)水泵要求：采用非金屬殼體結構、每分鐘標稱流量不小于1/2水箱有效容量，放于水箱底部;

取熱水配管要求：單程長為1.5m－2m的耐熱性合成樹脂管或者橡膠管，不作保溫;

循環(huán)時間限制：≤3min。

上述的循環(huán)試驗條件都是圍繞著控制循環(huán)試驗中的散熱，其中選取合適的循環(huán)水泵最為關鍵，選用非金屬殼體結構目的是減少散熱，每分鐘標稱流量不小于1/2水箱有效容量能應保證在3min內充分攪勻整箱的水，取得平均水溫，一般滿足上述要求時，循環(huán)達到水溫波動≤0.5K時一般在1.5min，循環(huán)3min是允許的循環(huán)時間的最大值，＞3min將影響平均水溫的檢測準確度，如循環(huán)3min仍無法達到水溫波動≤0.5K，則應檢查循環(huán)水泵是否滿足要求及連接的循環(huán)管路是否暢通。試驗水箱連接見圖3。

圖3 水箱輔助循環(huán)水泵

c)熱水制熱量的計算

一次加熱式制熱水量按照式(1)進行計算

式中：

U—制熱水能力，單位為升每小時(L/h);

G—水流量，單位為升每小時(L/h)。

循環(huán)加熱式熱泵熱水器、靜態(tài)加熱式熱泵熱水器按照式(2)進行計算

式中：

V—被加熱水體積，單位為升(L);

H—加熱時間，單位為小時(h)。

熱泵制熱量計算

熱水制熱量按照式(3)進行計算

式中：

Q2—熱泵制熱量，單位為千瓦(kW)

T2——出水溫度，單位為攝氏度(℃);

T1——進水溫度，單位為攝氏度(℃)。

5.3.2 空調制冷量，制熱量試驗

空調名義工況按表1規(guī)定的工況進行試驗。按照以下規(guī)定進行試驗測定和計算空調制冷量，制熱量和消耗總電功率。

空氣源機組制冷、制熱量按GB/T 10870－2001的規(guī)定進行試驗測定和計算。熱源側環(huán)境的溫、濕度條件可采用空調裝置使其達到規(guī)定的工況要求，消耗總電功率包括壓縮機電動機、操作控制電路和熱源側風機電動機等的輸入總電功率。

5.3.3 空調制冷同時制熱水實驗

(1)對于直接加熱式空調熱水器，參照GB/T 23137－2008的規(guī)定進行試驗并計算一次加熱式熱水制熱量?？照{制冷工況可按GB/T 10870－2001的規(guī)定進行試驗測定和計算。熱源側環(huán)境的溫、濕度條件可采用空調裝置使其達到規(guī)定的工況要求，消耗總電功率包括壓縮機電動機、操作控制電路和熱源側風機電動機等的輸入總電功率。測定和計算空調制冷量，熱水制熱量和消耗總電功率。

(2)對于循環(huán)式和自然對流加熱式空調熱水器，在制冷同時熱水模式運行時，對于由于冷凝壓力是變化的，在測試周期內制冷量也是變化的，某個時間內的制冷量不能代表機組的平均制冷量。參照國標GB/T 17758－2010對化霜期間制熱量測試的方法，此時也應該采用類似非穩(wěn)態(tài)制熱的方式：累計整個測試周期內的冷量［6］。

采用積分的方式取得完整熱水周期內的制冷量除以完整周期的時間，即制冷量=周期內總制冷量/完整周期的時間，該過程總的熱量則包括參照GB/T 23137－2008的規(guī)定進行試驗并計算得到的熱水制熱量和采用非穩(wěn)態(tài)獲得的制冷量之和。

引入制冷量在“不穩(wěn)定期”的測試方法，參考GB/T 7725－2004《房間空氣調節(jié)器》A3.2.2 不穩(wěn)定期熱泵制熱量的計算方法，可以通過A.13計算制冷量，并在整個加熱周期內按時間平均，以此得到單位時間內的制冷量［7］。實驗時采用焓差法，每5S檢測一次制冷量，得到整個過程的制冷量曲線，按積分方式求得總的制冷量，再根據(jù)時間得到單位時間的制冷量。機組運行功率采用累計功率計獲得整個過程的耗電量，再按時間獲得單位時間的耗電量。單位時間內的制冷量除以功率，即為機組的制冷能效比。

5.3.4 空調制熱加制熱水實驗

(1)對于直接加熱式空調熱水器，參照GB/T 23137－2008的規(guī)定進行試驗并計算一次加熱式熱水制熱量?？照{制熱工況可按GB/T 10870－2001的規(guī)定進行試驗測定和計算。熱源側環(huán)境的溫、濕度條件可采用空調裝置使其達到規(guī)定的工況要求，消耗總電功率包括壓縮機電動機、操作控制電路和熱源側風機電動機等的輸入總電功率。測定和計算空調制熱量，熱水制熱量和消耗總電功率。

(2)對于循環(huán)式和自然對流加熱式空調熱水器，在制熱同時熱水模式運行時，采用類似非穩(wěn)態(tài)制熱的方式：累計整個測試周期內的制熱量。

采用積分的方式取得完整熱水周期內的制熱量除以完整周期的時間，即制熱量=周期內總制熱量/完整周期的時間，該過程總的熱量則包括參照GB/T 23137－2008的規(guī)定進行試驗并計算得到的熱水制熱量和采用非穩(wěn)態(tài)獲得的制熱量之和。

引入制熱量在“不穩(wěn)定期”的測試方法，參考GB/T 7725－2004《房間空氣調節(jié)器》A3.2.2 不穩(wěn)定期熱泵制熱量的計算方法，可以通過A.13計算制熱量，并在整個加熱周期內按時間平均，以此得到單位時間內的制熱量。實驗時采用焓差法，每5S檢測一次制熱量，得到整個過程的制熱量曲線，按積分方式求得總的制熱量，再根據(jù)時間得到單位時間的制熱量。機組運行功率采用累計功率計獲得整個過程的耗電量，再按時間獲得單位時間的耗電量。

對于采用制熱與制熱水間斷進行的機組，可分別按空調制熱與制熱水測試方法進行獨立計算，由于運行過程不是同時進行的，能力與能效可獨立給出，不作匯總要求。

5.4 空調熱水器能效限定值建議

關于空調熱水器能效限定值，考慮到與最新的熱泵熱水器及空調器的能效限定相接軌，我們查閱了房間空調器最新的能效要求(GB12021.3－2010)，對空調器的能效要求如表 4、表 5［8］。

表4 家用空調能效限定值

表5 家用空調能效等級要求

考慮到空調熱水器運行狀態(tài)較空調器惡劣，同時機組本身帶有熱水功能，系統(tǒng)流程復雜，在考慮能效等級要求時，我們在上述測試的基礎上，對空調熱水器的能效限定要求建議如表6。

表6 空調熱水器能效比限定值(建議)

［1］GB/T 23137－2008家用和類似用途熱泵熱水器［S］.

［2］JRA 4050：2009家用熱泵熱水器［S］.

［3］EN255－3(1997)帶電驅動壓縮機的空調器、液體制冷設備和熱力泵加熱方式.第3部分：對衛(wèi)生間熱水裝置作標志的測試和要求［S］.

［4］GB/T 10870－2001容積式和離心式冷水(熱泵)機組性能試驗方法［S］.

［5］GB/T 18430.1－2007蒸汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水(熱泵)機組［S］.

［6］GB/T 17758－2010單元式空氣調節(jié)機［S］.

［7］GB/T 7725－2004房間空氣調節(jié)器［S］.

［8］GB12021.3－2010房間空氣調節(jié)器能效限定值及能效等級［S］.