以成都某高校公共浴室熱水系統(tǒng)為例，連續(xù)跟蹤采集空氣源熱泵熱水機組2年的運行數(shù)據(jù)。分析運行數(shù)據(jù)明確空氣源熱泵熱水機組實際運行能效隨著環(huán)境溫度的降低而降低，制熱效率受冬季室外氣溫影響最嚴重，浴室熱水機組在不同年份運行能效是不同的。基于此提出基于典型氣象年氣象數(shù)據(jù)評估熱泵熱水機組的能效。給出了熱泵機組全年能源消耗效率APF概念及其計算公式，根據(jù)溫度頻數(shù)法將全年運行環(huán)境分為高溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)，簡化APF計算公式，方便計算。結合實際工程案例，由測試數(shù)據(jù)計算得到機組運行全年能效3.9，與基于典型氣象年的全年能效計算結果APF=4.1接近，而和機組額定能效比COP=4.5相差較大。結果表明：利用基于典型氣象年數(shù)據(jù)和BIN分析法的全年能源消耗效率APF評價空氣源熱泵熱水機組的能效較額定COP更為合理。

前言

在能源與環(huán)境問題日益緊張的情況下，被譽為“第四代熱水器”的空氣源熱泵熱水機行業(yè)發(fā)展迅速。2008年，我國相繼頒布并實施了國家標準GB/T21362《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機》和GB/T23137《家用和類似用途熱泵熱水器》。2013年，隨著GB29541《熱泵熱水機（器）能效限定值及能效等級》的頒布實施，我國熱泵熱水機的發(fā)展進入一個新時期，對于熱泵熱水機組額定工況下的能效比有了嚴格規(guī)定。因此，工程設計中，選擇合適能效比的機組至關重要。但是，熱泵熱水機組的制熱量、耗功量和能效比隨著環(huán)境氣候條件的變化而變化。進行全年運行費用經(jīng)濟性分析時，不能以標準工況測試COP值為基準，而應考慮全年平均綜合COP。因此，本文將探索和分析熱水機組全年運行能效比，并對其運行成本和節(jié)能效益作出合理評價。

1.空氣源熱泵熱水機組運行性能影響因素

空氣源熱泵熱水機組的運行能效主要受到環(huán)境溫度、用水量大小，出水溫度的設定、補水方式和用戶用水習慣等因素的影響。其中用水量大小決定著蓄熱水箱的容量，補水方式和出水溫度影響著熱泵熱水機組冷凝器的冷凝溫度和傳熱溫差，從而影響冷水獲取的熱量，而機組在制熱過程中，從空氣中獲得的熱量主要受到不同地理區(qū)域的室外環(huán)境溫度影響，環(huán)境溫度直接影響著熱泵熱水機組性能。相比而言，熱水系統(tǒng)實際運行過程中，用水量大小，補水方式和出水溫度設定相對穩(wěn)定，對機組能效的影響基本可以固定在一個較小范圍；而一年四季環(huán)境溫度變化幅度很大，因此，可以認為機組能效主要受到環(huán)境溫度的影響。一般情況下，熱泵熱水機組產(chǎn)品樣本除了給出額定工況能效比COP值，同時給出機組能效比COP與室外環(huán)境溫度的關系曲線。本文根據(jù)實際工程中選用的熱泵熱水機組能效比COP與室外環(huán)境溫度的關系曲線，研究如何合理計算機組的全年運行能效，并與實際工程測試數(shù)據(jù)比較。

2.空氣源熱泵熱水機組實際運行能效分析

2.1熱水機組運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

成都某大學公共浴室熱水系統(tǒng)改造工程中，熱水系統(tǒng)選用某品牌型號為PASHW130S(B)-2-C空氣源熱泵熱水機組6臺。機組在的額定工況測試條件下：制熱主機輸入功率為10.1kW、制熱量為45kW、產(chǎn)水量為970L/h，機組能效比COP=4.5。

浴室空氣源熱泵熱水系統(tǒng)改造完成并從2012年9月開始運行。筆者跟蹤調研記錄熱水系統(tǒng)2年的運行數(shù)據(jù)。其中2012年9月~2013年5月只有季度的總運行數(shù)據(jù)如表1所示，從2013年6月～2014年8月筆者定期記錄詳細的運行數(shù)據(jù)如表2所示。采集的數(shù)據(jù)主要包括熱水機組自來水進水溫度、出水（熱水）溫度，熱泵機組產(chǎn)水量和熱泵熱水系統(tǒng)的用電量?？諝庠礋岜脽崴畽C組的耗電量沒有辦法直接測量，浴室電表電量包括熱泵熱水機組耗電量，熱水增壓泵以及熱水循環(huán)泵耗電量。因此，本文將根據(jù)2個水泵的運行時間和運行額定功率計算出水泵的耗電量，再用熱泵熱水系統(tǒng)的耗電量扣除這部分耗電量，即為空氣源熱泵熱水機組耗電量。系統(tǒng)中熱水循環(huán)泵型號為PH-1500Q，額定輸入功率1.8kW，每天運行大約4h；熱水增壓泵型號為PH-2200Q共2臺，1用1備，額定功率2.2kW，主要是洗浴開始后給浴室輸送熱水的，每天運行時間為6h。

2.2熱泵機組進水溫度的確定和選取

浴室熱泵熱水系統(tǒng)使用的是市政管網(wǎng)自來水，合理確定進水溫度對于熱泵熱水系統(tǒng)耗熱量計算具有關鍵作用。很多時候無法及時獲取自來水的即時水溫，通常采用地表水溫代替自來水溫度以便計算。但是地表水溫常常因為水文資料不全，無法獲取。因此，本文采取一種估算方法確定并與實測水溫進行比較。

眾多學者研究發(fā)現(xiàn)地表河流水溫和當?shù)貧鉁?、相對濕度、風速等條件有關。筆者根據(jù)李克鋒等水文計算公式［見式（1）］，計算得到成都市全年月平均水溫如表3所示。其中成都市全年月平均環(huán)境溫度參考文獻，成都市夏季室外相對濕度73%，冬季室外相對濕度為83%，過渡季相對濕度采取夏、冬二季相對濕度的平均值78%。成都市夏季室外平均風速為1.2m/s，冬季室外平均風速為0.9m/s，春秋過渡季的風速同樣按照夏冬兩季的平均風速1.05m/s計算。

計算出的自來水溫度與實測的熱泵熱水機組進水溫度比較如圖1所示。由圖1可知，實測水溫中2月和8月正值寒暑假，浴室沒有運行，數(shù)據(jù)缺失。月平均水溫最大變化幅度為2.9℃，這兩年全年平均水溫變化幅度分別為0.6℃、0.62℃。相對全年平均水溫13.7℃，變化率分別為4.4%、4.5%。從工程角度考慮，變化率很小，工程上可以用典型氣象年計算的月平均水溫取代實測水溫，方便計算，對計算影響很小。因此，筆者在下文將采用典型氣象年月平均水溫計算。

2.3熱水機組實際運行能效計算分析

浴室熱泵熱水機組實際運行能效由式（2）計算。根據(jù)2013年9月～2014年8月這一年的數(shù)據(jù)分析計算得到熱泵機組各月平均能效COP如表4所示，年平均COP=3.9。

3.基于典型氣象年參數(shù)的熱泵熱水機組能效評價分析

3.1熱泵熱水機組能效評價指標分析

由上述計算可知，熱水機組實際運行能效比與額定能效比4.5相差較大。實際工程中，僅僅利用額定工況下能效比，難以客觀準確評價其節(jié)能效率。

規(guī)范規(guī)定空氣源熱水機組額定工況測試條件：環(huán)境干濕球溫度20℃DB/15℃WB，進水溫度15℃，出水溫度55℃。由此可見，由于地區(qū)差異，環(huán)境氣候差異，熱水機組常年運行條件實際變化很大，機組銘牌上單一的額定COP難以客觀反映其實際運行能效情況，容易誤導消費者，不利于熱水機組行業(yè)的長遠發(fā)展。因此，借助《房間空氣調節(jié)器》（GB7725-2004）中的全年能源消耗效率APF（annualperformancefactor）概念，提出熱泵熱水機組全年能源消耗效率。熱泵熱水機組全年能源消耗效率APF是指機組全年運行過程總制熱量與同期間內消耗的電量總和之比。其計算基礎是當前建筑能耗廣泛應用的BIN分區(qū)法（溫度頻數(shù)法），即把室外溫度分成若干個區(qū)間，通過氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到每個區(qū)間內溫度出現(xiàn)的小時數(shù)頻率，根據(jù)不同溫度區(qū)間運行狀況下的COPi計算，計算見式（3）。

由式（3）可知，熱水機組全年能源消耗效率APF為不同溫度條件下性能系數(shù)COPi的加權平均值。

3.2熱泵熱水機組APF簡易計算分析

我國地域分布曠闊，氣候變化復雜，從南到北隨著緯度的增加，室外溫度是不斷地降低，而且有一些地區(qū)還會因為海拔的增加，室外溫度也不斷的降低，

因此，計算熱泵熱水機組全年能源消耗效率要考慮到具體的地域影響。熱泵熱水機組的全年能效APF計算宜選擇對應城市或相近城市室外溫度為基點進行計算。城市的室外溫度一般選擇該城市或相近城市的典型氣象年室外干球溫度比較合適。在統(tǒng)計全年逐時溫度小時數(shù)頻率時，可以選擇以1℃為溫度間隔進行統(tǒng)計。選取的代表性溫度為溫度區(qū)間的中間溫度，而且用代表性溫度統(tǒng)計和計算各溫度出現(xiàn)的小時數(shù)。

一般而言，這樣劃分統(tǒng)計數(shù)據(jù)詳細，溫度區(qū)間劃分較多，按照式（3）需要計算每個溫度區(qū)間，計算十分繁瑣，精確度較高。從實際工程便捷性出發(fā)，我們可以將眾多的溫度區(qū)間劃分為3個運行區(qū)間，分別為低溫運行區(qū)，中溫運行區(qū)和高溫運行區(qū)。

根據(jù)給排水規(guī)范，日平均溫度低于10℃，空氣源熱泵熱水機組需要設置輔助熱源，而且采用電輔助熱源較多，機組整體能效下降明顯。根據(jù)季節(jié)劃分，連續(xù)日均溫度低于10℃為冬季，連續(xù)日均高于22℃為夏季，10～22℃為春秋季節(jié)，此處稱為過渡季。因此，10℃和22℃為3個運行區(qū)間的臨界點。這樣熱泵熱水機組全年能效APF可以用這3個運行區(qū)間占全年運行比例表示為式（4）。

3.3APF計算實例

統(tǒng)計成都地區(qū)典型氣象年室外溫度數(shù)據(jù)如圖2所示。

統(tǒng)計圖2數(shù)據(jù)，按式（5）和式（6）分別計算出成都地區(qū)a=0.248，b=0.471，c=0.281；各運行區(qū)間代表溫度Ta=6.56℃，Tb=16.54℃，Tc=25.67℃，四舍五入取整：Ta=7℃，Tb=17℃，Tc=26℃。

該熱水系統(tǒng)熱泵機組能效比COP與室外環(huán)境溫度的關系曲線如圖3所示。

由圖3可知，機組在低溫區(qū)運行時，Ta=7℃，COPa=3.2；機組在中溫區(qū)運行時，Tb=17℃，COPb=4.2；機組在高溫度運行時，Tc=26℃，COPc=4.7。代入式（4）求得機組全年能效APF=4.1。

前面由公式（2）計算出機組實際運行全年能效年平均COP=3.9，和機組額定能效比COP=4.5比較起來相差較大，與基于典型氣象年數(shù)據(jù)的全年

能效APF=4.1接近?？梢娸^機組額定能效比COP=4.5而言，基于典型氣象年數(shù)據(jù)，應用BIN分區(qū)法（溫度頻數(shù)法）計算的機組全年能效評價指標APF能夠在一定程度上真實反映機組的全年運行能耗，更符合實際情況。

4.結論

空氣源熱泵熱水機組在實際運行過程中，全年能效影響因素眾多。本次，主要考慮室外環(huán)境溫度的影響和地域差異，提出熱泵熱水機組全年能效APF概念。同時，基于各城市的逐年溫度提出計算機組的全年能效不僅與機組自身的性能系數(shù)有關，而且與城市的典型氣象年有關，并給出了熱泵熱水機組的全年能耗計算公式。通過成都某大學熱水系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)驗證了機組的全年能效合理性，對于評價熱泵熱水系統(tǒng)工程具有實際的意義。