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(jī)組2年的運(yùn)行數(shù)據(jù)。分析運(yùn)行數(shù)據(jù)明確空氣源熱泵熱水機(jī)組實(shí)際運(yùn)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(yán)重，浴室熱水機(jī)組在不同年份運(yùn)行能效是不同的?；诖颂岢龌诘湫蜌庀竽隁庀髷?shù)據(jù)評(píng)估熱泵熱水機(jī)組的能效。給出了熱泵機(jī)組全年能源消耗效率APF概念及其計(jì)算公式，根據(jù)溫度頻數(shù)法將全年運(yùn)行環(huán)境分為高溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)，簡(jiǎn)化APF計(jì)算公式，方便計(jì)算。結(jié)合實(shí)際工程案例，由測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到機(jī)組運(yùn)行全年能效3.9，與基于典型氣象年的全年能效計(jì)算結(jié)果APF=4.1接近，而和機(jī)組額定能效比COP=4.5相差較大。結(jié)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(píng)價(jià)空氣源熱泵熱水機(jī)組的能效較額定COP更為合理。

前言

在能源與環(huán)境問(wèn)題日益緊張的情況下，被譽(yù)為“第四代熱水器”的空氣源熱泵熱水機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速。2008年，我國(guó)相繼頒布并實(shí)施了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21362《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)》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(jī)（器）能效限定值及能效等級(jí)》的頒布實(shí)施，我國(guó)熱泵熱水機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新時(shí)期，對(duì)于熱泵熱水機(jī)組額定工況下的能效比有了嚴(yán)格規(guī)定。因此，工程設(shè)計(jì)中，選擇合適能效比的機(jī)組至關(guān)重要。但是，熱泵熱水機(jī)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(jìn)行全年運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，不能以標(biāo)準(zhǔn)工況測(cè)試COP值為基準(zhǔn)，而應(yīng)考慮全年平均綜合COP。因此，本文將探索和分析熱水機(jī)組全年運(yùn)行能效比，并對(duì)其運(yùn)行成本和節(jié)能效益作出合理評(píng)價(jià)。

1.空氣源熱泵熱水機(jī)組運(yùn)行性能影響因素

空氣源熱泵熱水機(jī)組的運(yùn)行能效主要受到環(huán)境溫度、用水量大小，出水溫度的設(shè)定、補(bǔ)水方式和用戶用水習(xí)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(bǔ)水方式和出水溫度影響著熱泵熱水機(jī)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(jī)組在制熱過(guò)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(jī)組性能。相比而言，熱水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，用水量大小，補(bǔ)水方式和出水溫度設(shè)定相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)機(jī)組能效的影響基本可以固定在一個(gè)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(rèn)為機(jī)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(jī)組產(chǎn)品樣本除了給出額定工況能效比COP值，同時(shí)給出機(jī)組能效比COP與室外環(huán)境溫度的關(guān)系曲線。本文根據(jù)實(shí)際工程中選用的熱泵熱水機(jī)組能效比COP與室外環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，研究如何合理計(jì)算機(jī)組的全年運(yùn)行能效，并與實(shí)際工程測(cè)試數(shù)據(jù)比較。

2.空氣源熱泵熱水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行能效分析

2.1熱水機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

成都某大學(xué)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(hào)為PASHW130S(B)-2-C空氣源熱泵熱水機(jī)組6臺(tái)。機(jī)組在的額定工況測(cè)試條件下：制熱主機(jī)輸入功率為10.1kW、制熱量為45kW、產(chǎn)水量為970L/h，機(jī)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(kāi)始運(yùn)行。筆者跟蹤調(diào)研記錄熱水系統(tǒng)2年的運(yùn)行數(shù)據(jù)。其中2012年9月~2013年5月只有季度的總運(yùn)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(xì)的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所示。采集的數(shù)據(jù)主要包括熱水機(jī)組自來(lái)水進(jìn)水溫度、出水（熱水）溫度，熱泵機(jī)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(jī)組的耗電量沒(méi)有辦法直接測(cè)量，浴室電表電量包括熱泵熱水機(jī)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(gè)水泵的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行額定功率計(jì)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(jī)組耗電量。系統(tǒng)中熱水循環(huán)泵型號(hào)為PH-1500Q，額定輸入功率1.8kW，每天運(yùn)行大約4h；熱水增壓泵型號(hào)為PH-2200Q共2臺(tái)，1用1備，額定功率2.2kW，主要是洗浴開(kāi)始后給浴室輸送熱水的，每天運(yùn)行時(shí)間為6h。

2.2熱泵機(jī)組進(jìn)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(lái)水，合理確定進(jìn)水溫度對(duì)于熱泵熱水系統(tǒng)耗熱量計(jì)算具有關(guān)鍵作用。很多時(shí)候無(wú)法及時(shí)獲取自來(lái)水的即時(shí)水溫，通常采用地表水溫代替自來(lái)水溫度以便計(jì)算。但是地表水溫常常因?yàn)樗馁Y料不全，無(wú)法獲取。因此，本文采取一種估算方法確定并與實(shí)測(cè)水溫進(jìn)行比較。

眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)地表河流水溫和當(dāng)?shù)貧鉁亍⑾鄬?duì)濕度、風(fēng)速等條件有關(guān)。筆者根據(jù)李克鋒等水文計(jì)算公式［見(jiàn)式（1）］，計(jì)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(xiàn)，成都市夏季室外相對(duì)濕度73%，冬季室外相對(duì)濕度為83%，過(guò)渡季相對(duì)濕度采取夏、冬二季相對(duì)濕度的平均值78%。成都市夏季室外平均風(fēng)速為1.2m/s，冬季室外平均風(fēng)速為0.9m/s，春秋過(guò)渡季的風(fēng)速同樣按照夏冬兩季的平均風(fēng)速1.05m/s計(jì)算。

計(jì)算出的自來(lái)水溫度與實(shí)測(cè)的熱泵熱水機(jī)組進(jìn)水溫度比較如圖1所示。由圖1可知，實(shí)測(cè)水溫中2月和8月正值寒暑假，浴室沒(méi)有運(yùn)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(duì)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(jì)算的月平均水溫取代實(shí)測(cè)水溫，方便計(jì)算，對(duì)計(jì)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(jì)算。

2.3熱水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行能效計(jì)算分析

浴室熱泵熱水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行能效由式（2）計(jì)算。根據(jù)2013年9月～2014年8月這一年的數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到熱泵機(jī)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(jī)組能效評(píng)價(jià)分析

3.1熱泵熱水機(jī)組能效評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

由上述計(jì)算可知，熱水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行能效比與額定能效比4.5相差較大。實(shí)際工程中，僅僅利用額定工況下能效比，難以客觀準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其節(jié)能效率。

規(guī)范規(guī)定空氣源熱水機(jī)組額定工況測(cè)試條件：環(huán)境干濕球溫度20℃DB/15℃WB，進(jìn)水溫度15℃，出水溫度55℃。由此可見(jiàn)，由于地區(qū)差異，環(huán)境氣候差異，熱水機(jī)組常年運(yùn)行條件實(shí)際變化很大，機(jī)組銘牌上單一的額定COP難以客觀反映其實(shí)際運(yùn)行能效情況，容易誤導(dǎo)消費(fèi)者，不利于熱水機(jī)組行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。因此，借助《房間空氣調(diào)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(jī)組全年能源消耗效率。熱泵熱水機(jī)組全年能源消耗效率APF是指機(jī)組全年運(yùn)行過(guò)程總制熱量與同期間內(nèi)消耗的電量總和之比。其計(jì)算基礎(chǔ)是當(dāng)前建筑能耗廣泛應(yīng)用的BIN分區(qū)法（溫度頻數(shù)法），即把室外溫度分成若干個(gè)區(qū)間，通過(guò)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到每個(gè)區(qū)間內(nèi)溫度出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)頻率，根據(jù)不同溫度區(qū)間運(yùn)行狀況下的COPi計(jì)算，計(jì)算見(jiàn)式（3）。

由式（3）可知，熱水機(jī)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(quán)平均值。

3.2熱泵熱水機(jī)組APF簡(jiǎn)易計(jì)算分析

我國(guó)地域分布曠闊，氣候變化復(fù)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(huì)因?yàn)楹０蔚脑黾?，室外溫度也不斷的降低?

因此，計(jì)算熱泵熱水機(jī)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(jī)組的全年能效APF計(jì)算宜選擇對(duì)應(yīng)城市或相近城市室外溫度為基點(diǎn)進(jìn)行計(jì)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(jì)全年逐時(shí)溫度小時(shí)數(shù)頻率時(shí)，可以選擇以1℃為溫度間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。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(jì)和計(jì)算各溫度出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)。

一般而言，這樣劃分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)詳細(xì)，溫度區(qū)間劃分較多，按照式（3）需要計(jì)算每個(gè)溫度區(qū)間，計(jì)算十分繁瑣，精確度較高。從實(shí)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(gè)運(yùn)行區(qū)間，分別為低溫運(yùn)行區(qū)，中溫運(yùn)行區(qū)和高溫運(yùn)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(jī)組需要設(shè)置輔助熱源，而且采用電輔助熱源較多，機(jī)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(guò)渡季。因此，10℃和22℃為3個(gè)運(yùn)行區(qū)間的臨界點(diǎn)。這樣熱泵熱水機(jī)組全年能效APF可以用這3個(gè)運(yùn)行區(qū)間占全年運(yùn)行比例表示為式（4）。

3.3APF計(jì)算實(shí)例

統(tǒng)計(jì)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(jì)圖2數(shù)據(jù)，按式（5）和式（6）分別計(jì)算出成都地區(qū)a=0.248，b=0.471，c=0.281；各運(yùn)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(jī)組能效比COP與室外環(huán)境溫度的關(guān)系曲線如圖3所示。

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

前面由公式（2）計(jì)算出機(jī)組實(shí)際運(yùn)行全年能效年平均COP=3.9，和機(jī)組額定能效比COP=4.5比較起來(lái)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。可見(jiàn)較機(jī)組額定能效比COP=4.5而言，基于典型氣象年數(shù)據(jù)，應(yīng)用BIN分區(qū)法（溫度頻數(shù)法）計(jì)算的機(jī)組全年能效評(píng)價(jià)指標(biāo)APF能夠在一定程度上真實(shí)反映機(jī)組的全年運(yùn)行能耗，更符合實(shí)際情況。

4.結(jié)論

空氣源熱泵熱水機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(jī)組全年能效APF概念。同時(shí)，基于各城市的逐年溫度提出計(jì)算機(jī)組的全年能效不僅與機(jī)組自身的性能系數(shù)有關(guān)，而且與城市的典型氣象年有關(guān)，并給出了熱泵熱水機(jī)組的全年能耗計(jì)算公式。通過(guò)成都某大學(xué)熱水系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了機(jī)組的全年能效合理性，對(duì)于評(píng)價(jià)熱泵熱水系統(tǒng)工程具有實(shí)際的意義。