小型空气源热泵在寒冷地区应用的标准研究

杨欧翔苗朋柯

1空调设备及系统运行节能国家重点实验室

2珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司

0 前言

近年来随着环境问题的日益突出，从政府到民间的环境保护意识逐渐加强，特别是全国多地在冬季频繁的雾霾现象，加速了我国采暖“煤改清洁能源”政策的推进和实施。京津冀地区率先进行“煤改电”试点，已取得了较好的实际效果。经过多种技术系统的对比，低温空气源热泵较为经济舒适[1]，适合在我国北方地区大量应用，以取代分散型散煤采暖。

虽然我国空气源热泵产品已在“煤改电”工程中有一定规模应用，但针对此种产品的评价标准尚未建立健全，居民的安装更多的是受补贴政策的影响。现行标准中，未对在寒冷地区使用的热泵产品和常规产品进行有效区分。如何在政府补贴退出后，由市场机制引导消费者自行购买和使用合适的热泵产品，需要制订合理的标准来对热泵产品进行准确评价。

1 小型空气源热泵的制热表现

小型空气源热泵一般用于家用和轻商场合，产品是以空气作为热源，向需要供热的场合进行供热。其基本结构见图1，四大基本部件压缩机，节流阀，室内换热器和室外换热器由铜管连接，制冷剂充注其中。采暖运行时，室外侧为大气环境温度，室内侧为人居环境，经压缩机压缩后的制冷剂为高温高压气相状态，流入室内侧换热器后向室内放热，降温后流入节流阀，降压后形成低温低压液相状态，流入室外侧换热器。由于制冷剂温度较室外侧大气环境温度更低，因此能够吸收室外环境中低品位的热能，由液相转换为低温低压的气相。空气源热泵是通过电力驱动制冷剂在系统中进行逆卡诺循环，从而将室外空气中低品位热能搬运至室内，以提高室内温度，从而达到采暖的效果。

图1 空气源热泵基本结构

空气源热泵的制热性能由制热量Q和制热功率P决定，其比值为制热能效COP。本文为便于比较，选用制热量Q和制热能效COP为衡量热泵性能的两项关键指标。本文以两款已上市的成熟产品作为研究对象，在热泵空调产品的焓差实验室中进行测试，并对比其性能表现。产品A为采用单级滚动转子式变频压缩机的3匹热泵空调，属于常规产品。产品B为采用可变容积比的双级增焓变频压缩机的3匹热泵空调，是为提高低温制热性能而开发的产品，极限工作温度低至-35℃。测试方法和对比标准按我国现行标准《房间空气调节器》GB/T 7725-2004[2]，工况参数见表1，对比测试的结果见表2。

从国标工况的对比数据来看，产品A和产品B的全年能源消耗效率APF值处于相当水平，均超过国家一级能效要求。具体来看，产品A在小负荷制冷和制热时的能效具有优势。产品B在满负荷下能效具有优势，特别是在低温制热下制热量和制热能效COP都有明显优势。

在实际气候监测数据中，北方地区在冬季的室外温度一般都会低于表1中“低温制热”工况的2℃，以北京地区为例，最低温度可达15℃。因此，为了比较产品A、B在室外侧温度更低时的热泵制热表现，拟定了如表3的低温工况，对比测试的结果见表4。在上述测试中，产品A和B均未开辅助制热设备，其制热量全部来源于热泵循环的制热量，即热泵制热量。通过对比，产品B较产品A在低温工况下的制热量提高10%至27%，COP提高9%至15%，应用于北方地区作为“煤改电”采用显然更为适合。

因此，对于能作为替代散煤采暖的小型空气源热泵产品来说，采用现有的国标评价体系，是难以体现出其技术优势的，需要使用更为合适的测试工况和计算权重分配。而制定这套规则的依据，可参考我国严寒和寒冷地区建筑采暖热负荷的计算。

2 我国严寒和寒冷地区建筑对热泵产品的负荷需求

2.1 我国北方不同气候区域对热泵产品的需求不同

依据我国行业标准《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26-2010[3]，我国北方地区可分为严寒A，B，C和寒冷A，B五种气候子区，不同子区的供热需求相差较大。在该标准中，以采暖度日数（HDD18：Heating Degree Day based on 18℃）对供热需求进行量化区分，其定义为：一年中，当某天室外日平均温度低于18℃时，将该日平均温度与18℃的差值乘以1天，并将此乘积累加，得到一年的采暖度日数，单位为℃·day。各气候子区的HDD值范围见表5。

我国北方地区大部分为寒冷和严寒地区，表6列举了几个典型城市的HDD值，采暖期平均气温和最低气温从表中可以看出，对于北京，张家口，呼和浩特，哈尔滨及漠河等几个城市，其采暖季室外气温大部分时间会低于2℃（即国标规定中的低温制热工况，见表1），甚至漠河最低气温能达到零下三十多度。因此，从这个角度上看，现有国标在测试采暖性能的工况和极限工作工况未能考虑我国北方寒冷和严寒地区中会经常出现的室外温度条件。

2.2 建筑采暖热负荷的计算与分析

依照室内供暖系统设计的基本方法[4]，参照表7北京采暖季室外温度持续时长，对文献[5]中典型北方城市北京的农村地区某保温民宅建筑热负荷进行了计算，可以得到该北京农村保温民宅所需建筑热负荷在不同室外温度和建不同室外温度持续时间的关系，如图2所示。

图2 北京某保温民宅建筑负荷随室外温度和温度持续时间的变化曲线图

所以，针对该北京农村保温民宅对于热泵产品的评价标准，除了增加更低室外温度工况的性能外，还要求增加最低室外工作工况和最低室外温度热泵产品的最大制热量，也就是满负荷点。例如，北京最低气温为-15℃，该北京农村保温民宅对热负荷需求为8461W，那么该建筑所需热泵产品除了满足最低-15℃的条件下安全运行外，还要满足在该温度下制热量为8461 W。

综上所述，热泵产品在我国寒冷和严寒地区使用时，采暖季中的室外温度比较普遍低，当热泵制热量在无法达到实际热负荷时，辅助加热设备工作，会大幅拉低热泵产品的实际能效。因此需要考虑热泵产品在低温环境下大热量输出的表现，才能满足采暖的实际负荷需求。对于寒冷地区热泵产品的使用，更应该加入低温环境下大热量输出的评判标准。

3 欧盟标准的解读

欧洲地处温带和寒带，其纬度同我国北方寒冷及严寒地区大致对应，气候条件多样，采暖季时间较长。欧洲在环境保护方面素来领先，其相关法律法规在世界上是最为严格的。因此学习和借鉴欧盟标准，对于我国提高热泵产品的应用大有裨益。欧洲标准化委员会（CEN）对空调部分负荷下制热性能测试和评价的标准是在2015年12月通过，并于2016年3月执行的EN14825∶2016[6]，该标准考虑的影响因素非常全面，其主要特点有：

A.制热工作时对使用地区进行了区分，分为平均区（Average，以法国东北部城市斯特拉斯堡为例）、寒区（Colder，以芬兰首都赫尔辛基为例）、暖区（Warmer，以希腊首都雅典为例），在三种地区的采暖机组设计温度有显著差异，平均区为-10℃，寒区为-22℃，暖区为2℃。在标准的附表中列出了这三类地区的气温发生时间数。

B.评估机组性能的工况点多。以制热为例，该规范规定了如表8的七种工况测试点，且这些工况点的能力和能效数据必须列入技术铭牌中。

C.考虑机组在部分负荷下的能效变化。设备末端热风系统的使用公式为：

式中：COPd为在规定工况（A-G）下机组达到宣称制热量时的COP；rc为能力率，是该工况下的热泵制热量除以该工况下的宣称能力。

D.评价整体能效时，考虑非运行时间中的能源消耗。该标准中规定了四种非运行模式，一是热平衡模式（Thermostat-off mode），在该模式下，机组制冷或制热的功能开启，但冷/热负荷为零。二是待机模式（Standby mode），在该模式下，关闭了制冷或制热功能，但机组还能实际检测到指令信号，或者能通过计时器开启工作。三是关机模式（Off mode），在该模式下，机组无法接受启动信号，但还是同电网连接。四是曲轴箱加热模式（Crankcase heater mode），在该模式下，曲轴箱加热，避免制冷剂迁移到压缩机中而影响压缩机启动。在评价整体能效过程中，计算年度耗电量时需要将上述几种模式下的耗电量算在内。

4 结论及建议

通过上述对热泵实际运行情况、热负荷计算及欧盟标准的分析，在适应于严寒和寒冷地区使用的热泵产品标准上有以下几点结论和修订建议：

1）现有的国家标准难以评价寒冷地区热泵产品的性能优势，建议：在国标工况基础上，增加结霜区以及低温区的评价工况，全面考察不同工况下机组运行情况，增加最低室外温度可靠性运行的标准。

2）根据我国地域特点，建议将我国寒冷和严寒地区进行分类，并用典型城市/地区的气候特征作为分类的代表，给出各温度的发生时间，作为低温热泵产品的季节制热性能系数的评价方法。

3）在室内温度恒定时，热负荷同室外温度呈线性关系，室外温度越低，热负荷越大。当机组热泵制热量无法满足热负荷需求时，需要采用低效的辅热设备。因此，建议在机组铭牌上明确注明热泵临界温度和最低工作温度，区分机组的使用条件；或者结合本文提出的气候分区，注明机组适用的气候区间。

4）在进行季节制热性能系数（SCOP）计算时，不仅考虑机组运行状态下的能耗，同时考察其在关机、待机、热平衡状态等非运行时的耗电量，这样计算出的SCOP能够通过发电效率转换为一次能源利用效率，进而方便同其它能源形式进行对比，得出应用热泵技术的节能优势。