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美国与欧盟家用空气源热泵热水器性能测试研究

时间:2019-09-11 10:29:15; 来源:V客暖通网 作者:彭亚勇 魏文玲

0  引言

空气源热泵热水器作为家用热水设备之一,不仅具有显著的节能优势,而且能24 h满足家庭热水供应,近年来市场份额保持稳定增长。热泵热水器的能效是该产品的主要性能指标,科学有效的性能测试方法及能效评价方式,不仅能推动热泵热水器健康有序发展,更有利于推动行业的不断进步。

我国家用空气源热泵热水器的性能测试标准为《家用和类似用途热泵热水器》(GB/T  23137—2008),主要考核热水机组的COP性能。美国目前现行的热泵热水器性能测试标准是2014年发布的《Federal Register/Vol.79,No.133/Friday, July 11, 2014/Rules and Regulations》,主要考核热水机组的UEF能效因子。欧盟现行的测试标准为《Heat pumps with electrically driven compressors–Testing,performance rating and requirements for marking of domestic hot water units》(EN 16147—2017),主要考核热水机组的热水加热能效。

1  美国标准

美国国家能源部于2014年7月11日公布了热泵热水器测试标准《Federal Register/Vol. 79, No.133/Friday,July 11, 2014/Rules and Regulations》,该标准适用于采用电驱动压缩机制取生活热水的空气-水热泵机组的额定性能测试,规定了详细的测试要求和输出报告的方法。

1.1  标准主要考核指标

(1)名义额定输入功率;

(2)第一小时放水量;

(3)年电能消耗量;

(4)年能源消耗量;

(5)UEF能效因子;

(6)日能源消耗;

(7)水箱待机热损失系数;

(8)加热效率。

1.2  标准性能测试方法

1.2.1  测试工况

美国热泵热水器测试工况主要包括环境(空气)温度、进水温度、供水水压、出水温度等,具体要求如表1所示。

微信截图_20190911103557.png

1.2.2  性能测试

1.2.2.1  第一小时放水测试

(1)对于储水量在20 gal及以上的热水器,放水期间,放水速度为(11.4±0.95)L/min。

(2)对于储水量在20 gal以下的热水器,放水期间,放水速度为(3.8±0.95)L/min。

(3)放水期间内应监控进水温度,满足(14.4±1.1)℃要求。

(4)先强制放水至加热器启动后停止放水。

(5)第一次放水:当水箱达到平均最大水温并停机后开始放水,记录开始放水的时间并将其标记为0(τ*= 0,上标*用于标记与第一小时额定值测试相关的变量),放水开始15 s后按5 s的时间间隔记录出水温度直到放水结束。记录此次放水期间出水的最高温度T*max,当出口水温下降8.3 ℃时终止放热水。结束放水后,测量平均出水温度、放水的质量或容积。

(6)后续放水测试的放水条件:1)加热器不处于工作状态;2)有一个或多个加热器同时加热的,当减少加热器个数时开始放水;3)对于不同时工作的加热元件,当水箱最上方的加热器停止工作时开始放水。

(7)其他放水:当符合(6)要求时开始第二次放水及后续的每一次连续放水(如果有多次放水过程)。

(8)按下列公式计算第一小时放水量:

式中 Fhr——储水式热水器第一小时额定放水量,gal;

        V*i——放水的容积,gal;

        V*n——最后一次强制放水时水的体积,gal;

        T*del,n_1——第n-1次放水的出水平均温度,℃;

        T*del,n——第n次(最后一次)放水的出水平均温度,℃;

        T*min,n_1——第n-1次放水的最低出水温度,℃。

1.2.2.2  模拟24 h使用的测试程序

按照热水量流量(直热式)和第一小时产水量,确定放水模型,标准将热水器分成了4种使用情况:很少量用水、低用水量、中等用水量、大用水量,每种用水量的区别如表2所示。

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根据标准中要求的放水量模型,按照图1所示测试步骤进行性能测试,进而计算热水器年耗量、热水器年能源消耗量、UEF能效因子、修正后的热水器日能源消耗量、水箱待机热损失系数、加热效率等。图1是以中等用水量为例列出的测试步骤简图。

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1.3  UEF能效因子计算

UEF能效因子可用下列公式进行计算。

式中 N——放水模型中总放水次数;

        Mi——第i次放水质量(i=1,2,…,N),kg;

         Cpi——第i次放水的水的比热,kJ/(kg·℃);

        Qdm——修正后的热水器日能源消耗量,详细计算参见

                      标准原文。

2  欧盟标准

目前欧盟热泵热水器的执行标准为《Heat pumps with electrically driven compressors-Testing, performance rating and requirements for marking of domestic hot water units》(EN 16147—2017),其规定了热泵热水器的相关测试要求。同时,欧盟热水器ErP生态设计实施条例规定了10种规格的热水器(3XS、XXS、XS、S、M、L、XL、XXL、3XL、4XL),规格在M及以上的热水器才能满足淋浴用水需求。EN 16147标准根据生态指令规定的热水器规格分别制定了不同的放水测试模型。

2.1  标准主要考核指标

(1)等效热水温度;

(2)制取生活热水的性能系数;

(3)单次放水时的最大热水量;

(4)放水过程中总的有效能量;

(5)放水过程中总电能输入;

(6)日电能消耗;

(7)水加热能效;

(8)年电能消耗;

(9)等效为40 ℃的热水体积;

(10)加热升温时间;

(11)加热升温输入的能量;

(12)待机输入功率;

(13)额定热输出。

2.2  性能测试概述

2.2.1  性能测试工况

欧盟空气源热水器的测试,可按热源类型进行区分,

详细测试工况要求如表3所示。

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2.2.2  性能测试方法

2.2.2.1  试验概述

试验包括6个主要阶段。(1)阶段A:稳定期;(2)阶段B:注水和储存量测试;(3)阶段C:加热期测试;(4)阶段D:待机功率测试;(5)阶段E:放水测试;(6)阶段F:40 ℃混合水体积和参考热水温度。

2.2.2.2  详细测试步骤

(1)阶段A:稳定期。产品保持在标准要求的工况温度条件下,直到产品的所有部件达到要求温度条件的±2 K的范围内(储水热泵热水器至少24 h)。

(2)阶段B:注水和储存量测试。首先对空的热水器进行称重,然后按照厂家安装说明书中规定的进水压力将水箱冲满冷水,对充满水的热水器水箱进行称重,包括进水口和/或出水口管上的水龙头。

两次称重(mact)之间的差异用升标示,并根据下列公式进行修正,计算水箱容积。

式中 Vm——额定水箱容量,L;

         mact——两次称重的差异,kg;

         ρ(T)——对应温度下的水的密度,kg/m3。

(3)阶段C:加热期测试。热水器水箱应充满冷水。冷水应在水箱中加热,直到出水温度等于55 ℃。该测试包括确定将水箱中初始状态的水加热至第一次通过水箱内恒温器的温控器来关闭压缩机的时间th。根据标准中的公式计算电能消耗。

                         Weh-HP =Weh-M-WEL-corr

式中 Weh-HP——在th测试阶段总的电能消耗,kWh;

        Weh-M——在th测试阶段测得的电能消耗,kWh;

       WEL-corr——经修正的水泵或风扇消耗的电能,kWh。

(4)阶段D:待机功率计算。待机功率输入是指机组在待机状态下,克服水箱热损失及机组其他辅助装置消耗的电能。本标准通过测试机组“停-开”周期(循环)间电能消耗来计算待机功率。具体操作为:在没有热水排放的情况下机组自主运行多个完整的“停-开”循环,试验时间至少48 h或者已经完成了6个“停-开”循环周期,取其时间短者。然后使用最后一次“停-开”循环电能消耗来计算待机功率消耗。

(5)阶段E:放水测试。

1)有效热量的计算。由制造商根据水箱容量选择放水循环模式,放水循环模式中的每一次放水过程,均应完成。当位于水箱内的热水温控器最后一次关闭热泵时立即开始循环测试。当放水循环时间在24 h以上时,最后一次热泵关闭后结束循环测试(见图2)。从测试计时开始在达到24 h内,热泵若没有运转,循环测试应延长至热泵启动至加热完成(见图3)。

根据标准要求,计算一次放水期间的热泵有效热量QHP-Tap。

2)确定电能消耗。

在放水循环tTTC测量周期内设备测量的总的电能消耗WEL-M-LP通过下述电能消耗公式来修正,并获得热水器总的电能消耗WEL-LP。

WEL-LP =WEL-M-LP-WEL-corr+(24-tTTC)×Pes+QEL-LP+WEL-OFF

式中 WEL-M-LP——测量的总电能消耗,kWh;

        tTTC——按照负载模型机组运行的时间,h;

        Pes——待机消耗功率,kW;

        WEL-corr——经修正的风扇或水泵消耗的的电能,kWh;

         QEL-LP——额外的电能输入,kWh;

        WEL-OFF——适用错峰产品的电能消耗,kWh。

3)计算性能系数COPDHW。

用下列公式计算整个放水循环过程中的性能系数。

式中 COPDHW——性能系数;

        QLP——整个放水循环过程中所包含的全部有用的能

        WEL-LP——整个放水循环过程中总的能量消耗,kWh。

(6)阶段F:等效热水温度和最大可用热水量。

在之前的放水循环测试周期结束且机组压缩机关闭后,开始最大放水量测试。当放水循环测试周期结束,机组停止运行后开始连续放出热水直至热水温度θWH(t)低于40  ℃。热水流量设置为(10±0.5)L/min。

通过测量出水温度确定水箱内部热水温度的参考值,利用此次放水的平均温度按标准公式计算参考热水温度θ'WH。

最大可用热水量,可以通过一次独立放水确定。计算放水期间的热水流量VWH和进口冷水温度θWC、出口热水温度θWH,最大热水量V40按下式计算:

3  结语

欧盟和美国最新标准能效评价的思路非常接近,都是以24 h模拟用户的热水使用情况进行放水测试,测试方法适用于所有热源的热水器。对于热泵热水器,美国没有对热源进行区分,欧盟分别规定:室外空气、室内空气、废气、排气、水源等热源的测试工况。对于采用室外空气的热泵热水器,欧盟和美国没有考虑全年制热水时环境温度对制热能效的影响因素。

[参考文献]

[1] 家用和类似用途热泵热水器:GB/T 23137—2008[S].

[2] 热泵热水机(器)能效限定值及能效等级:GB 29541—2013[S].

[3] Heat pumps with electrically driven compressors-­Testing,

     performance rating and requirements for marking

    of domestic hot water units:EN 16147—2017[S].

 

收稿日期:2019-08-13

作者简介:彭亚勇(1990—),男,河南扶沟人,助理工程师,研究方向:空调与制冷。


关键字:空气源热泵热水器
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