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美國與歐盟家用空氣源熱泵熱水器性能測試研究

時間:2019-09-11 10:29:15; 來源:V客暖通網 作者:彭亞勇 魏文玲

0  引言

空氣源熱泵熱水器作為家用熱水設備之一,不僅具有顯著的節能優勢,而且能24 h滿足家庭熱水供應,近年來市場份額保持穩定增長。熱泵熱水器的能效是該産品的主要性能指标,科學有效的性能測試方法及能效評價方式,不僅能推動熱泵熱水器健康有序發展,更有利于推動行業的不斷進步。

我國家用空氣源熱泵熱水器的性能測試标準為《家用和類似用途熱泵熱水器》(GB/T  23137—2008),主要考核熱水機組的COP性能。美國目前現行的熱泵熱水器性能測試标準是2014年發布的《Federal Register/Vol.79,No.133/Friday, July 11, 2014/Rules and Regulations》,主要考核熱水機組的UEF能效因子。歐盟現行的測試标準為《Heat pumps with electrically driven compressors–Testing,performance rating and requirements for marking of domestic hot water units》(EN 16147—2017),主要考核熱水機組的熱水加熱能效。

1  美國标準

美國國家能源部于2014年7月11日公布了熱泵熱水器測試标準《Federal Register/Vol. 79, No.133/Friday,July 11, 2014/Rules and Regulations》,該标準适用于采用電驅動壓縮機制取生活熱水的空氣-水熱泵機組的額定性能測試,規定了詳細的測試要求和輸出報告的方法。

1.1  标準主要考核指标

(1)名義額定輸入功率;

(2)第一小時放水量;

(3)年電能消耗量;

(4)年能源消耗量;

(5)UEF能效因子;

(6)日能源消耗;

(7)水箱待機熱損失系數;

(8)加熱效率。

1.2  标準性能測試方法

1.2.1  測試工況

美國熱泵熱水器測試工況主要包括環境(空氣)溫度、進水溫度、供水水壓、出水溫度等,具體要求如表1所示。

微信截圖_20190911103557.png

1.2.2  性能測試

1.2.2.1  第一小時放水測試

(1)對于儲水量在20 gal及以上的熱水器,放水期間,放水速度為(11.4±0.95)L/min。

(2)對于儲水量在20 gal以下的熱水器,放水期間,放水速度為(3.8±0.95)L/min。

(3)放水期間内應監控進水溫度,滿足(14.4±1.1)℃要求。

(4)先強制放水至加熱器啟動後停止放水。

(5)第一次放水:當水箱達到平均最大水溫并停機後開始放水,記錄開始放水的時間并将其标記為0(τ*= 0,上标*用于标記與第一小時額定值測試相關的變量),放水開始15 s後按5 s的時間間隔記錄出水溫度直到放水結束。記錄此次放水期間出水的最高溫度T*max,當出口水溫下降8.3 ℃時終止放熱水。結束放水後,測量平均出水溫度、放水的質量或容積。

(6)後續放水測試的放水條件:1)加熱器不處于工作狀态;2)有一個或多個加熱器同時加熱的,當減少加熱器個數時開始放水;3)對于不同時工作的加熱元件,當水箱最上方的加熱器停止工作時開始放水。

(7)其他放水:當符合(6)要求時開始第二次放水及後續的每一次連續放水(如果有多次放水過程)。

(8)按下列公式計算第一小時放水量:

式中 Fhr——儲水式熱水器第一小時額定放水量,gal;

        V*i——放水的容積,gal;

        V*n——最後一次強制放水時水的體積,gal;

        T*del,n_1——第n-1次放水的出水平均溫度,℃;

        T*del,n——第n次(最後一次)放水的出水平均溫度,℃;

        T*min,n_1——第n-1次放水的最低出水溫度,℃。

1.2.2.2  模拟24 h使用的測試程序

按照熱水量流量(直熱式)和第一小時産水量,确定放水模型,标準将熱水器分成了4種使用情況:很少量用水、低用水量、中等用水量、大用水量,每種用水量的區别如表2所示。

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根據标準中要求的放水量模型,按照圖1所示測試步驟進行性能測試,進而計算熱水器年耗量、熱水器年能源消耗量、UEF能效因子、修正後的熱水器日能源消耗量、水箱待機熱損失系數、加熱效率等。圖1是以中等用水量為例列出的測試步驟簡圖。

微信截圖_20190911103645.png

1.3  UEF能效因子計算

UEF能效因子可用下列公式進行計算。

式中 N——放水模型中總放水次數;

        Mi——第i次放水質量(i=1,2,…,N),kg;

         Cpi——第i次放水的水的比熱,kJ/(kg·℃);

        Qdm——修正後的熱水器日能源消耗量,詳細計算參見

                      标準原文。

2  歐盟标準

目前歐盟熱泵熱水器的執行标準為《Heat pumps with electrically driven compressors-Testing, performance rating and requirements for marking of domestic hot water units》(EN 16147—2017),其規定了熱泵熱水器的相關測試要求。同時,歐盟熱水器ErP生态設計實施條例規定了10種規格的熱水器(3XS、XXS、XS、S、M、L、XL、XXL、3XL、4XL),規格在M及以上的熱水器才能滿足淋浴用水需求。EN 16147标準根據生态指令規定的熱水器規格分别制定了不同的放水測試模型。

2.1  标準主要考核指标

(1)等效熱水溫度;

(2)制取生活熱水的性能系數;

(3)單次放水時的最大熱水量;

(4)放水過程中總的有效能量;

(5)放水過程中總電能輸入;

(6)日電能消耗;

(7)水加熱能效;

(8)年電能消耗;

(9)等效為40 ℃的熱水體積;

(10)加熱升溫時間;

(11)加熱升溫輸入的能量;

(12)待機輸入功率;

(13)額定熱輸出。

2.2  性能測試概述

2.2.1  性能測試工況

歐盟空氣源熱水器的測試,可按熱源類型進行區分,

詳細測試工況要求如表3所示。

微信截圖_20190911103838.png

2.2.2  性能測試方法

2.2.2.1  試驗概述

試驗包括6個主要階段。(1)階段A:穩定期;(2)階段B:注水和儲存量測試;(3)階段C:加熱期測試;(4)階段D:待機功率測試;(5)階段E:放水測試;(6)階段F:40 ℃混合水體積和參考熱水溫度。

2.2.2.2  詳細測試步驟

(1)階段A:穩定期。産品保持在标準要求的工況溫度條件下,直到産品的所有部件達到要求溫度條件的±2 K的範圍内(儲水熱泵熱水器至少24 h)。

(2)階段B:注水和儲存量測試。首先對空的熱水器進行稱重,然後按照廠家安裝說明書中規定的進水壓力将水箱沖滿冷水,對充滿水的熱水器水箱進行稱重,包括進水口和/或出水口管上的水龍頭。

兩次稱重(mact)之間的差異用升标示,并根據下列公式進行修正,計算水箱容積。

式中 Vm——額定水箱容量,L;

         mact——兩次稱重的差異,kg;

         ρ(T)——對應溫度下的水的密度,kg/m3。

(3)階段C:加熱期測試。熱水器水箱應充滿冷水。冷水應在水箱中加熱,直到出水溫度等于55 ℃。該測試包括确定将水箱中初始狀态的水加熱至第一次通過水箱内恒溫器的溫控器來關閉壓縮機的時間th。根據标準中的公式計算電能消耗。

                         Weh-HP =Weh-M-WEL-corr

式中 Weh-HP——在th測試階段總的電能消耗,kWh;

        Weh-M——在th測試階段測得的電能消耗,kWh;

       WEL-corr——經修正的水泵或風扇消耗的電能,kWh。

(4)階段D:待機功率計算。待機功率輸入是指機組在待機狀态下,克服水箱熱損失及機組其他輔助裝置消耗的電能。本标準通過測試機組“停-開”周期(循環)間電能消耗來計算待機功率。具體操作為:在沒有熱水排放的情況下機組自主運行多個完整的“停-開”循環,試驗時間至少48 h或者已經完成了6個“停-開”循環周期,取其時間短者。然後使用最後一次“停-開”循環電能消耗來計算待機功率消耗。

(5)階段E:放水測試。

1)有效熱量的計算。由制造商根據水箱容量選擇放水循環模式,放水循環模式中的每一次放水過程,均應完成。當位于水箱内的熱水溫控器最後一次關閉熱泵時立即開始循環測試。當放水循環時間在24 h以上時,最後一次熱泵關閉後結束循環測試(見圖2)。從測試計時開始在達到24 h内,熱泵若沒有運轉,循環測試應延長至熱泵啟動至加熱完成(見圖3)。

根據标準要求,計算一次放水期間的熱泵有效熱量QHP-Tap。

2)确定電能消耗。

在放水循環tTTC測量周期内設備測量的總的電能消耗WEL-M-LP通過下述電能消耗公式來修正,并獲得熱水器總的電能消耗WEL-LP。

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

式中 WEL-M-LP——測量的總電能消耗,kWh;

        tTTC——按照負載模型機組運行的時間,h;

        Pes——待機消耗功率,kW;

        WEL-corr——經修正的風扇或水泵消耗的的電能,kWh;

         QEL-LP——額外的電能輸入,kWh;

        WEL-OFF——适用錯峰産品的電能消耗,kWh。

3)計算性能系數COPDHW。

用下列公式計算整個放水循環過程中的性能系數。

式中 COPDHW——性能系數;

        QLP——整個放水循環過程中所包含的全部有用的能

        WEL-LP——整個放水循環過程中總的能量消耗,kWh。

(6)階段F:等效熱水溫度和最大可用熱水量。

在之前的放水循環測試周期結束且機組壓縮機關閉後,開始最大放水量測試。當放水循環測試周期結束,機組停止運行後開始連續放出熱水直至熱水溫度θWH(t)低于40  ℃。熱水流量設置為(10±0.5)L/min。

通過測量出水溫度确定水箱内部熱水溫度的參考值,利用此次放水的平均溫度按标準公式計算參考熱水溫度θ'WH。

最大可用熱水量,可以通過一次獨立放水确定。計算放水期間的熱水流量VWH和進口冷水溫度θWC、出口熱水溫度θWH,最大熱水量V40按下式計算:

3  結語

歐盟和美國最新标準能效評價的思路非常接近,都是以24 h模拟用戶的熱水使用情況進行放水測試,測試方法适用于所有熱源的熱水器。對于熱泵熱水器,美國沒有對熱源進行區分,歐盟分别規定:室外空氣、室内空氣、廢氣、排氣、水源等熱源的測試工況。對于采用室外空氣的熱泵熱水器,歐盟和美國沒有考慮全年制熱水時環境溫度對制熱能效的影響因素。

[參考文獻]

[1] 家用和類似用途熱泵熱水器:GB/T 23137—2008[S].

[2] 熱泵熱水機(器)能效限定值及能效等級: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

作者簡介:彭亞勇(1990—),男,河南扶溝人,助理工程師,研究方向:空調與制冷。


關鍵字:空氣源熱泵熱水器
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