低环境温度空气源热泵能效标准分析

王派李敏霞马一太王飞波

（中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津大学热能研究所）

摘要京津冀地区大气污染问题突出，为实现治理雾霾和节能减排目标，京津冀开始无煤化行动。低环境温度空气源热泵经过十多年的研究和试制，已经取得成功，并在京津冀等地规模应用。本文重点研究低环境温度空气源热泵名义工况下COP和综合部分负荷值，即IPLV（H）；并通过具体算例，利用热力学完善度分析相关标准下的IPLV（H），可供今后制定有关标准参考。

关键词低环境温度空气源热泵；能效标准；IPLV（H）

1京津冀地区“煤改电”现状

京津冀地区大气污染问题相对突出，2016年优良天数比例为56．8％，比全国平均比例低22个百分点；重度及以上污染天数比例为9．2％，为全国平均水平的3．5倍；12月份发生5次大范围重污染天气过程。2016年11月15日至12月31日京津冀区域PM2．5浓度为135g／m3，是非供暖期浓度的2．4倍，该时期占全年时间的12．8％，对全年PM2．5贡献达到24．4％[1]。

目前研究表明，煤炭低效分散燃烧是我国雾霾形成的主要原因之一。为实现彻底治理雾霾和节能减排目标，京津冀开始了“无煤化”行动。

2015年12月，京津冀三地环保部门签署了《京津冀区域环境保护率先突破合作框架协议》。2016年7月25日，天津市出台《天津市贯彻落实〈京津冀大气污染防治强化措施（2016－2017年）实施方案》，按照通知要求，到2017年，天津市PM2．5年均浓度应达到60gg／m3左右，其中，武清区、宝坻区、蓟县分别达到或低于全市平均水平[2]。

数年来，北京郊区等地已有的实践表明，“煤改电”的替代装置主要是空气源热泵。2016年底北京郊区已有18．9万户家庭作为一期试点安装空气源热泵，11月8日正式供热。天津紧跟“煤改电”的步伐，于2016年11月15日完成武清区空气源热泵的招标，并开始了安装工作。

“煤改电”工作在各级政府的积极推动下，生产厂家努力创新制造，广大用户也在认真配合，笔者相信“煤改电”一定能取得丰硕成果。当然，节能减排永远是进行时，在巩固现有成绩的同时，也应该看到目前空气源热泵尚存在季节能效偏低等问题，需要在今后加以解决。笔者主要分析低环境温度空气源热泵机组的综合部分负荷性能系数，即IPLV。

2IPLV的由来

IPLV最初应用于冷水机组。由于空调季节环境温度的变化，冷水机组需要容量调节。冷水机组的供／回水温度可以总是7℃／12℃，而环境温度是变化的，冷负荷也是变化的，直接影响冷却水的进／出口温度。机组的负荷调节可能是无级的，也可能采用分级的，例如螺杆式冷水机组的滑阀分级调节等。在美国标准AIR550－1992 Centrifugal and Rotary Screw Water Chilling Packages中，针对冷水机组给出如下IPLV的计算公式：IPLV=0.17A+0.39B+0.33C+0.11D(1)式中：A，B，C和D分别为机组在100％，75％，50％和25％负荷时的COP值。其中系数0．17，0．390．33和0．11是依据以下几个原则确定的：

1）计算方法：采用美国采暖、制冷与空调工程师协会（ ASHRAE）的Bin方法（根据某地全年室外干球温度的逐时值，统计出一定间隔的温度段（BIN）中的温度在全年或某一期间所出现的时间（h），即温度的时间频率）

2）气象参数：美国乔治亚洲亚特兰大市

3）建筑类型：占所有建筑32％的办公建筑1998年美国空调与制冷协会对ARI550－1992与ARI590－1992标准进行修订并合并为ARI550／590-1998 Water Chilling Packages Using the Va

por Com pression Cycle］。在该标准中对IPLV进行了修正，计算公式如下：IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D其中计算方法仍采用美国采暖、制冷与空调工程师协会（ ASHRAE）的Bin方法；气象参数则是美国29个城市的加权平均。这29个城市冷水机组的市场份额在19706－1992年间占80％；建筑类型是所有建筑类型的加权平均另外，美国标准ARI550的1992版和ARI550／590的1998版中对于IPLV的计算公式在权重方面有所不同，A工况对应系数由0．17变为0．01，这是由于计算样本从亚特兰大扩展到美国29个城市我国参照1998年版的ARI550／590原则，于2005年颁布GB50189－2005《公共建筑节能设计标准》，通过大量计算分析，分别得到我国4个主要气候区（温和地区除外）的标准办公建筑的冷水机组部分负荷运行时间分布和4个气候区的IPLV系数值，给出我国冷水机组IPLV的计算公式，IPLW=0.023A+0.415B+0.461C+0.101D(3)到2015年根据建筑节能大量调查和数据分析，由于建筑节能的变化，25％负荷工况的时间（h）明显增加，GB501892015《公共建筑节能设计标准》이（已于2017年1月1日正式实施）的IPLV公式变化为V=0.012A+0.328B+0.397C+0.263D

(4)对于单元式空调机和空气源热泵设备，美国ANSI/ARI 210/240-2003 Per formance Rating ofUnitary Air-conditioners and Air-source HeatPump Eguipment기中给出IPLV的计算公式为EER,+EER2IPLV=(PLF1- PLF2EER2+ EER3(PLF,- PLF（PLF。－PLF／ER。1＋EERPLF. X EER

(5)式中：PLF是部分负荷系数，该系数由图1中曲线得到。根据式（5），IPLV在100％，75％，50％和25％负荷下的EER的加权公式为IPLV=0.05A+0.3B+0.4C+0.25D

(6)根据曲线得到的不同负荷下的系数以及该负荷下的能效比就可以求得空气源热泵终端冷（热）风机组的IPLV。空气源热泵终端冷（热）风机组启停比较频繁，在部分负荷性能方面与大型冷水机组有所不同，这种思路包括部分负荷曲线图1，曾被我国GB／T1887－2002《多联式空调（热泵）机组》直接采用综上所述，IPLV反映了空调设备在夏季制冷变负荷时的综合性能，虽然不同国家、不同时期4个加权系数不同，但基本上100％和25％负荷的加权系数较小，75％和50％负荷的加权系数较大。大型设备（离心机组、螺杆机组）100％负荷的加权系数仅1％～2％，小型设备（多联机、单元式空调机）100％负荷的加权系数要大些。

图1IPLV中的部分负荷系数[7]

3低环境温度空气源热泵的COP和IPLV（H）

韩林俊等分析了低环境温度空气源热泵的名义工况和IPLV（H）的评价方法。与以往标准中很少对热泵性能有单独的规定不同，2010年颁布的有关低环境温度空气源热泵的标准中有IPLV（H）相关规定12。标准中规定制热名义工况的热源侧空气干球温度为－12℃，空气湿球温度为－14℃，使用側出水温度为41℃。有关制热IPLV（H）的测试条件见表1。按表1测试综合部分负荷性能值IPLV（H）。热泵在低温工况（环境温度－12℃／－14℃，出口水温41C）下COP不低于2．1（户用）或2．3（商用），北京地区IPLV（H）不低于2．4（户用）或2．5（商用）。

有关IPLV（H）的应用，可以形象地表示在图中。冬季室外温度与房间供热负荷有线性关系，图中曲线为实际工况下不同室外温度所占比例，为便于监测，可将其简化为A，B，C，D四个工况，即IPLV（H）的4个测试点，分别为100％负荷，75％负荷，50％负荷和25％负荷。各测试点所占的比例即为IPLV（H）的加权系数。IPLV的优点，在于可以充分利用部分负荷有更高的COP，即通过容量调节和工况调节，提高部分负荷时的COP，提高热泵的节能潜力。表2说

明了这一潜力，热泵在75％和50％负荷下工作时

间占总时间的75％。

从北方大多数地区分析看，B＋C的时间比例的综合部分性能系数贡献最大。通过比较可知，IPLV（H）仅是名义工況COP占75％，而此时的环境温度为－7～0℃，对热泵

的1．14倍（户用）和1．09倍（商用），明显低于在制冷工况时的规律，IPLV通常是COP的1．2～1．3倍。目前还都没有低环境温度空气源热泵名义工况COP和IPLV（H）能效等级的要求。这是由于，标准在制订时，基本反映的是2005年前后的水平，当时是以能够在低环境温度下工作为主要目的，变容量的性能处于初级阶段。经过十多年的发展，目前技术水平，尤其是变频压缩机技术，已有较大提高，建议修订标准中的参数。

4提高低环境温度空气源热泵COP和IPLV（H）技术措施

目前，户用低环境温度空气源热泵的压缩机主要是涡旋式压缩机，也有滚动转子式压缩机。商用低环境温度空气源热泵因容量较大，主要采用多机头的涡旋式压缩机或滚动转子式压缩机，也有螺杆式压缩机。从最近的发展看，直流变频或磁悬浮离心式压缩机也会用于空气源热泵当空调负荷为满负荷时，直流变频转子式压缩机和直流变频涡旋式压缩机的效率难分伯仲但是，在部分负荷时，例如冬季部分负荷工况都是室外环境温度上升，要求的压缩比也下降。在制冷工况下，不同控制方式的机组部分负荷性能如图3所示。这个图虽然来自大中型机组，但有关原理是通用的，也适合采用小型全封闭压缩机的机组，只不过具体数据有所不同。通常涡旋式压缩机是定压比的，但出现了多种排气方式克服“过压缩”现象，而单机或双转子式压缩机因可用排气阀控制压缩比，相当于图3中变频＋可变V，具有较高的效率。这样，在部分负荷工况时，使用单机或双转子式压缩机的空调器可能比使用涡旋式压缩机的空调器的SEER或IPLV（HI）有较高的值为适应空气源热泵的需求，应开发可变内容积比螺杆式压缩机，配合变频电机，能够获得较高的IPLV（H）。在制冷工况下，直流变频离心式压缩机有着非常优秀的部分负荷性能，变频电机驱动的离心式压缩机的IPLV有明显的上升，而采用磁悬浮离心式压缩机的冷水机组越来越多。相信任何技术没有停止发展，今后其他形式的变容量、压缩比调节技术也可能会出现新的变化。对于商用低环境温度空气源热泵，可以采用多机头的涡旋式压缩机或滚动转子式压缩机，也可以采用螺杆式压缩机，今后可能会采用磁悬浮离心式压缩机，因此发展空间很大，需要专门论述，笔者暂不作深入分析。由上述IPLV的计算公式来看，提高IPLV的

图3在制冷工况下不同控制方式的机组部分负荷性能

措施主要是提高部分负荷下制冷空调产品的能效比。由表3可以看出，部分负荷下热泵系统是变容量和变压缩比运行。而変压缩比还有2个方面方面不同容量下的工作温度不同，即冷凝温度可随环境温度的上升而下降，可降低压缩比；另一方面，由于容量变化，在较小容量输出时需要的传热温差可以变小，这影响压缩比。压缩机容量调节和控制方式是影响热泵设备IPLV（H）的重要因素。

5空气源热泵名义工况的OOP和IPLV（HD能效分析在实际制冷（热泵）循环中，存在多种不可逆因素导致的熵增。一部分机械能转化为热能，其中大部分耗散到环境中，导致系统循环效率下降将实际循环的热力学第一定律的效率与相同工况下逆卡诺循环第一定律效率相比，就得出实际循环的热力学第二定律效率。热力学第二定律表述实际循环偏离理想循环的程度，或者是实际热力循环接近完善的程度，可以称为循环的完善度或热力学完善度，可以表示实际循环装置的用能效率水平。例如，当热泵出水温度不同时，2种热泵的COP不能直接作比较，但可以通过热力学第二定律效率指标进行比较。机组1（直流变频低环境温度空气源热泵）的性能曲线，如图4所示。.

图4中出水温度为35℃，而我国标准GB／T25127《低环境温度空气源热泵（冷水）机组》中规定出水温度是41℃，要推算出水温度为41℃时的IPLV（H）可用热力学完善度方法。用环境温度和出水温度建立逆卡诺循环，求出逆卡诺循环的IPLV（H），因为热力学完善度具有一致性，可推导出41℃时的IPLV（H），为3．31。结果如表4所示同样如果已知机组2在55℃出水时的COP与IPLV（H），如表5所示，通过热力学完善度可计算出水温度为41℃时系统的COP及IPLV（H）机组3在出水温度为40℃C时，适用于水地暖辐射供暖末端机组COP如表6所示，通过热力学完善度可计算出水温度为41℃时机组的COP和IPLV（H）。

目前，我国还没有低环境温度空气源热泵名义工况COP和IPLV（D能效等级的划分方法和标准等，但有些产品，特别是变频压缩机组，已经具有较高的IPLV，由于各自的设计指标和运行参数等不尽相同，如何评价和比较其能效等指标，无从下手为鼓励研发部门和生产企业努力攻关和采用先进技术，推动低环境温度空气源热泵产品发展，应立即着手对低环境温度空气源热泵名义工况COP和IPLV（H）的能效标准预测开展研究。

基于相关热力学完善度理论，并参考若干产品的设计和应用实测值等，对于户用空气源热泵名义工况下（A工况），其1级能效、2级能效和3级能效（入门级）COP值依次建议为2．6，2．4和2．2。对于综合部分负荷值IPL（H），其1级能效、2级能效和3级能效（人门级）值依次为3．3，3．0和2．6。作为研究和应用分析的参考，低环境温度（户用）空气源热泵的能效标准计算值可参考表7所示数据。

6结束语

京津冀地区大气污染问题相对突出，北方许多城市正在推广“煤改电”，低环境温度空气源热泵在我国得到大力发展。笔者重点分析了低环境温度空气源热泵的综合部分负荷值IPLV（H），提出提高空气源热泵COP和IPLV（H）的措施。通过具体算例，利用热力学完善度分析相关标准下的IPLV（H）。