1、18 2015 年 8 月日用电器标准检测认证Standards Testing&Certification欧盟家用空气源热泵热水器能效标准测试方法的研究舒 宏 何 林 杨加政（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）The Experimental Research on the European Coefficient of Performance Testing Methods of Household Air-source Heat-pump Water Heater摘要：目前欧盟热泵热水器测试标准 EN 16147：2011，Heat pumps with electrical
2、ly driven compressors-Testing and requirements for marking of domestic hot water units已于 2011 年 7 月开始实施，但国内的标准 GB/T 23137-2008 并未有相应的更改。本文将通过测试静态加热式热泵热水器来对比分析其能效测试结果相对于国标测试方法的不同，并分析出目前国内开发的主流的热泵热水器在售后使用时的真正能效是否节能，并考虑到售后使用的能效情况，提出设计热泵热水器时的优化节能方向和售后客户使用的节能注意事项。关键词：热泵热水器；能效；水箱；EN 16147:2011；GB/T 23137-
3、2008Abstract：The European standard,EN 16147：2011,Heat pumps with electrically driven compressors-Testing and requirements for marking of domestic hot water units,has been put into effect from July,2011.However,Chinese na-tional standard is still the GB/T 23137-2008 which hasnt made the corresponding
4、 changes.In this paper,it tests the static heating water heat pump and use its data to compare and analyze the differences of Chinese national standard and European standard,including the coefficient of performance which used by users.Furthermore,this paper points out the development direction of en
5、ergy conservation of heat-pump water heater and the matters needing attention for us-ers in consideration of the coefficient of performance.Key words：heat-pump water heater;energy efficiency;water tank;EN 16147：2011;GB/T 23137-2008空气源热泵系统在我国南方应用广泛，主要原因在于节能效果良好，目前国内开发的热泵热水器能效普遍能够达到4.0W/W1以上，相比于普通的电热式
6、热水器低于1.0W/W的能效能够节省大量的电能，因此未来的热泵热水器市场会更加普遍。但按照制冷系统原理，热泵热水器在高水温阶段将比低水温阶段的能效有较大的下降，用户真正使用的状态并非是目前国标GB/T 23137-20082规定的从15加热到55之间的能效，而是长期处于高水温阶段的加热，此时能效值将不得而知。欧盟热水器测试标准EN 16147：2011，Heat pumps with electrically driven compressors-Testing and requirements for marking of domestic hot water units 3中提出，“使用家
7、庭热水的性能系数”COPDHW来评估热泵热水器热水器的能效，即模拟用户实际用水能效。这种评估方法比国标更接近用户生活中的实际用水情况，可统一所有能源形式的热水器能效评价方法，更有效地评估产品的使用性能，利于将不同热水器放在同一个平台上进行考核。但目前国标仍然停留在传统的只评估加热阶段能效的模式，因此本文通过将一款热泵热水器按照欧盟EN 16147：2011标准的测试方法来测试能效并分析目前国标和国内生产的热泵热水器存在的问题，并提出热泵热水器优化方向，并指导目前热泵热水器的用户节能使用。1 国标GB/T 23137-2008和欧盟标准EN 16147：2011概述国标GB/T 23137-20
8、08中规定在整机（包括水箱和室外机）均处于20的环境温度下进行能效测试，水箱的初始温度为15，水箱终止温度为55，能效计算为整个热泵热水器将热水从15加热到55的过程中的水箱Aug.2015 19Electrical Appliances 标准检测认证日用电器水温升获取的热量与整机输入电量的比值，按照制冷原理，在低温如水温在15时热泵热水器的能效将远高于高水温如50时的能效，而用户使用的区间大部分处于35-55之间的高水温阶段，此时按照国标的测试方法计算出的能效不能体现热泵热水器的客户在使用过程中的真正能效。在欧盟标准EN 16147：2011中规定，试验包括图1中的6个主要阶段，其中A阶段是
9、加热温升期，B阶段是测定待机输入功率，C是放水循环阶段，D是最大可用热水量阶段，E是使用温度范围阶段，F阶段是安全试验阶段。C阶段正是欧盟考察的放水循环性能系数COPDHW阶段，其测试方式为根据常规家庭一天24h的热水使用目的和习惯（包括放水时刻、放水量、放水温度、流速等）制定最能模拟用户使用习惯的放水模式，按照表一定的使用目的和使用量进行放水循环，例如表1中的放水量最小的循环S模式，在整个24h的放水期间记录整个放水过程中的各个温度和电参数，并在放水结束后计算整个放水循环性能系数COPDHW，其计算方式为整个放水过程中全部有用的热量与整个放水24h过程中的全部耗电量的比值。（1）式中，：整个
10、放水周期内全部有用的热量，单位：kWh；：整个放水周期内的全部耗电量，单位：kWh。欧盟采用该方式来进行热泵热水器的放水循环性能系数COPDHW测试和计算能够贴近用户实际的使用情况，其COPDHW计算结果接近用户实际使用的能效情况，能够比较准确的评估热泵热水器在客户使用过程中的真正节能价值。2 实验样品和实验方案准备选取目前市场上主流的制热量为3.1kW的定频热泵热水器一台，该机型的标称值，能效已达到4.0W/W，为市场上中等能效的热泵热水器，水箱类型为外盘管式水箱，水箱容量均为200L。根据实际使用情况，将热泵热水器的室外机放置在室外侧环境温度，水箱处于室内侧环境温度，冷媒连接管5m长度的一
11、半处于室外侧环境温度，另一半处于室外侧温度，将定频热泵热水器在室外侧环境温度为20、2、-5和-10的温度下进行EN 16147：2011的放水C阶段的放水循环性能系数COPDHW测试计算出结果并与该产品的标称能效进行对比，实验中耗电量和功率可通过电量计直接读出，热水器的产热量可通过每一个时刻的水箱进出水温度差值进行积分计算，最终达到表1中产热量和防水量，其中进出水温度的测试方法按照EN 16147：2011中的在水箱进出水处安装铂电阻方法进行测图 1 欧盟热泵热水器试验阶段和顺序序号Start(h:min)Tapping cycle time 放水循环开始时间Energy(kWh)热量Typ
12、e形式1 07:00 0,105 Small 少量2 07:30 0,105 Small 少量3 08:30 0,105 Small 少量4 09:30 0,105 Small 少量5 11:30 0,105 Small 少量6 11:45 0,105 Small 少量7 12:45 0,315 Dish washing 洗碗8 18:00 0,105 Small 少量9 18:15 0,105 Household cleaning 家庭清洁1020:30 0,420 Dish washing 洗碗1121:30 0,525 Large 大量Total2,1表 1 欧盟放水循环 S 模式20
13、2015 年 8 月日用电器标准检测认证Standards Testing&Certification试确保测试准确性4，并保证进出水温度在标准要求的范围内，样品电压按照样品给出的额定电压进行测试，最终计算COPDHW值与名牌中的标称值进行对比。由于热泵热水器的产品特点与空调不同，其热泵系统工作温度处于变环境温度的状态下，随着水箱水温的升高，系统的冷凝温度、蒸发温度、吸气温度和排气温度均有较大变化，因此热泵热水器的功率等参数是处于不断变化的状态，实验测试过程中仅针对实验台的室内侧和室外侧温度进行稳定的控制，实验设定55关闭辅热（电加热），并让其自由运行到温度点停机，不对样品进行人为干预。3 实
14、验测试数据分析按照欧盟EN 16147：2011中C放水阶段的放水循环性能系数COPDHW测试的计算结果如表2，从表中可以看出，定频热泵热水器的COPDHW在国标中的额定20的外侧环境下进行测试能够达到3.3W/W，但在室外侧环境温度2下进行放水循环的COPDHW仅为1.38 kWh/(kWh)，与名牌中的标称值4.0W/W差距较大，这种情况失去了厂家开发热泵热水器的目的，采用电加热式热水器则成本更低，开发也更容易，从测试结果看则仍需要进行详细的数据分析。因此本文针对样品增加了加热A阶段的能效测试。由表2中为定频热泵热水器的加热阶段的能效可以看到，随着外侧环境的降低热泵热水器的加热阶段的能效呈
15、快速降低的趋势，室外侧环境温度20时为4.22W/W，到2时降低为2.93W/W，-15时为1.68W/W，外侧环境温度对其能效的影响较大。表2中最后一列为采用欧盟EN 16147：2011的测试方法计算出来的能效COPDHW与国标GB/T 23137-2008的能效测试方法结果的对比，采用欧盟的完全模拟售后使用的测试方法计算出来的能效比国标的低，且随着室外侧环境温度的降低COPDHW的下降速率更快，这与用户体验到的环境温度较低时耗电量更多的情况相符合，因此欲真正体现热泵热水器的使用能效，需在几个不同室外侧环境温度下按照欧盟EN 16147：2011的测试方法测试其能效，并在名牌上标注，由此才
16、能够让各个厂家在使用能效方面进行竞争和开发，避免按照国标的测试方法进行能效竞争。考虑到目前国内各个厂家在能效上面并未进行优化设计，能效COPDHW较低，技术不成熟，本文增加加热阶段的详细数据记录，分析在不同的外侧环境温度下能效随水温的变化趋势，并提出机组在高水温下的能效较低的原因，以供开发人员参考。图2和图3为定频热泵热水器样品在室外侧环境温度不变时能效随水温的变化趋势曲线，由图可以看出水温变化过程中除初始加热时的温度以外（开始加热时水温滞后导致计算的结果显示能效较低），能效是降低的，期间有较小的波动和较大的波动，较小的波动主要由于水箱内部水温度的分布和变化滞后造成的，较大的波动均是向下波动的
17、，由除霜造成，除霜过程中热泵热水器并不对水箱进行加热反而吸取水箱中的热量对室外机进行除霜，同时由于水温变化的滞后导致仍然有能效，但该情况不影响我们对产品整体能效的评估。由图2和图3的曲线可以找出定频热泵热水器在相同环境温度下能效随水箱温度的变化趋势，在相同水温的情况下，外侧环境温度越低则能效越低，在外侧环境温度在-15时能效甚至低于1W/W，与表2中能效的迅速降低有较大关系，因用户用水停止时水温处于能够符合用户需求的温度范围内，此时温度基本处于35以上，此时热泵热水器能效较低，因此能效始终不高。在外侧环境温度2时，水箱水温高于53能效即低于1W/W，甚至低于电热式热水器的效率，有实验证明，在-
18、10时，纯电热式热水器的能效为0.93W/W，低于理室外侧环境温度放水循环 C 阶段性能系数 COPDHW(kWh/kWh)加热 A 阶段能效 COP W/WCOPDHW/COP203.34.220.7821.882.930.64-51.142.280.50-100.821.960.42-150.621.680.37表 2 定频热泵热水器放水 C 阶段和加热 A 阶段能效测试结果Aug.2015 21Electrical Appliances 标准检测认证日用电器论中的1W/W，在外侧环境温度为-10时，水箱水温高于51，能效即低于1W/W，因此必须分析热泵热水器能效低于1W/W的原因，并进行
19、优化。表3表示样品在-10时同一时刻样品系统高压压力对应的饱和温度与样品水箱温度的对比。表中不难发现，在随着水箱温度的提高，样品高压压力与样品水箱温度的差值则处于降低的状态，在水箱水温达到53.45时样品高压压力对应的饱和温度甚至仅比水箱水温高0.55。从制冷原理可知，对于热泵热水器，水箱水温的热量来源于系统高压压力对应的饱和温度与水箱水温的传热，当水箱水温较低时系统压力对应的饱和温度与水箱温度之间能够建立起合适的温差则系统能效较高，当温差较低时则能效较差，当温差低至0时则系统无法对热泵热水器进行加热。而且考虑到检测温度与真实温度的偏差（水温感温器处于水箱轴心处，按照外盘静态加热式热泵热水器工
20、作原理，外盘管与水箱内壁面有较大的偏差，水箱内壁面与水箱轴心出又有较大偏差，因此实际水箱温度值检测偏小，这导致系统高压压力对应的饱和温度与样品水箱温度值的差更小，系统更难以换热，能效更低），系统能效会更低。表3中可以看到，在53左右能效值仅为0.55左右。有经验显示，当系统高压压力对应的饱和温度比水箱水温高5-10时热泵系统能够达到较高的能下值。因此我们可以看到，当用户设定温度较高时，则水温基本处于高水温阶段循环，例如不用水时热泵系统自动进行保温加热，此时水箱系统水温必定为48-55之间，当用户用水量较少时水箱水温的下降较小，该情况下加热热水的能效也将极低。当用水量大时用户为保证出水温度，水箱
21、的水温也将高于35，此时能效也不高，欲提高该高水温情况下的能效，须得提高吸气量保证系统高压压力，此时需增加制冷剂量，而增加制冷剂量则会导致系统高外侧环境温度运行时高压压力过高，且不利于压缩机的可靠性，目前国内压缩机的设计最高压力对应的饱和温度为62左右，而且系统设计必须保证压力余量，以不使系统长期处于高压压力下运转保证压缩机可靠性，因此对于定频热泵热水器厂家需在可靠性和高能效之间做出合理的选择。目前只能通过限制使用地区来保证能效，例如仅用于南方冬季平均温度0以上的情况。图 2 定频热泵热水器 2时能效随水温的变化趋势图 3 定频热泵热水器-15时能效随水温的变化趋势时刻序号高压对应的饱和压力水
22、箱温度温度点的能效高压压力对应的温度-水箱温度153471.65.8253481.44.9353491.223.7453501.12.55554511.052.65754520.901.8854530.670.9954540.550.8124754.90.51停机时表 3 样品的系统高压压力对应的饱和温度与水温在同一时刻的对比（下转29页）Aug.2015 29Electrical Appliances 技术创新 日用电器参考文献1 聂学俊,王丽,李国峰压力锅工作过程中的热分析 J食品与机械,2012,3.2 赵震南传热学 M北京：高等教育出版社,2002.3 GB 4706.1-2005,家
23、用和类似用途电器的安全 S.自外锅的热量，也可以及时将热量转移到其他地方，对控制器降温幅度也达到接近10K。采用隔热棉：隔热棉具有隔热效果好，装配较铝板方便的优势，将隔热棉置于控制器与外锅之间也可以有效减少外锅对控制器的热辐射，可以对控制器有接近9K的降温效果。采用锡箔纸：因锡箔纸具有良好的热反射作用，将锡箔纸贴到控制器背面可以反射来自外锅的大部分热量，对控制器部分的降温幅度6K左右。5 结语以上的降温措施各有优势，适用条件也各有不同，应根据实际情况分析采用，推荐采用从源头控制，故电压力锅设计不能一味追求小型化，小型化会导致控制器距离外锅等发热源距离太近，可能会出现温升超标、电压力锅产品寿命变
24、短、故障频发现象，电压力锅是消费者日常使用的，其使用寿命是必须要保证的，这点在设计时必须充分考虑、验证。4 结论本文根据目前国内热泵热水器产品的特点采用国标GB/T 23137-2008和欧盟标准EN 16147：2011进行测试，并分析两种测试标准的区别，针对一款热水器的能效进行验证，并分析出目前国内标准存在的问题，和产品设计的优化方向。1）相比于国标GB/T 23137-2008和欧盟标准EN 16147：2011，后者根据用户使用习惯制定放水流程，确定放水量放水温度等参数并计算出放水循环性能系数COPDHW，能够更接近的体现出用户使用的真正能效，后续国标修订可以参考该标准思路。2）目前国
25、内的标准GB/T 23137-2008能效仅考虑到外侧环境温度20状态下的能效，而售后的使用外侧温度较少能够达到该温度，因此标准需要进行修订，例如增加外侧环境温度2的放水阶段的能效测试。3）目前国内热泵热水器厂家生产的热泵热水器在高温状态下并未考虑周全，从能效角度看，生产厂家应优先考虑热泵热水器的高水温阶段的加热能效，提高高水温阶段的能效能够较大程度的提高放水循环的性能系数COPDHW，具体方法可通过提高系统高压侧的压力，这涉及到可靠性问题，热泵热水器厂家需综合考虑到加热能效、可靠性和加热速率之间的矛盾问题。4）在销售和使用过程中，热泵热水器厂家需清楚的向用户提供使用指导，让用户设定的水温在高
26、能效范围以内，比如低于48，只有这样用户才能够享受到热泵热水器的节能价值。参考文献1 马一太.我国热泵热水机能效标准的研究 J.制冷与空调,2013,13(5).2 GB/T 23137-2008，家用和类似用途热泵热水器 S.3 EN 16147:2011,Heat pumps with electrically driven compressors-Testing and requirements for marking of domestic hot water units S.4 张辉.欧洲静态加热式空气源热泵热水机性能测试方法探讨 J.制冷与空调,2013,13(6).（上接21页）
