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热泵标准体系解读与展望

发表日期:2019/8/7 10:34:15 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

热泵有广义和狭义之分。广义热泵是指在某种动力驱动下,通过热力学逆循环连续地将热能从低温物体(或介质)转移到高温物体(或介质),并用以制冷或制热的装置,而狭义热泵仅是指以制冷系统中的放热量作为使用目的的装置。从广义热泵的含义上看,热泵包含了利用蒸发器侧的吸热量或(和)冷凝器侧的放热量的热力装置,即制冷与热泵装置,二者的热力学本质完全相同,因此,本文将常用的制冷空调热泵设备统称为“热泵”。

我国是制冷、热泵产品的研发大国、生产大国和应用大国。随着北方地区煤改清洁能源等供暖政策推动,南方长江流域的采暖需求日益强烈,热泵成为制冷空调行业最热的产品之一。2016年空调热泵产品市场规模就已经超过5 000亿元,而仅用于制热目的的狭义热泵产品市场也已达到500亿元的规模。

为了推动和引领热泵产业健康发展,全国冷冻空调设备标准化技术委员会(以下简称全国冷标委)在大量研究和行业广泛实践的基础上,制定了30余项热泵产品的标准,并致力于热泵标准体系的持续研究和完善。由于热泵产品类型的多样性,虽然已经具有较为完善的标准体系,但存在标准数量较多、标准名称相似度高,标准内容似有重叠等问题,因此,在热泵产品全生命期中的研发、制造、使用和管理等过程中,对如何区分各个标准的适用范围、性能指标的合理性、研发新产品的参考标准选取等往往存在理解上的困难和误区。

本文根据热泵产品的分类,结合现行各项标准及其制定背景,解读标准体系现状;从热泵设计评价工况、性能指标的统一完善,以及“元标准”及“标准族”的关系,说明热泵标准体系完善的方向,旨在厘清复杂多样的热泵产品的应用形式,以及热泵产品标准及其体系,进而为行业正确使用标准,引导产品研发、生产和管理,为我国制冷热泵产品标准体系的建设与完善提供新的思路。

1  热泵产品分类

热泵有多种分类方式。其中,按容量大小可分为户用和类似用途型热泵、工商业用和类似用途类型热泵;按机组功能可分为单冷型、单热型和冷热回收型热泵;按压缩机类型可分为活塞式、离心式、螺杆式和涡旋式热泵等;按制冷循环驱动能源类型还可分为制冷剂蒸汽压缩循环式热泵和吸收式热泵等。尽管如此,但我国热泵标准主要是从热泵产品的热源侧介质和使用侧介质或用途等为依据进行分类、制定的。

根据热源侧介质类型不同,热泵产品可以分为水源热泵和空气源热泵,如表1所示。而水源热泵又可根据水源的来源不同分为水环式、地下水式、地埋管式、地表水式、低品位热水源式等热泵类型;空气源热泵又根据适用气候类型不同,又可分为普通型、低环境温度型、超低环境温度型等;此外,综合了水源和空气源特性的热源塔热泵也被纳入了标准体系。

表1  根据热源侧介质进行分类

按照使用侧需求特性(介质和冷热量用途)不同,制冷热泵产品可以划分为冷(热)水型和冷(热)风型机组。冷(热)水型机组又可以分为空调机组、生活热水机组、工业流程用高温热水机组和多用途机组;冷(热)风机组采用制冷系统直接制取冷热风,但也可以细分为空调机组和工业流程用热风型机组。表2给出了基于使用侧需求特性的热泵产品分类方法。

表2  根据使用侧需求特性分类

根据热源侧和使用侧的各种分类组合,就可研发出各式各样、数十种热泵产品。但基本形式只有空气-空气热泵、空气-水热泵、水-水热泵、水-空气热泵4种,如果再将热源塔考虑为热源侧的取热设备,则还有热源塔-水型机组和热源塔-空气型机组两种类型。实际上,由于技术水平、经济性等限制,部分处于研发过程中的或产量较小热泵产品,并没有制定其相应产品标准,例如,超低环温空气源热泵。

2  热泵标准体系现状

自20世纪80年代以来,全国冷标委陆续制定、修订了数十项相应的国家或行业标准,至2019年3月,热泵产品标准的数量已经达到28项(不含热泵系统用零部件及安全类基础标准),如表3所示。

热泵产品按照其热泵循环形式可分为蒸汽压缩式热泵(包含电驱动热泵EHP和燃气热能转换为机械能驱动的空调(热泵)机组GHP)和由热能直接驱动的吸收式热泵两大类,目前的热泵产品主要是蒸汽压缩式热泵。由表3可见,热泵产品标准主要是按照使用侧的需求特性即冷热介质类型和用途进行分类、命名、编制的。如:冷水(热泵)机组、单元式空气调节机、多联式空调(热泵)机机组、热泵热水机等;也有同时反映热源侧和使用侧特性的产品,如低环温空气源热泵(冷水)机组、空气源热泵热风机等。

以使用侧的用途作为分类准则的产品有冷热水机组、冷热风机组、生活或工业热水机组、多功能热泵等。其中,每类热泵还根据热源特征和用途进一步分出小类,以冷热水机组为例,GB/T 18430用来评价以标准水源为热源和以普通空气为热源的冷水(热泵)机组,GB/T 25127用来评价以低环境温度空气为热源的热泵(冷水)机组,JB/T 12323则主要评价蒸发冷却式热源采集装置冷水(热泵)机组性能,JB/T 12839用来评价一体化机组(含冷却塔、蒸发冷却式、风冷式、地源式等),JB/T 13515则评价带全热回收的容积式冷水(热泵)机组。

由此可见,目前标准涵盖了市场绝大部分热泵产品,也有较为清晰的制定规则和命名依据。但是,由于历史发展的原因及热泵产品类型众多,或多或少存在标准名称相似、适用范围存在交叉的现象;同一类型热泵产品的评价工况、指标也存在不一致的问题,导致新产品研发时缺乏明确的标准指导。因此,下面将从产品的设计或评价工况、性能指标、“标准族”与“元标准”3个方面阐述未来热泵标准体系建设和完善的基本思路。

表3  现行有效的热泵产品标准

3  热泵标准体系建设与完善的基本思路

3.1  热泵产品设计评价工况的统一与完善

制冷热泵设备服务于不同地区、不同类型的建筑或工艺过程,其设计评价工况(名义工况)则至关重要。名义工况主要包括热源侧工况和使用侧工况。

3.1.1  热源侧名义工况

以水为介质的制冷热泵机组,按照其来源主要分为:标准水源、地源和废热源(如污水、工业余热等),由于这些参数受室外工况影响较小,因此按照不同的热源类型,给定制热工况下热源侧名义工况,参见表4。

表4  不同类型热泵的热源侧名义工况

对于空气源热泵机组,先前以7/6 ℃为名义工况研发的普通型以及以-12/-14 ℃为名义工况研发的低环境温度型空气源热泵,不能完全满足我国主要采暖区的空气源热泵系统的应用需求。实际上,根据我国不同地区的气象参数和建筑特征分析表明:应用于我国的空气源热泵的制热性能应进行分区给出其室外名义工况,而其制冷性能则可考虑采用统一的室外名义工况进行设计,由此可将我国空气源热泵按制热划分为制热A区(冬暖夏热-华南)、制热B区(冬冷夏热-长江流域)、制热C区(寒冷-华北)、制热D区(严寒-东北),并分别对应于不同的设计工况。其中,制热A区对应普通型空气源热泵,制热C区对应低环温型空气源热泵。

3.1.2  使用侧名义工况

2018年全国冷标委在主持修订GB/T 25127《低环境温度空气源热泵(冷水)机组》标准时,对制热C区(寒冷地区)公用与住宅建筑的负荷及不同末端类型进行了理论分析和试验验证,对各型末端的热泵热水机组的使用侧出口温度进行标准化,分别规定为50 ℃(适用热水散热器采暖)、41 ℃(适用风机盘管机组采暖)和35 ℃(适用辐射地板采暖)。此外,卫生热水的出水温度标准规定为55 ℃;烘干或其他工业流程用热泵热水机组的出水温度主要取决于应用需求,在标准中确定为不低于70 ℃。对于主要用于建筑空调和供暖用的冷热风型机组而言,则保持现行标准规定的制热回风温度为20 ℃、制冷回风干/湿球温度为27/19 ℃。

表5  不同类型热泵使用侧名义工况

出水温度的高低,对热泵产品的制热量和能效比都具有决定性的影响,实测数据表明,热泵出水温度每升高1 ℃,其能效比降低约1.7%,因此,在提供满足室内基本舒适性需求的供热量条件下,应尽可能降低热泵的出水温度是空气源热泵重要的节能措施,片面追求提高出水温度不仅没有必要,而且会减低热泵供热的节能与环保属性。

3.2  热泵产品性能评价指标的统一与完善

制冷空调热泵性能评价主要包括名义工况评价和季节性能评价。目前,名义工况评价主要采用COP(或EER)指标,而季节性能评价主要采用多点评价方法,采用综合部分负荷性能系数(IPLV)或全年性能系数(APF)指标体系进行评价。在制定GB/T 18837—2002《多联式空调(热泵)机组》标准时,在国际上首创采用了IPLV(C)作为制冷季节性能评价指标;GB/T 7725—2004《房间空气调节器》则率先采用APF季节性能评价指标;此后在GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》制定时,确立了首个适用中国国情的冷水机组的IPLV计算公式。在随后的产品标准制定中,根据产品特点和使用需求,逐渐建立了不同类型产品的季节性能评价指标,例如,GB/T 18430—2007采用了IPLV指标,GB 17738—2010单元式空气调节机采用了APF指标对不同类型产品进行季节性能评价。

从季节性能评价指标在我国主要规范的使用情况可以发现,目前水冷机组基本采用IPLV指标体系,风冷机组(如:单元式、风管式、多联式空调热泵机组)采用APF指标体系,但受当时对产品特性认识和国际国标体系的限制,此前制定的一些空气源热泵产品的标准,如《低环温多联式热泵(空调)机组》、《低环温空气源热泵(冷水)机组》以及其他一些产品标准仍然采用IPLV表征产品的季节运行能效,致使同类型热泵产品或相似功能的产品的能效指标数据差异很大,不能直观地比较它们的性能优劣,也给产品的推广应用带来一定的障碍。

用APF与IPLV指标评价热泵产品的季节运行性能,都需要以建筑负荷模型、机组运行时的外温发生小时数分布模型以及设备性能模型为基础,测试多组部分负荷工况下的机组制冷(热)量、耗电量,并计算出制冷季、制热季或全年的季节能效比,目的是在给定负荷分布和环境工况条件下热泵产品的平均能效比,以衡量其全工况性能。

然而,无论制冷还是制热工况,采用空气换热器的热泵机组的性能受室外工况尤其是室外干球温度的影响显著;而采用冷却水排热的冷水机组的性能则受室外干球温度的影响较小。例如,采用冷却塔制取冷却水的冷水机组,其性能主要取决于冷却塔出口温度(也就是机组的冷却水进水温度),主要受到室外环境的湿球温度与冷却塔性能的影响,而环境湿球温度与干球温度的关联性并不明显;再如在土壤源热泵系统中,机组夏季的制冷性能主要取决于地埋管的回水温度(也就是机组的冷却水进水温度),与室外干球温度的关系更小。图1是通过TRNSYS模拟给出的上海市夏季典型日干球温度、湿球温度及典型冷却塔出水温度、地埋管回水温度之间的关系。可以看到,1天内室外干球温度在26~32 ℃之间波动,而湿球温度和冷却塔出水温度的波动范围都小于2 ℃,地埋管回水温度波动范围小于1 ℃。

图1  上海市夏季典型日干/湿球温度及典型

冷却塔、地埋管出水温度分布由于APF指标通常以1 ℃划分室外温度发生区间,利用空调运行时间和室外气象参数,清晰、明确地获得室外温度发生小时数,能够充分反映室外干球温度对机组性能的影响;而IPLV指标利用不同工况点下的COP进行加权求和,对室外温度发生区间不敏感,而主要取决于冷却水的进水温度。因而,空气源热泵产品采用APF作为季节性能评价指标,而水源热泵机组采用IPLV作为其季节性能评价指标更能反映其实际运行状态。

截止到2019年3月,已有多部空气源热泵产品的标准完成了修订,均采用APF作为季节性能评价指标。因此,在现行的热泵标准体系中,已基本实现了空气源热泵机组向APF、水源热泵机组向IPLV的季节性能评价指标体系的一致性转型。

3.3  热泵产品的“标准族”与“元标准”

现行热泵标准存在有关系复杂、相似度高等不足,故需厘清这些标准的异同和关联性,建立“标准族”和“元标准”体系,以更为清晰地评价产品性能,指导产品的设计、制造、安装及维护。

所谓标准族是指将具有相同或相似使用侧特性或应用特殊热源的热泵划分为一个大类,这些产品的对应标准就构成了这一大类的“标准族”,而反映一个“标准族”的共同特征的标准则为该大类产品标准(“标准族”)的“元标准”(或“母标准”),它以一种典型产品的标准定义型的标准呈现。

“元标准”至关重要,是一个标准族中的指导性标准,在该标准中提出的术语体系、产品定义、分类体系、性能参数、测试方法等,为“标准族”的后续各种变型及拓展型产品标准所采纳引用,因此,在制修订时需重点研究;而“标准族”中其他产品的标准则只需规定其特殊要求和相关性能指标等内容。

“元标准”可以分得较粗,也可以分得较细,但都需结合现行标准体系逐渐建立,以保证标准体系的延续性。根据我们现行标准体系,可以根据使用侧的需求特性将热泵产品的“标准族”或“元标准”的数量控制在6个左右,如:冷热风机组、冷热水机组、专用热水机组、水地源热泵、多功能热泵、吸收式热泵,表6 给出了我国空调热泵标准体系可实施的“标准族”的类别特性及“元标准”名称。

表6  各“标准族”的类别特性及“元标准”

以冷(热)水机组为例,凡是为使用侧制取空调用冷(热)水的所有制冷热泵产品都属于冷热水机组的“标准族”,如GB/T 25127《低环境温度空气源热泵(冷水)机组》、JB/T 12323《蒸气压缩循环蒸发冷却式冷水(热泵)机组》、JB/T 12325《高出水温度冷水机组》,其“元标准”采用GB/T 18430.1《蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组·第1部分工业或商业和类似用途的冷水(热泵)机组》,故需在GB/T 18430.1标准中规定冷热水机组的术语体系、产品定义、性能参数、测试方法,而下属“标准族”的具体产品标准只需规定与热源侧特性和功能相关的条文、参数和要求即可,其他部分直接引用GB/T 18430.1规定的相关内容。

4  热泵产品标准体系的发展方向

全国冷标委在建立和完善热泵产品标准体系的同时,迫切需要根据热泵产品的应用需求,拓展标准体系的范围,并注重方法类标准的研发,以确保使用需求和节能降耗效果。今后将推进以下6个方面的研发工作:

1) 落实热泵可再生能源利用率的标准化。如何高效低污染的利用以煤炭为主的化石能源,加强低品位可再生能源的利用是国家的重大战略需求,热泵技术可以在高效地开发利用可再生能源、实现节能减排过程中发挥重要作用,但这个作用缺失量化的评价,有必要迅速填补这一项标准的空缺,利于热泵这项节能技术的进一步推广。相关《热泵产品可再生能源利用量的计算方法》国家标准立项正在申报中。

2) 制定或修订不同出水温度热泵机组相适应的空调系统末端产品标准,如JB/T《空调系统用辐射换热器》、JB/T《低进水温度风机盘管机组》、JB/T《热泵采暖系统用低进水温度散热器》。

3) 推动严寒地区用(即名义工况干球温度低于-20 ℃)超低环境空气源热泵产品标准的研发。

4) 随着制冷空调行业对环境保护的重视,需要对热泵产品的环境友好性评价开展研究,完善其环境友好性能的评价体系。

5) 为了热泵的推广应用,重点解决解决其可靠性问题,故需开展热泵可靠性评价办法研究,建立热泵的可靠性评价体系。

6) 针对为居住条件提供舒适人工环境的热泵产品,需建立其舒适性评价体系,特别需要研究热泵热风机组的舒适性评价方法,为此类热泵的推广应用提供技术保障。

5  结束语

全国冷标委在推动建设和完善热泵标准体系中发挥了重要作用,为了厘清不同热泵产品标准的关系,根据热泵分类情况,结合现行各项标准及其制定背景,阐明了标准体系现状和热泵标准体系完善的方向及发展预期。其中,热泵标准体系建设和完善方向主要如下。

1)热泵产品名义工况的统一与完善。对于热源侧为水和空气的装置,分别规定了不同类型和气候区域的设计评价工况,其中水源机组分为标准水源、地表水、地埋管等,空气源热泵分为制热A区型~制热D区型;对于用户侧为水和空气的装置,分别规定了不同末端的出水温度/回风温度。

2)热泵性能评价体系的统一与完善。空气源热泵将采用APF作为其季节性能评价指标,而水源热泵机组则采用IPLV作为季节性能评价指标。

3)逐步完善各类热泵产品的“元标准”及其“标准族”。具有相同或相似使用侧特性或者是应用特殊热源的热泵划分为“标准族”,以该“标准族”中的一种典型产品的标准,通过定义型标准方式构建该“族标准”的“元标准”。今后需重点研发完善“元标准”的术语体系、分类体系、性能评价与测试方法,以便“标准族”中各标准直接采纳引用。


(本文选自《制冷与空调》2019年5月刊,作者:张明圣  石文星  马金平  张秀平  王汝金;未经许可,不得转载)


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