(特)0806025低环境温度空气源热泵(冷水)机组IPLV(H)评价方法的研究

1低环境温度空气源热泵（冷水）机组的IPLV(H)评价方法研究王嘉1,谢峤2,石文星1,张乐平2（1清华大学建筑学院,2同方人工环境有限公司）摘要：低环境温度空气源热泵机组产品已逐渐成为我国北方寒冷地区重要的供热设备，迫切需要为其建立一套科学合理的国家标准。本文针对标准中的制热综合部分负荷性能系数IPLV(H)评价方法，从IPLV(H)计算公式权重系数的确定、部分负荷率测试工况点的选取及制热性能系数COPh的测试方法三个方面进行研究，提出具体建议方案，为商用和户用低环境温度空气源热泵（冷水）机组的标准制定提供参考。关键词：低环境温度空气源热泵；标准；制热性能系数COPh；制热综合部分负荷性能系数ResearchonIPLV(H)forLowEnvironmentTemperatureAirSourceHeatPump(WaterChilling)PackagesWANGJia1,XIEQiao2,SHIWenxing1andZHANGLeping2(1SchoolofArchitecture,TsinghuaUniversity,2TongfangArtificialEnvironmentCO.LTD)Abstract:LowenvironmenttemperatureairsourceheatpumppackagesarebecomingimportantheatingservicesinthecoldareaofNorthChina;thereforeitisnecessarytoestablishareasonablenationalstandardfortheindustry.Inthispaper,theevaluationofheatingintegratedpartloadvalue(IPLV(H))isresearchedfromthreeaspects:thecalculationofweightcoefficientsintheequation,thetestconditionofthepartloadratio,andthetestmethodofheatingCOP(COPh)ineachloadratio.Discussionsandsuggestionsarebroughtforwardasreferencesfortheestablishingstandardonlowenvironmenttemperatureairsourceheatpumpsforcommercialandresidentialapplication.KeyWords:LowEnvironmentTemperatureAirSourceHeatPump(LET-ASHP);Standard;HeatingCOP(COPh);HeatingIntegratedPartLoadValue(IPLV(H))1.引言在供冷、供热季的大部分时间内，建筑物的实际冷、热负荷小于设计工况，故空调热泵设备也多数时间在部分负荷率下运行。为鼓励企业采用变容量技术，优化空调机组的部分负荷性能，国际上众多产品标准和建筑节能标准中均采用综合部分负荷性能系数IPLV(IntegratedPartLoadValue)来评价冷水机组的季节运行性能[1]。IPLV的概念最早是由美国空调制冷学会(ARI)提出的。在ARI550/590-92标准中规定了IPLV的计算公式[2]，并在ARI550/590-98标准中给予了修正[3]。IPLV的计算公式定义为：IPLV=a×A+b×B+c×C+d×D(1)其中，A、B、C、D分别表示机组在负荷率BLR（表示机组的实际制冷/热量与名义制冷/热量之比）分别为100%、75%、50%和25%时的性能系数COP，a、b、c、d分别表示各COP对应的权重系数，对应于机组在4种负荷率工况下运行的总供冷（热）量的比例。为区分制冷与制热运行工况，分别以IPLV(C)和IPLV(H)表示机组制冷与制热运行的综合部分负荷性能系数。近年来，适用于我国北方寒冷地区的低环境温度空气源热泵技术得到迅速发展，低环境2温度空气源热泵（冷水）机组（简称低温热泵）已逐渐成为这些地区重要的空调冷热源设备，迫切需要建立其产品标准，从而为企业的产品开发、性能检测提供统一的测试条件与能效目标，以促进行业健康规范发展，缩小与国际先进水平的差距。为保证产品标准体系的延续性和系统性，低温热泵的供热季节性能评价宜采用IPLV(H)作为其评价指标。在根据我国实际情况制定的GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》中[4]，提出了适合我国建筑与气候特征的冷水机组IPLV(C)计算公式，此后被新修订的GB18430.1《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组》所引用[5]。然而，用IPLV(H)作为热泵设备制热运行季节性能评价指标的标准只有GB/T18837-2002《多联式空调（热泵）机组》[6]，由于产品类型和适用温度范围的差异不宜为低温热泵标准直接引用。在此背景下，本文基于IPLV评价思想对低温热泵IPLV(H)评价方法进行研究，从IPLV(H)计算公式权重系数的取值、部分负荷率测试工况点的选取及其制热性能系数COPh的测试方法三个方面进行探讨。2.IPLV的评价思想文献[5]对冷水机组的IPLV给出了明确的定义：“指用一个单一数值表示的空气调节用冷水机组的部分负荷效率指标”，它是通过对有限个典型负荷率与运行工况条件下机组的实测性能系数和运行在该负荷率下的时间分布得到的。由此可见，IPLV是评价单台机组在一个供冷季或供热季的综合运行性能，采用该指标评价产品性能，有利于推进冷水（热泵）机组企业采用各种变容量调节技术，改善机组的部分负荷特性，促进行业技术进步并加快节能减排步伐。目前，各国对冷水机组的IPLV(C)已有比较成熟的研究成果，如文献[3,7-11]，其中ARI标准具有代表性，体现了IPLV的评价思想。（1）各温频段耗冷（热）量分布根据ASHRAE温频法思想，考察参考地域位于第j温频段的供冷小时数nj，参见图1(a)；其标准建筑在第j温频段的冷（热）负荷BLj与设计负荷DL、负荷率BLRj[如图1(b)所示]的关系为：BLj=DL·BLRj(2)在整个供冷（热）季的第j温频段中，冷水（热泵）机组需向建筑提供的冷（热）量为：Фj=BLj·nj=DL·BLRj·nj(3)因此，供冷（热）量与设计负荷之比为：Фj/DL=BLRj·nj(4)各温频段的Фj/DL计算结果如图1(c)所示，由此可以得到建筑在各温频段的供冷（热）量的分布情况。（2）各负荷率下性能系数的权重系数根据公式（1）可知，选择BLR=100%、75%、50%和25%共4个负荷率及其工况条件对机组的性能系数进行测量，以代表满负荷率、高负荷率、低负荷率和最低负荷率区间内0200400600800100036.428.119.711.43.1-5.3-13.6室外干球温度(℃)小时数(h)（a）各温频段的供冷小时数分布0%20%40%60%80%100%36.428.119.711.43.1-5.3-13.6室外干球温度(℃)负荷率（b）各温频段的建筑冷负荷率分布010020030040050060036.430.825.319.714.28.63.1-2.5-8.1-13.6室外干球温度(℃)供冷量/设计冷负荷(kWh/kW)ABCD（c）各温频段的供冷量分布图1ARI标准中IPLV(C)推导过程3的平均性能系数，并进一步考察运行于这4个区间下的制冷（热）量分布，从而获得公式（1）中各负荷率下性能系数A、B、C、D的权重系数a、b、c、d。根据典型建筑的4个负荷率对应的室外温度温频段的关系，划分这4个区间对应的温频段分布，频段数的选取有人为规定的因素。权重系数a、b、c、d的取值方法如下：kjjjkjjjkjjkjjnBLRnBLRDLDLa111111//,kjjjkkjjjnBLRnBLRb1121,kjjjkkjjjnBLRnBLRc1132,kjjjkkjjjnBLRnBLRd113(5)式中，j=1~k1、j=k1+1~k2、j=k2+1~k3、j=k3+1~k∞分别表示4种负荷率所对应的温频段；j=1~k∞表示全部温频段，从公式(5)可以看出，a＋b＋c＋d=1。（3）计算冷水（热泵）机组的IPLV规定出4个负荷率的测试工况后，对冷水（热泵）机组的性能系数A、B、C、D进行测试，利用所得到的权重系数a、b、c、d即可按公式（1）计算出机组的IPLV，以此来比较各种产品季节运行性能的优劣。3.低温热泵IPLV(H)评价方法从IPLV的评价思想可以看出：确立低温热泵机组的IPLV(H)评价方法需要从室外气象条件、典型建筑的热负荷分布和供热方式（连续或间歇）出发，研究三个问题：（1）确定权重系数a、b、c、d的取值；（2）确定机组在100%、75%、50%和25%负荷率时的测试工况；（3）提出各负荷率下机组制热性能系数COPh的测试方法。下面对此进行探讨。3.1IPLV(H)权重系数的取值分析（1）寒冷地区典型建筑的热负荷特性借鉴现有国内外标准对负荷线的定义方法，在平均室内发热量条件下，可以认为建筑室内负荷与室外温度呈线性关系（由于冬季室内外温差大以及热流的单向流动，冬季采用稳态、线性的计算方法与夏季冷负荷计算相比更为合理）。故只要给定负荷线上的两个点即可确定出典型建筑的负荷线，这两个点可以选取低温热泵的名义制热工况点（即以机组的满负荷点作为设备选型的设计点）和0负荷点。文献[12]通过对低温热泵主要应用的寒冷地区各主要城市气象参数统计分析，给出了名义制热工况的空气侧参数即干/湿球温度为–12/–13.5℃，因此认为外温-12℃时的建筑负荷为设计负荷点（等于低温热泵的名义制热量）。文献[13]详细探讨了建筑供热0负荷点的室外温度取值。研究表明，典型建筑对冷、热量的需求可以采用自然室温（当建筑中没有采暖、空调系统运行时，在室外气象条件和室内发热量的联合作用下所形成的室内空气温度）是否在室内舒适温度范围作为判据；中国人满意的室内舒适温度范围是18～26℃[13]。考虑到低温热泵多数情况应用于普通公共建筑，故以此类建筑为对象进行动态负荷模拟，考察需要开始供热的室外日平均温度。计算结果表明：寒冷地区普通公建开始需要制热的最高室外日平均气温约为10℃，为保证供热安全，认为开始供热的逐时外温比日平均外温高3℃。本文考察了寒冷地区主要城市在法定供热季的典型气象年逐时参数[14]，统计出不高于13℃的小时数所占比例（如表1所示），可见绝大多数城市的供热季中高于13℃的小时数比例不足4%，说明采用13℃为供100%92%84%76%68%60%52%44%36%28%20%12%4%0%20%40%60%80%100%-12-10-8-6-4-2024681012室外干球温度（℃）热负荷率图2各温频段的建筑热负荷率分布4热0负荷点对于各类建筑均具有普适性。表1寒冷地区主要城市供热季中≤13℃的小时数比例城市北京天津石家庄济南太原西安郑州兰州不高于13℃小时数比例97.2%98.6%96.7%93.0%97.7%97.5%98.3%96.6%确定了设计负荷点和0负荷点的室外温度后即可得到建筑负荷线。按照我国习惯，采用2℃划分温频间隔进行数据整理（文献[15]论述了开始供热的室外温度在10℃以上时，采用2℃间隔已足够满足计算精度要求），得到的各温频段室外温度对应的建筑负荷率关系，如图2所示。（2）供热季气象参数的温频段分析从地理位置、气候特征、建设水平等情况综合考虑，选用北京作为低温热泵标准IPLV(H)评价的基准城市比较适宜。虽然目前尚无已采用热泵供热建筑的作息时间表统计，但从供热安全性考虑，认为低温热泵应在整个供热季连续运行，因此本文对北京地区全供热季气象数据进行统计。按照温频法形式，以2℃间隔划分出北京整个供热季的室