缓冲水箱容量对低环境温度下空气源热泵机组性能的影响

在某公司8820kW低温空气源热泵（冷水）机组性能检测实验室中进行实验，通过对我国北方农村地区空气源热泵使用情况的调研及目前设备市场份额的调查可知，目前使用最多的机型为3675kW机组，2205kW次之；缓冲水箱容量最大的为100L，占比达到40%；农宅2/3用户使用的是连续运行模式，约1/3用户采用间歇运行模式，为满足不同使用需求，间歇运行多分为仅夜间运行和仅白天运行2种。

本实验所测试机组型号为NE-C3BZ-B2/C和NE-C5BZ-B2/C，额定制热量分别为5.45kW、9.30kW，额定供暖COP分别为2.33、2.25，额定水流量分别为1.29 m ³ /h、2.15 m ³ /h；实验所选用水箱为家用分体式水箱圆桶系列，水箱容量分别为100L、150L。

本实验主要测试仪器见表1。

本次实测总计进行25个工况测试（见表2，均为稳定环境温度工况）。

根据GB/T 25127.2-2010《低环境温度空气源热泵（冷水）机组第2部分：户用及类似用途的热泵（冷水）机组》名义工况的要求，供暖工况环境温度要求为-12℃，由此设置该工况。所有实验工况均控制出水温度为41℃；工况稳定的标准参照GB/T 25127.2-2010中要求的室外侧干湿球温度控制在±1℃内，出水温度控制在±0.3℃内。

在冬季供热情况下，增设缓冲水箱及水箱容量不同均会导致系统水容量的改变，从而影响机组进水温度，因此机组的制热量、COP等运行性能参数都将受到影响。热水型空气源热泵运行性能除受到缓冲水箱容量的影响外，还受到室外侧环境温度和机组运行模式的影响。

?? ①缓冲水箱容量对机组运行性能的影响

本节重点分析低环境温度工况下缓冲水箱容量对连续运行模式下机组运行性能的影响，环境温度选取北方地区典型环境温度-6℃，室外相对湿度为60%。

1）制热量

机组制热量为：

Q=cρV（ t _g -t _h ）      (1)

式中Q为热泵机组制热量，kW；c为循环水的比热容，kJ/（kg·℃）；ρ为循环水的密度，kg/ m ³ ；V为循环水的流量， m ³ /s； t _g 为制热侧出水温度，℃； t _h 为热侧进水温度，℃。

图1显示了-6℃环境温度下不同水箱配比机组制热量。可以看出：相同环境温度工况下，2205kW、3675kW机组都呈现了相同的规律，增设缓冲水箱，水箱容量增大，机组进水温度提高，制热量减小，这与理论相符；对于3675kW机组而言，在-6℃环境温度工况下，增设100L、150L缓冲水箱，制热量分别减小1.11kW、1.18kW，较直供形式分别减小9.6%、10.2%；对于2205kW机组而言，增设100L缓冲水箱，制热量减小0.45kW，较直供形式减小6.3%。

图1 -6℃环境温度下不同水箱配比机组制热量

可见，增设水箱对机组制热量会有较大影响 ，增 设2种容量的水箱，制热量均会减小，并且150L较100L，制热量减小的幅度更大。 因此对于热需求较大的地区，需要对增设水箱后的制热量重新进行核算，以满足供暖需求 。

2）COP

图2显示-6℃环境温度下不同水箱配比机组COP。能看出：相同环境温度工况下，2205kW、3675kW机组都呈现出相同的规律：增设缓冲水箱，COP减小。这是由于系统水容量增大，机组进水温度提高，机组制热量减小，消耗功率基本不变，与理论相符；对3675kW机组而言，在-6℃环境温度工况下，增设100L、150L缓冲水箱，COP分别下降0.26、0.27，较直供形式分别下降9.5%、9.9%；对2205kW机组而言，增设100L缓冲水箱，COP下降0.18，较直供形式下降7.0%。

图2 -6℃环境温度下不同水箱配比机组COP

可见，增设水箱对机组COP会有较大影响，增设2种容量的水箱，COP均会下降，并且150L较100L，机组COP下降的幅度更大。

综上可见，增设水箱较直供形式而言，热泵机组制热量、COP均会产生衰减；并且150L较100L衰减情况更严重，水箱容量越大，衰减越明显。因此，对于衰减较大的使用工况可以考虑采用直供形式以提高经济性及供暖舒适性，制热量和COP较优。

?? ② 环境温度对运行性能的影响

本节重点分析机组采用直供形式、连续运行模式下，环境温度对运行性能的影响，环境温度为4、0、-2、-6、-12℃。

1）制热量

室外侧环境温度变化会影响机组的制热量，这是由于室外侧环境温度变化，机组蒸发温度将发生变化，最终影响机组制热量。图3显示了直供形式下不同环境温度工况机组制热量。可以看出：不同环境温度工况下，2205kW、3675kW机组都呈现了相同的规律，环境温度上升，蒸发温度上升、机组制热量增大，这与理论相符：对于3675kW机组而言，在环境温度从-12℃升至4℃工况下，机组制热量增大4.16kW；对于2205kW机组而言，机组制热量增大1.67kW。

图3 直供形式下不同环境温度工况机组制热量

因此，无论2205kW还是3675kW机组，随着环境温度上升，机组制热量都会逐步增大，所测试的温度区间内3675kW机组制热量增大较为明显。

2）COP

室外侧环境温度变化会影响机组的COP，这是由于室外侧环境温度变化，机组蒸发温度将发生变化，最终影响机组COP。图4显示了直供形式下不同环境温度工况机组COP。可以看出：不同环境温度工况下，2205kW、3675kW机组都呈现相同的规律，环境温度上升，蒸发温度上升，机组COP提高，这与理论相符：对于3675kW机组而言，环境温度从-12℃升至4℃工况，COP提高0.79；对于2205kW机组而言，COP提高0.93。

 图4 直供形式下不同环境温度工况机组COP

根据GB/T 25127.2-2010性能参数表中规定的名义工况制热COP不应低于2.1，2205kW及3675kW机组名义工况-12℃下均满足国标的要求。通过分析COP与环境温度的关系可知，随着环境温度上升，机组COP都会逐步提高，所测试的温度区间内2205kW机组COP提高较为明显；随着环境温度上升，2205kW、3675kW机组COP差距逐渐减小，环境温度较低时的COP差距较大，高于0℃后的温度区间内，COP逐渐趋近。

??③ 不同水箱容量配比下运行模式对机组运行性能的影响

1）制热量

不同使用需求的用户采用不同的运行模式，由于全天运行时间段及运行时间长短不一致，机组的性能会有较大差别。对于间歇运行需求的用户而言，选择白天开启和夜间开启，机组的性能会受到环境温度的影响，白天的环境温度高于夜间，机组蒸发温度较高，不同地区的室外环境温度工况会影响机组的蒸发温度，而制热侧进水温度则会受到供暖系统是否增设缓冲水箱及水箱容量的影响，这是由于系统水容量的改变会影响循环管路的水温，继而影响机组的进水温度，最后这二者会通过影响机组的制热量及COP，影响到住户的整体使用效果和机组运行性能及经济性。因此，本节针对占比较大的3675kW热水型空气源热泵机组，在增设水箱的情况下，对其不同运行模式的相关影响进行分析。

图5显示了不同运行模式下的制热量。可以看出，间歇运行模式2下制热量均最大，连续运行模式次之，间歇运行模式1制热量最小。可见间歇运行模式2是室内舒适效果较优的运行模式。

 图5 不同运行模式下制热量

此外，对于这两类地区而言，采用直供形式的制热量均最大，增设水箱后都会产生骤降，而对于增设100L或150L缓冲水箱，制热量的差别则是相对较小的，增设缓冲水箱对A类地区间歇运行模式1的影响最大，制热量分别下降9.6%、10.2%。A类地区较B类地区而言，3种运行模式的制热量差距相对较大。

2）COP

图6显示了不同运行模式下的COP。可以看出，对于A类和B类地区，间歇运行模式2下COP均最高，连续运行模式次之，间歇运行模式1下COP最低。可见间歇运行模式2是经济性较优的运行模式。

图6 不同运行模式下COP

增设缓冲水箱对A类地区间歇运行模式1的影响最大，COP分别下降9.5%、9.9%。A类地区相较B类地区而言，增设缓冲水箱后，3种运行模式下COP的差别相对较大；B类地区采用3675kW配150L缓冲水箱形式，3种运行模式下COP基本一致。