热泵季节性能系数的研究

马一太　代宝民

(中低温热能高效利用教育部重点实验室 热能研究所 天津大学机械工程学院　天津　300072)



热泵季节性能系数的研究

马一太代宝民

(中低温热能高效利用教育部重点实验室 热能研究所 天津大学机械工程学院天津300072)

热泵是开发可再生能源的机械。它通过使用一份电能或机械能，获得数倍的可再生能源，是重要的节能技术和环保技术。本文重点研究热泵的季节性能系数。由于环境温度的变化或供热负荷的变化，热泵的瞬时特性可能变化，其季节性能系数的分析有重要的理论意义和实用价值。文中建议把热泵可再生能源贡献率的计算方法作为国家标准，以促进我国热泵制造产业发展，大力推广热泵节能技术。

热泵；一次能源利用率；SPF；SEER；SHPF；IPLV；IEER；SCOP

我们提出热泵是可再生能源的开发技术这一命题，是希望把热泵开发的可再生能源计入国家的能源统计之中。在相关文献中，这种可再生能源的计算，有欧盟和我国的两种计算公式：

欧盟的公式：

(1)

式中：Qusable为热泵输出的总热量，GWh；ERES为热泵开采的可再生能量，GWh；SPF为热泵的季节性能系数(seasonal performance factor)。

我国的计算公式：

(2)

式中：ηcoal.trans为煤炭运输效率；ηboiler为锅炉效率；ηpow为热电厂效率；ηnet为输电效率。

热泵的输出热量：

Qusable=HHP×Prated

(3)

式中：HHP为等效满负荷运行小时数，h；Prated为热泵的装机容量，GW。

在(1)、(2)两个公式中都有热泵的季节性能系数SPF，这个值如何得到，就是统计热泵可再生能源开采量的关键，本文将重点分析SPF的由来。

本文将研究范围限定为用于房间采暖的热泵系统，设想在采暖期，热泵工作时间是连续的。而用于专门生产生活热水的热泵系统，其工作时间可能很不连续，这并不影响热泵开发可再生能源，计算公式基本一致，只是总供热量需要如实累加，可单独进行分析。

1 热泵的季节性能系数

热泵的季节性能系数是指在采暖季节得到的总热量与消耗的总电能之比。从测量的角度，可以将热泵系统全季节的供热量和消耗电量都测量出来。作为产品的性能，也可通过检测若干工况点进行计算。当然，对于任何热泵系统，在现场都可以配备一定精度的温度、流量和电能仪表进行测量，这些数据不难得到。

从原理上看似简单的季节性能系数，由于空调和热泵的发展历史、产品的容量不同、热源不同有着很多变化。热泵作为一个总的名称，从容量上有大小之分，从热源上，分为空气源热泵和水源热泵两大类。不同国家、不同厂商或不同制定标准的机构在定义或分析热泵的性能系数时，有着不同的概念。

总的来看，对于容量较小的房间空调器和单元式空调机，通常采用制冷季节能效比SEER(seasonal energy efficiency ratio)和制热季节性能系数SHPF(seasonal heating performance factor)的概念，而容量较大的多联机和冷水机组，通常用综合部分负荷值IPLV(integrated part load value)的概念。虽然名称不同，但本质上都是对设备在一个运行季节的综合性能进行评价的指标。表1给出了我国现行制冷与热泵产品相关标准中能源效率指标的使用情况。

表1 现行相关产品标准中的能源效率指标

虽然在房间空调器和单元式空调机的产品标准中有在热泵工况下对COP的要求，但目前在能效标准中没有相关具体的规定。在下面的分析中，我们重点分析SEER和IPLV两个指标，这些分析的原理同样适用于SHPF和IPLV(H)。

1.1 房间空调器的季节性能系数

以前对于定频的空气源热泵，一开始是按定工况测试其性能系数，夏季的制冷系数和冬季的制热系数，分别为EER和COP。设备在使用过程中大多数时间并不是处于出厂检测的标准工况。由于环境温度的变动，用户负荷的变动，装置的EER或COP可能随时间而改变。人们希望设备在规定的温度范围内或负荷变化的范围内，仍处于最好的用能效率，为此，导出了制冷季节能效比SEER和制热季节性能系数SHPF：

(4)

(5)

式中：CSTL为制冷季节总负荷(cooling seasonal total load)，kJ；CSTE为制冷季节耗电量(cooling seasonal total energy)，kJ；HSTL为制热季节总负荷(heating seasonal total load)，kJ；CSTE为制冷季节耗电量(heating seasonal total energy)，kJ。

在标准中对这两个参数的测试，一般是以表格或曲线形式规定一个变化的环境温度，在名义工况和多个部分负荷工况下测量并计算。

对于空气源热泵来说，SEER的公式与SHPF的公式有所不同，主要是当室外空气在一定湿度，温度(例如在0 ℃附近)时，需要除霜，要多消耗能量。文献[6]研究了在结霜工况下的空气源热泵的季节性能，在定频条件下，不同城市因不同的气候条件，得到不同的SHPF数据。当出现了转速可控的空调器，即变频空调以后，SEER和SHPF就显得非常重要。

由于热泵装置是在两个季节运行，为了考核其综合性能，又有全年性能系数(annual performance factor)的计算公式，它是全年的冷量和热量之和比上全年用电量之和：

(6)

或用:

APF=A×SEER+B×SHPF

(6′)

式中:A和B是按制冷和热泵的工作小时数得出的加权系数，A+B=1。

除非制冷装置的驱动能源是可再生能源(如太阳能驱动空调系统、太阳能驱动冰箱等)，一般制冷系统不计入可再生能源，所以本文不涉及上述APF计算。

1.2 冷水机组、单元式空调机和多联机的季节性能系数

对于冷水机组、单元式空调机和多联机，为了表示当环境温度变化时部分负荷下的用能效率，我国引用了美国的IPLV(integrated part load value)，即综合部分负荷系数，并规定冷水机组的IPLV为：

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D

(7)

式中:A，B，C和D分别为100%，75%，50%和25%负荷时的能效比EER。分别对应机组在负荷为100%～97%、97%～62.5%、62.5%～32.5%、32.5%～0%的运行时间。

我们知道，在冷水机组IPLV公式中的4个百分比，不同国家是不一样的，来自不同城市的机组运行数据的平均统计值。

表2 各国采用IPLV的系数[7-10]

在美国标准ARI340/360—1989 Commercial and Industrial Unitary Air-Conditioning and Heat Pump Equipment(商业和工业用单元式空调及热泵设备)[11]对单元式空调机IPLV的计算公式是不同的，也包括多联机的IPLV公式：

(PLF4)(EER4)

(8)

多联机在冬季也有制热工况下的IPLV，公式与式(8)类似。式中，PLF是部分负荷系数，该系数由图1中曲线得到，并有以下关系式：

PLF=A0+(A1×Q)+(A2×Q2)+(A3×Q3)

+(A4×Q4)+(A5×Q5)+(A6×Q6)

(9)

式中：PLF为部分负荷系数；Q为在部分负荷条件下的满负荷百分比；

A0=-0.12773917×10-6；

A1=-0.27648713×10-3；

A2= 0.50672449×10-3；

A3=-0.25666636×10-4；

A4= 0.69875354×10-6；

A5=-0.76859712×10-8；

A6= 0.28918272×10-10。

图1 IPLV中的部分负荷系数Fig. 1 Part load factors in IPLV

需要注意的是，对于单元式空调机和热泵机组，美国标准ANSI/AHRI340/360-2007PerformanceRatingofCommercialandIndustrialUnitaryAir-ConditioningandHeatPumpEquipment(商业和工业用单元式空调及热泵设备性能等级标准)[12]引入了IEER(integratedenergyefficiencyratio)的概念，称为综合性能系数：

IEER=0.020 A+0.617 B+0.238 C+0.125D

(10)

随着节能减排政策的推广，我国是世界上热泵技术应用最多的国家。但至今我国在制冷、空调的热泵产品标准中对热泵工况下的制热系数的能效标准规定的比较模糊，而在产品的能效标准中，至今没有一个标准对制热系数进行规定，有必要进行深入分析。

产品的能效标准体现在产品标准中(最低能效或称能效限定值)和能效标准中(一般分为3级或5级)。产品标准原则上5年进行一次修订，近年来随着制冷空调产品品种数量的增加，有些产品的标准变化还是比较大的，典型的是GB/T17758《单元式空气调节机》，在1999年版中，要测试EER和COP，且两者在数据上都相等。在2010年版中根据不同的类型测试SEER、APF或IPLV，如表3。

需要注意在GB/T17758—2010《单元式空气调节机》[9]附录B中给出水冷式单元式空调机制冷综合部分负荷性能系数(IPLV)的IPLV公式是：

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D

(11)

与公式(7)是一致的，但是这与公式(8)肯定不一致。从表3可以看出，单元式空调机似乎是处于小型房间空调器到大中型冷水机组之间的过渡，同时有SEER和IPLV两种季节性能系数。

表3 单元式空调机性能系数[9]/(W/W)

2 季节能效比(SEER)与综合部分负荷值(IPLV)的一致性[13]

虽然计算公式和测量方法有所不同，从本质上讲，SEER和IPLV两种性能系数是一致的。这两个公式都是针对制冷工况的，对SHPF和IPLV(H)的分析也是一致的。

在自然界环境温度总是在不断地变化，由于四季和昼夜变化，该温度变化既是有一定规律的，又有很大的随机性。人们利用频谱理论，将温度随绝对时间变化的曲线，转化为温度-小时曲线，这个曲线对于一个地区有相对的稳定性，并可用于分析空调、采暖时的负荷变化，如图2所示。不同地区的温度-小时曲线不同，但都有相似性，即极端(偏高或偏低)温度的小时数较少，即对应满负荷或低负荷下的设备运行小时数较少；平均温度附近的小时数较多，即40%～60%负荷率下，设备运行小时数较多。

如果将图2(c)中的温度小时曲线顺时针旋转90°，就会与美国AIR210/240—2003UnitaryAir-ConditionersandAir-SourceHeatPumpEquipment(单元式空调机及空气源热泵设备)[14]等标准中规定的部分负荷因子曲线(图1)很相近。部分负荷因子曲线经过数学转换，消除了坐标单位，变成了完全无量纲的曲线，但本质上还是温度-小时曲线。这样说来，SEER用6个点、4个点或3个点、还是2个点进行测量和计算，IPLV用4个点进行测量和计算，都是围绕着相似的曲线，用多点加权平均代替积分平均而已。因此，对于SEER和IPLV的计算，在相同的温度-小时曲线下，虽然方式不同，但是其结果不应该有明显差别。图3是AIR550/590—2003StandardforPerformanceRatingOfWater-ChillingPackagesUsingTheVaporCompressionCycle(蒸气压缩循环冷水机组能效等级标准)[15]中给出的小时-温度曲线，完全可构造出图2(c)的温度小时数图，只是表示方法不一样。

图2 环境温度随时间的变化及温度-小时曲线的不同形式Fig. 2 Different types of curve for the variation of ambient temperature with time and temperature-hour

有人认为由于SEER主要是针对风冷空调，IPLV主要是针对冷水机组，两者有不同的历史渊源，用户的建筑物负荷特性不同，使用的时间也不一样，因此，两者不具有可比性。我们很难溯本求源地弄清美国三个标准：空调器的SEER、风冷单元式空调机的IPLV和冷水机组的IPLV，是如何处理标准温度小时数的。有区别的是，房间空调用SEER、单元式空调机和多联机设备用IPLV，因装置容量较小，主要考虑温度-小时数影响的部分负荷系数，其100%负荷或名义负荷的权重比较大；而冷水机组多为大型装置，建筑物的热惯性在负荷变化中也起了关键作用，其100%负荷的权重被压缩了。可以相信的是，因为出自一个国土的气象资料，建筑物虽会产生影响，但不会有本质的差别。在处理我国制冷与热泵产品的SEER或IPLV参数时，我们也是站在中国这片土地上，以中国的典型气候为基础。另一个很明显的依据是，现在有一个趋势，即多联机或风冷热泵机组正在与冷水机组或水源热泵争夺市场。多联机从形式和原理上接近房间空调器或单元空调机，由于可以1拖多(最多可达1拖32)，数千平米、上万平米的建筑物已是多联机的潜在市场。我国标准GB/T18837—2002《多联式空调(热泵)机组》[16]，以及GB21454—2008《多联式空调(热泵)机组能效限定值及能源效率等级》[4]中都以IPLV来测量，说明风冷IPLV、水冷IPLV与房间空调SEER已经走到一个区域里了，它们针对的同一个建筑物，同一个气候条件，自然要有相同的内涵。文献[13]说明一台设备若同时用SEER和IPLV测量，误差小于7%，这是个很好的实例。

图3 AIR550/590—2003中冷吨-温度和小时-温度曲线[15]Fig. 3 Curves of tons-temperature and hour-temperature in AIR550/590—2003[15]

在产品样本上，或标准文本上，无论SEER还是IPLV，都是针对一个设定的“标准”气候条件，比如某一城市，或若干城市的平均值进行测量或计算。如果要计算或统计一台具体的热泵季节性能系数，当然离不开当地的气候条件，即温度-小时数，这是不言自明的。

3 我国热泵性能的标准工作亟待加强

我国的热泵产品品种多数量大，而且应用越来越广泛。但是在产品的相关标准中，对热泵的性能系数，也包括季节性能系数几乎很少涉及，这与我们已经成为的热泵大国极不相称。

在GB/T7725—2004《房间空气调节器》[17]中，规定测量EER和COP，但相关数据要根据GB12021.3—2010《房间空气调节器能源效率限定值及能效等级》[11]，但这个标准中只规定了EER的限定值，对制热系数COP没有能效标准。

上面提及GB/T17758—1999《单元式空气调节机》[18]，规定要测试EER和COP，且两者在数据上都相等，现在已经修改测量目标，与热泵有关的只有APF。

在GB/T18837—2002《多联式空调(热泵)机组》[16]中，规定测量IPLV(C)即制冷综合性能系数和IPLV(H)制热综合性能系数，两者在数据上也是相等的。在GB/T18837—2002中IPLV(C)用美国版的PLF曲线确定公式中的加权系数，特别是标准暗示制冷和热泵的IPLV用一个公式，这方面并没有国外的标准为佐证。在GB21454—2008《多联式空调(热泵)机组能效限定值及能源效率等级》[4]中只规定了IPLV(C)的等级。

总之，标准中关于热泵制热系数COP的规定并不明确。回顾相关的标准，只有GB/T17758—1999《单元式空气调节机》[18]和正在修订的GB/T19409—2013《水(地)源热泵机组》[19]中有APF的规定，而两者的公式并不一致。

在相关标准中对于COP的测量都比较含糊，原因是由于国外标准虽然也重视热泵技术，但大多热泵装置都是以制冷为主，热泵为辅，在国外标准中热泵的COP并不重要。中国标准大多跟随国外的标准，由于缺乏国外标准的参考，也造成中国标准的缺失。

对于有供热功能的热泵机组来说，由于热泵的供水温度比常规空调冷却水温度高，需要有更高的冷凝温度或压缩比，这样对压缩机换热器设计造型都很关键，COP数据的测量很重要。建议我国的制冷与热泵的产品标准和相关能效标准，要加强热泵工况COP的数据的研究。由于我国制冷与热泵产品相关能效标准对于IPLV的公式规定比较粗糙，应该学习美国标准关于IEER的思路和欧盟SPF的思路，制订符合中国国情的热泵季节性能系数的标准和计算方法。

4 我国热泵季节性能系数的定义、测量和公式

关于热泵的季节性能系数，国标上至少有3种不同的公式代号，分别为SHPF、SPF和IPLV(H)。在中国正在和即将推广的热泵技术的应用，必然带来如何表述热泵的季节性能系数的问题，在此我们提出自己的想法的建议。

热泵的COP无论从概念还是从代号上都已经深入人心，我们建议用SCOP(seasonalcoefficientofperformance)表示热泵的季节性能系数，对大小空调装置，无论空气源还是水源热泵，一视同仁。从原理上，SCOP的定义同公式(5):

(12)

在具体测量和计算上，采用如下公式：

SCOP=a×COP100%+b×COP75%+

c×COP50%+d×COP25%

(13)

式中：a、b、c、d 4个加权系数，不同城市或地区因不同气候条件有所不同，具体道理很简单，不多叙述。

5 结论和建议

本文通过回顾房间空调器、单元式空调机、多联机、冷水机组和水源热泵等产品的性能系数以及季节性能系数(SEER、SHPF、IPLV等)，提出我国要加强热泵制热系数以及季节性能系数的研究，以便更好的计算各种热泵的可再生能源贡献量，并且提出用SCOP作为热泵的季节性能系数，并提出了计算公式。

[1]全国能源基础与管理标准化技术委员会合理用电分技术委员会.GB12021.3—2010 房间空气调节器能效限定值及能效等级[S]. 北京: 中国标准出版社， 2010.

[2]全国能源基础与管理标准化技术委员会合理用电分技术委员会.GB19576—2004 单元式空气调节机能效限定值及能源效率等级[S]. 北京: 中国标准出版社， 2004.

[3]全国能源基础与管理标准化技术委员会合理用电分技术委员会.GB19577—2004 冷水机组能效限定值及能源效率等级[S]. 北京: 中国标准出版社， 2004.

[4]全国能源基础与管理标准化技术委员会合理用电分技术委员会.GB21454—2008 多联式空调(热泵)机组能效限定值及能源效率等级[S]. 北京: 中国标准出版社， 2008.

[5]全国能源基础与管理标准化技术委员会合理用电分技术委员会.GB21455—2008转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级[S]. 北京: 中国标准出版社， 2008.

[6]陈轶光, 杨昭, 任勇, 等. 含结霜工况的空气源热泵的季节性能[J]. 工程热物理学报,2009, 30(4): 557-560.(CHENYiguang，YANGZhao,RENYong,etal.Seasonalperformanceofairsourceheatpumpunderthefrostingconditions[J].JournalofEngineeringThermophysics, 2009, 30(4): 557-560.)

[7]全国冷冻空调设备标准化技术委员会(SAC/TC238).GB/T18430.1—2007 蒸气压缩循环冷水(热泵)机组第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组[S].北京:中国标准出版社， 2007.

[8]全国冷冻空调设备标准化技术委员会(SAC/TC238).GB/T18430.2—2008 蒸气压缩循环冷水(热泵)机组第2部分：户用及类似用途的冷水(热泵)机组[S].北京:中国标准出版社， 2008.

[9]国家质检总局(CN-GB).GB/T17758—2010 单元式空气调节机[S].北京:中国标准出版社， 2010.

[10] 胡祥华.综合部分负荷能效值IPLV—真实反映冷水机组部分负荷性能的参数[C]//第十二届全国冷(热)水机组与热泵技术研讨会.烟台：中国制冷协会，2005.

[11]ARI340/360-1989CommercialandIndustrialUnitaryAir-ConditioningandHeatPumpEquipment[S]. 1989.

[12]ANSI/AHRI340/360-2007PerformanceRatingofCommercialandIndustrialUnitaryAir-ConditioningandHeatPumpEquipment[S]. 2007.

[13] 刘圣春, 马一太, 刘秋菊. 季节能效比(SEER)与综合部分负荷值(IPLV)的一致性分析[J]. 制冷与空调， 2008, 8(6): 10-14.(LIUShengchun,MAYitai,LIUQiuju.TheConsistentanalysisaboutSEERandIPLV[J].RefrigerationandAir-conditioning, 2008,8(6):10-14.)

[14]Air-ConditioningandRefrigerationInstitute.ANSI/ARI210/240-2003Unitaryair-conditionersandair-sourceheatpumpequipment[S].2003.

[15]AIR550/590-2003StandardforPerformanceRatingofWater-ChillingPackagesUsingTheVaporCompressionCycle[S].2003.

[16] 全国冷冻设备标准化技术委员会.GB/T18837—2002 多联式空调(热泵)机组[S]. 北京: 中国标准出版社,2002.

[17] 国家质检总局(SBTS).GB/T7725—2004 房间空气调节器[S].北京: 中国标准出版社, 2004.

[18] 国家质检总局(CN-GB).GB/T17758—1999 单元式空气调节机[S]. 北京: 中国标准出版社, 1999.

[19] 中国国家标准化管理委员会.GB/T19409—2013 水(地)源热泵机组国家标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 2013.

Abouttheauthor

MaYitai,professor,directorofThermalEnergyResearchInstitute,SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,+86 022-87401539,E-mail:ytma@tju.edu.cn.Researchfields: 1.Appliedthermodynamics,inversecycle(refrigerationandheatpump)energysavingtechnology; 2.Mixtureandnaturalrefrigerantsenergysavingtechnology; 3.Renewableenergyutilization,includingsolarenergy,geothermalenergy,etal.

Research on Heat Pump Seasonal Performance Factor

Ma YitaiDai Baomin

(Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy, MOE, Thermal Energy Research Institute, School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin, 300072,China)

Heat pump is a machine for renewable energy recovery. Several units of renewable energy can be obtained with the consumption of one unit of electric or mechanical energy. Therefore, heat pump is an important energy saving and environmental protection technology. This paper focuses on the heat pump seasonal performance factor. The transient characteristic of heat pump may change with the variation of ambient temperature or heating capacity. Thus, the research on seasonal performance factor has a significant theoretical and practical value. It is recommended that the renewable energy contribution rate calculation method of heat pump be set as a national standard so that heat pump manufacturing industry will benefit, and the heat pump technology will be applied.

heat pump; primary energy utilization ratio; SPF; SEER; SHPF; IPLV; IEER; SCOP

0253- 4339(2016) 03- 0107- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.107

2015年12月24日

TB61+1； TQ051.5

A

马一太，男，教授，热能研究所所长，天津大学机械工程学院，022-87401539，E-mail:ytma@tju.edu.cn。研究方向：1) 应用热力学研究、逆循环(制冷和热泵)节能技术的研究；2)混合工质节能及自然工质研究；3)太阳能、地热能等可再生能源利用研究。