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【论文】《低环境温度空气源热泵(冷水)机组》系列标准解析

2021-04-02 21:01来源:健康家电作者:综合业务部网址:https://mp.weixin.qq.com/s/-2Zl5imwqTjTdlB-OF7r7Q浏览数:12 
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引言

近年来,国家和地方密集出台的清洁取暖政策,涉及顶层设计、财税政策、支持方案等方面,为北方地区清洁取暖改造在更大范围、更科学扎实的展开铺就了坦途。2016年12月21日,中央财经领导小组第十四次会议决策推进北方地区冬季清洁取暖,要求按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针,宜气则气、宜电则电,加快提高清洁供暖比重;2017年3月5日,国务院总理李克强在作政府工作报告时提出:坚决打好蓝天保卫战,全面实施散煤综合治理,推进北方地区冬季清洁取暖,完成以电代煤、以气代煤300万户以上,全部淘汰地级以上城市建成区燃煤小锅炉;2017年8月18日,《京津冀及周边地区2017~2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》出台,要求当年10月底前,“2+26”城市完成以电代煤、以气代煤300万户以上。


低温空气源热泵(冷水)机组作为“煤改清洁能源”的明星产品,凭借其节能、舒适、安装相对灵活的特点,成为了北方“煤改电”的主力军。GB/T 25127系列标准作为低温空气源热泵(冷水)机组执行的产品标准,在煤改电项目中起着重要作用,GB/T 25127.1针对工业或商用机组,GB/T 25127.2针对家用及类似用途机组。该系列标准首次发布于2010年[1][2],当时“煤改电”政策还没有推行,市场上产品主要的关注点在夏季制冷和生活热水,研发重心也没有放在低温采暖上。而随着以北京为首的华北地区加快“煤改电”的步伐,低温空气源热泵如雨后春笋,出现了大大小小的企业近千家。低温空气源热泵技术的不断发展,以及各地政府部门的迫切需要加速了GB/T 25127系列国家标准的修订。2019年4月,国标委发布能效标准GB 37480-2019《低环境温度空气源热泵(冷水)机组能效限定值及能效等级》,第一次按照不同的匹配末端给出了能效评价,使标准的发展更贴近用户的实际使用情况。鉴于以上行业发展历程,2020年6月2日GB/T 25127.1-2020和GB/T 25127.2-2020标准正式发布,该标准将于2021年4月1日正式实施,新标准从范围、术语和定义、型式和基本参数、技术要求、试验方法等方面进行了修订。


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重点技术内容解读

2.1 范围

新标准在范围上主要做了三方面的调整:

(1)针对GB/T 25127.1和GB/T 25127.2标准的划分界限,旧版标准以名义制冷量划分,而新版标准调整为用名义制热量来划分,明确了该标准以制热性能为主要的研究方向;


(2)划分商用与家用标准的冷量范围调整,由名义制冷量50kW调整为名义制热量30kW,一般机组的名义制热量都高于名义制冷量,调整成用名义制热量来划分商用与家用标准的界限后,划分的冷量值也调小,意味着新标准实施后,会有很大一部分产品由原来属于GB/T 25127.2标准范畴,变为属于GB/T 25127.1标准范畴,企业及相关人员应重点关注执行标准问题;


(3)机组工作的最低环境温度由-20℃调整为-25℃,充分考虑东北等北方地区实际制热工况的需求;与此同时,将-20℃工况作为能力考核的工况点,即旧版标准仅要求-20℃机组可正常运行即可,但新版标准不仅要求机组可以正常工作,而且还将对其正常工作时的能力进行要求,与旧版标准相比,新版标准对机组的要求更加严格。


2.2 术语和定义

新版标准在术语和定义部分做了很大的调整,引入了低温工况制热性能系数(COPdh)的概念,同时还增加了制冷季节能效比(SEER)、制热季节性能系数(HSPF)、全年性能系数(APF)三个术语定义,取代旧版标准的综合部分负荷性能系数(IPLV(C)和IPLV(H))指标。采用APF替代特定负荷下运行时间的加权获得的IPLV来考核机组的性能,充分考虑了制热在有除霜运行(非稳态)情况下的特性,这更符合机组实际的运行情况,使能效评价更全面、更客观。需要注意的是低温空气源热泵(冷水)机组执行的能效标准GB 37480-2019《低环境温度空气源热泵(冷水)机组能效限定值及能效等级》仍采用IPLV来确定能效,该标准和能效备案实施规则于2020年11月1日实施。而当新版GB/T 25127系列标准在2021年4月实施时,由于GB 37480-2019的试验方法参照旧版GB/T 25127标准,这就要求企业既需参照新版GB/T 25127的试验要求和方法进行产品设计和出厂检验,又需在能效方面参照旧版GB/T 25127标准的试验方法进行检测。


2.3 型式和基本参数

在型式与基本参数上,新版标准细化了型式分类,并增加根据器具匹配末端不同的分类方式,即:地板辐射型、风机盘管型、散热器型及其他类型[3],常见末端典型图例如图1所示,其中地板辐射型机组使用侧出水温度通常为35℃,风机盘管型机组使用侧出水温度通常为41℃,而散热器型机组使用侧出水温度通常为50℃。


图1 机组末端样式


需要注意的是,此处出水温度与能效标准GB 37480-2019的规定有所不同,详见表1所示。在执行标准时,一定要明确标准,确保产品设计能够满足执行标准的规定。



2.4 技术要求

GB/T 25127系列标准对机组的一般要求、密封性能、强度、性能、电气安全、变工况运行以及防护等级等方面提出了相应的技术要求。


2.4.1 一般要求重点关注内容

随着国家电子信息产品污染控制“国推RoHS认证”的全面开展,新版标准增加了对有害物质含量的规定[4]。规定工商业用机组的控制系统硬件、户用机组的整个机组与房间空调器一样,都要符合标准GB/T 26572《电子电气产品中限用物质的限量要求》的限值要求。


2.4.2 密封性能变化内容[5]

2010版标准中,气密性试验采用5×10-6Pa•m3/s的卤素检漏仪进行检验,新标准增加了可选择采用氦检;真空试验的抽真空压力和回压由300Pa和150Pa,更改为266Pa和133Pa。


2.4.3 性能要求变化

性能要求的主要变化内容如下:

(1)低温制热(-20℃)工况成为能力测试工况,并增加判定要求。


新版GB/T 25127系列标准低温制热(-20℃)工况不仅要求能正常运行,而且其运行时的能力也应满足相应的要求。其中,GB/T 25127.1要求机组实测制热量不低于名义制热量明示值的75%;GB/T 25127.2要求机组实测制热量不低于名义制热量明示值的80%。同时要求机组低温制热消耗功率实测值应不大于低温制热消耗功率明示值的110%。该目的是要求随着环境工况的温度降低,机组能效不应产生过大的衰减。


(2)增加-25℃制热工况运行要求。

新版标准增加了机组在额定电压、额定频率、-25℃环境工况以及明示的热泵最高出水温度下平稳运行1h安全装置不应动作的技术要求。


(3)COP性能系数提升,综合性能系数由IPLV调整为APF。

2010版标准性能系数要求针对制冷COPc、制热COPh和综合性能系数IPLV(C)、IPLV(H)给出要求,新版标准根据不同的末端分别给出了制冷COPc、制热COPh要求,整体要求较旧版标准有所提升。此外,增加了低温制热(-20℃)COPdh的要求,用APF(风机盘管型)、HSPF(地板辐射型、散热器型)取代IPLV,并给出限值要求,明确地板辐射型和散热器型仅需考核制热工况,暂不考核制冷工况。相关要求详见表2和表3。




为了防止虚标,除了应满足标准规定的限值外,上述性能系数均不能低于明示值的95%。


(4)噪声要求细化

对于工商业用机,新版GB/T 25127.1要求噪声实测值为不大于明示值+2dB(A),与旧版标准要求的实测值不大于明示值有所放宽。对于户用机,新版GB/T 25127.2对于制冷与制热均根据制热量的能力范围规定限值,与旧版标准相比更为细化;另外,制热噪声限值根据不同的匹配末端形式分别规定。


(5)电气安全要求具体化,执行性更强

区别于旧版标准笼统的要求机组的安全要满足标准GB 25131《蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组安全要求》的要求,新版标准明确规定了工商业机组的绝缘电阻、电气强度、接地装置等安全试验的方法与技术要求;新版GB/T 25127.2还规定机组工作温度下泄漏电流应满足标准GB 4706.1-2005的相关规定[6];防护等级需要满足标准GB/T 4208-2017的相关要求[7]。其中,对于接地装置,要求保护接地电路应符合标准GB/T 5226.1-2019中8.2的规定,机组安装及电气连接完成时,通过回路阻抗试验检验保护接地电路的连续性[8]


2.5 试验方法解读

2.5.1 提升测试工况读数允差

新版标准对测试工况的允差条件进行了一定的修改,详见标准GB/T 25127.1中的表5、表6,以及GB/T 25127.2中的表7、表8。其中最大的变化就是干湿球温度,旧版标准干湿球温度允差范围是±1℃。随着检测技术的不断发展,旧版标准允差范围过宽,新版标准按现在一般实验室的技术条件将允差调整到±0.5℃。新版标准还给出了平均变动幅度和最大变动幅度两个概念。其中,平均变动幅度指实测读数的平均值与各试验工况的规定值的偏差;最大变动幅度指试验过程中实测读数的最大值和最小值与各试验工况的规定值的偏差。当以上两个表格对应条件均满足要求,才认为机组达到稳定运行状态[9]


2.5.2 明确融霜工况测试方法

2010版标准对于融霜的试验方法并不明确。新版标准规定:机组在首次融霜结束后,再连续运行两个完整的制热融霜周期或连续运行3h,取其长者。如果连续运行3h期间,没有出现融霜,试验总时间为从首次融霜结束时开始,至3h后首次出现的融霜结束为止。如果连续运行满3h时,有一个制热融霜周期还没有结束,则试验总时间应延长至这一个制热融霜周期结束为止。融霜试验周期的明确对于非稳态试验和相关计算具有指导意义。


2.5.3 明确水侧压力损失工况条件

新版标准明确了制热和制冷状态下都要测量水侧压力损失,取两种状态下的较大值作为机组的水侧压力损失。GB/T 25127.2指出,自带循环水泵的机组不测水侧压力损失。标准增加了制热状态下的水侧压力损失的工况条件,按表4规定执行。


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2.5.4 明确噪声测试方法,细化测点位置

新版标准增加附录C噪声试验方法[10]。从测定场所、测量仪器、运行条件、测点位置等几个方面对噪声测试进行规定。其中,明确了测定场所应为反射平面上的半自由声场或者经过消声处理的试验室,且被测机组的噪声与背景噪声之差应为6dB(A)以上;另外,对于室内机,测点位置是距室内机正面几何中心处1m,测点离地面不得低于0.5m;对于室外机,测点位置分为侧出风和顶出风两种方式,侧出风测3个点(见图2),顶出风测4个点(见图3)。


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图2 侧出风室外机测点位置


图3 顶出风室外机测点位置


2.5.5 增加制热性能试验要求

新版标准考虑到机组处于制热模式时会有融霜的情况发生,此时机组运行处于非稳定状态,为此增加非稳态制热相关附录内容,将制热性能试验过程分为预处理阶段、平衡阶段、数据采集阶段,并给出试验判稳及数据选取的方法。进行非稳态制热测试时,应严格按照该附录要求进行数据的判稳及数据选取。


2.5.6 增加季节能源消耗试验和计算方法

新版标准采用季节能源消耗效率APF或HSPF取代IPLV作为机组综合能效的考核指标,并以附录形式给出了APF测试及计算的相关要求。


APF的确定与建筑负荷、实测样机能力、制冷制热季节温度分布和时间分布等参数有关,APF计算通常需借助专门的软件来实现,作为标准使用者应了解APF计算的方法。在确定APF的试验及计算过程中有以下3个关键因素应明确:

(1)关键因素1——确定负荷线。表5中给出了GB/T 25127系列标准确定制冷、制热负荷线所需的关键点。其他点则通过线性插值获取;


(2)关键因素2——确定实测工况点。详见表6所示。




制热为A、B、C、D、E共5个工况点,水流量均按照名义制热工况下的水流量,工业用机组标准GB/T 25127.1-2020和家用机组标准GB/T 25127.2-2020的主要区别是热负荷部分负荷率不同,其他热源侧和使用侧温度要求均一致。需要注意的是,针对散热器型末端,名义制热工况B使用侧的出水温度为50℃,而能效标准GB 37480-2019规定的出水温度为55℃。这要求产品开发既要满足强制性能效标准的要求,又要符合所宣称执行的产品推荐性标准的要求,避免因为标准差异导致设计出不合格产品,并且企业在标注铭牌信息和进行能效相关测试时应明确执行标准。


制冷工况仅适用于风机盘管型,而地板辐射和散热器型制冷工况不作要求,制冷时水流量均为名义制冷工况下的水流量,工业用机组标准GB/T 25127.1-2020为A、B、C、D共4个工况点,其中A、D工况点为选测项目,也就是制冷最多4个工况点,最少2个工况点,而家用机组标准GB/T 25127.2-2020为A、B、C三个工况点,其中A工况点选做。


(3)关键因素3——确定制冷、制热季节温度和时间分布。

制冷制热季节的温度和时间分布是确定APF的三大因素之一,不同的标准制冷、制热季节温度和时间分布也各不相同,地区不同,温度和时间的分布也各不相同,GB/T 25127.1-2020和GB/T 25127.2-2020标准分别给出了北京、济南、天津等8个城市的典型制冷、制热季节温度和时间分布,并明确规定以北京的温度时间分布为基准,用于确定低环境温度冷水机组的季节能效比。


同时,以下两点在APF试验计算中也要加以关注:

①实测工况点时应满足以下要求:

在按照实测工况点进行测试时,标准规定了不同工况点下的负荷率(详见表6),对变频或变容机组,可根据实际负荷要求调解规定负荷点进行测试,而对定频定容机组或者变频变容机组若无法调解至规定范围(C、D、E工况机组制热量=名义制热量×部分负载率×(100±10)%),使得机组处于断续运行状态时,则应通过CD系数来确定要求负荷下对应的COPbin值,用于APF的计算。制冷COPbin推导图和制热COPbin推导图如图4、图5所示。


图4 制冷COPbin推导图


图5 制热COPbin推导图


②在制热工况HSPF确定时,当机组制热不足需要补充辅助电加热时,用到了温度tj时机组实测制热量φful(tj),但标准并没有给出该量的计算公式,建议参考COPbin(tj)的插值公式,通过A、B、C、D、E工况实测制热量插值获得。


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其它注意事项

3.1 检验规则

新版标准与旧版的主要变化在于压力试验从出厂检验(每台必检)中去除,只需在抽样检验和型式试验中进行,这样可以大大提高企业的生产效率。另外,新版标准明确了型式检验是在新品开发以及定型产品方面进行重大改进,当对产品性能产生影响时,对第一台产品进行,其它情况应每三年进行一次。


3.2 标志

3.2.1 可燃性制冷剂的使用

随着可燃性制冷剂的逐步使用,新版标准对该类机组铭牌上面以及机组的显著位置要求标示“当心火灾”的标志,它的样式在GB 2894-2008里有明确规定[11]


3.2.2 铭牌内容

新版标准对单热型和冷暖型的机组有不同的要求,要注意的是单热型机组噪声只标注名义制热工况下的噪声(声压级),冷暖型机组既要标注名义制冷工况下的噪声值(声压级),也要标注名义制热工况下的噪声值(声压级);另外还要在铭牌上标注末端匹配的机组型式。


3.3 产品标准和能效标准的差异和共存

随着能效标准GB 37480-2019的发布和实施(国家标准化管理委员会发文2020年11月1日实施),GB/T 25127系列产品标准中的HSPF/APF与能效标准中的IPLV(H)两种评价方式,将在未来比较长的一段时间内同时实施。故在此期间,企业既要标注新版产品标准中的HSPF/APF,也要标注能效标准中的IPLV(H),做到能效标准和产品标准虽然不同,但产品分别都要满足要求。


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结束语

低环境温度空气源热泵(冷水)机组是近年来国家出台的冬季清洁取暖政策(即“煤改电”)的主推产品。2010年,GB/T 25127系列标准首次发布时,由于当时“煤改电”政策还没有推行,机组性能考核依据和试验方法还不够完善;同时,作为企业产品研发的重要手段和各级政府部门质量监管的必备条件,行业也缺少相应的方法依据。


新版GB/T 25127系列标准采用行业流行的APF能效评价方法替代原有的IPLV评价方法,有助于低环境温度空气源热泵产品的规范化及技术进步;新的系列标准按照不同的匹配末端提出了不同的性能要求,紧密结合产品及技术的发展,考虑了产品研发、制造及使用等多个方面的具体要求进行技术内容的修订,更贴合行业的实际需求;同时,各地政府部门也可以利用更完善的性能考核方法作为制定“冬季清洁取暖政策”的重要依据和市场监管的有效手段。该标准的实施,将加速产业升级,淘汰落后产能,对于推动我国低温热泵采暖技术和验证手段的进步,提升行业整体竞争力具有重要意义。


由于该标准发布和实施的时间正好与对应能效标准有交叉,因为内容上存在的差异,IPLV和APF两套能效评价系统还要并行使用一段时间,这需要企业在过渡期内充分做好准备,完成标准切换,提高产品竞争力;行业监管和标准制订单位也需要积极配合,使新旧标准能有序过渡,不断完善标准的内容,最终实现能效评价方法的统一。


(本文完)

本文作者

中家院(北京)检测认证有限公司北京 张子祺 吴晓丽 杨双

中国家用电器研究院 潘权


参考文献

[1] GB 25127.1-2010 低环境温度空气源热泵(冷水)机组第1部分:工业或商业用及类似用途的热泵(冷水)机组[S].

[2] GB 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[S].

[3] 孟凡刚, 曹瑞林. 家用采暖热源选型的经济性分析[J]. 家电科技, 2020(01): 66-68, 106.

[4] GB/T 26572 电子电气产品中限用物质的限量要求[S].

[5] GB/T 9237 制冷系统及热泵安全与环境要求[S].

[6] GB 4706.1-2005 家用和类似用途电器的安全第1部分: 通用要求[S].

[7] GB/T 4208-2017 外壳防护等级(IP代码)[S].

[8] GB/T 5226.1-2019 机械电气安全机械电气设备 第1部分: 通用技术条件[S].

[9] 张子祺, 杨双, 蔡宁, 王志坤. 便携式冷水热泵机组性能测试装置能效测量不确定度评定的研究[J]. 家电科技,2019(04): 64-67, 71.

[10] JB/T 4330-1999 制冷和空调设备噪声的测定[S].

[11] GB 2894-2008 安全标志及其使用导则[S].


来源:《家电科技》2021年第一期