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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
2、性能系数Research on IPLV (H) for Low Environment Temperature Air Source Heat Pump (Water Chilling) PackagesWANG Jia1, XIE Qiao2, SHI Wenxing1 and ZHANG Leping2(1School of Architecture, Tsinghua University, 2Tongfang Artificial Environment CO. LTD)Abstract: Low environment temperature air source heat pum
3、p packages are becoming important heating services in the cold area of North China; therefore it is necessary to establish a reasonable national standard for the industry. In this paper, the evaluation of heating integrated part load value (IPLV (H) is researched from three aspects: the calculation
4、of weight coefficients in the equation, the test condition of the part load ratio, and the test method of heating COP (COPh) in each load ratio. Discussions and suggestions are brought forward as references for the establishing standard on low environment temperature air source heat pumps for commer
5、cial and residential application.Key Words: Low Environment Temperature Air Source Heat Pump (LET-ASHP); Standard; Heating COP (COPh); Heating Integrated Part Load Value (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
6、(Integrated Part Load Value)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ARI 550/590-92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 = aA + bB + cC + dD(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。
7、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
8、的冷水机组IPLV(C)计算公式，此后被新修订的GB 18430.1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/T 18837-2002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。（a）各温频段的供冷小时数分布（b）各温频段的建筑冷负荷率分布（c）各温频段的供冷量分布图1 ARI标准中IPLV
9、(C)推导过程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（
10、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= DLBLRj (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：j=BLjnj=DLBLRjnj (3)因此，供冷（热）量与设计负荷之比为：j/DL= BLRjnj (4)各温频段的j/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 %、5
11、0 %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：, , , (5)式中，j=1k1、j= k1+1k2、j= k2+1k3、j= k3+1k分别表示4种负荷率所对应的温频段；j=1k表示全部温频段，从公式(5)可以看出，abcd=1。
12、（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
13、行探讨。3.1 IPLV(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图2 各温频段的建筑热负荷率分布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
14、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182613。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
15、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%图3 北京建筑在各温频段的供热小时数分布（注：-12频段包含所有低于-11的小时数，12频段不包含高于13的小时数）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
16、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外温度频率分布图，如图3所示。（3）各负荷率下性能系数的权重系数图4 北京建筑在各温频段供热量分布按照公式（4），将供
17、热季各温频段发生时间与对应的建筑负荷率相乘，即可得到北京地区建筑在各温频段的供热量分布，如图4所示。从图2中可以注意到：-12温频段对应满负荷率；-6温频段对应负荷率为76%、0温频段对应负荷率为52%，分别接近于75%和50%，适合作为考核工况点。本着温频段均匀划分的原则，将-12频段向高温方向扩展1个温频段作为满负荷区；将-6温频段向高温、低温方向各扩展1个温频段作为高负荷区；将0温频段向高温、低温方向各扩展1个温频段作为低负荷区；剩余频段作为最低负荷区，以分别对应BLR=100 %、75 %、50 %和25 %四个负荷率。在此频段划分方式下，根据公式（5）即可计算出公式（1）中的a，b，
18、c，d，分别为8.3%、40.3%、38.6%、12.9%。故以北京为代表的低温热泵制热运行综合部分负荷性能系数IPLV(H)的计算式为：IPLV(H)=0.083A + 0.403B + 0.386C + 0.129D(6)3.2 部分负荷测试工况点的确定确定了IPLV(H)各负荷率COPh的权重系数后，还需规定100 %、75 %、50 %和25 %部分负荷率时的测试工况。由于使用侧工况恒定，故只需提出空气（热源）侧的测试工况即可，其推荐方案及其理由如下：（1）满负荷（100%负荷率）工况即为低温热泵的名义制热工况（干/湿球温度= -12/ -13.5）；（2）当负荷率分别为75%和50%
19、时，建议采用其负荷率附近区间的温频段的中间温度作为其测试工况的干球温度（-6和0），并按照确定名义工况湿球温度的方法确定此测试工况的湿球温度12。如当负荷率为75%时，统计寒冷地区主要城市典型气象年干球温度在-6附近（-5-7）的数据点，统计干球温度为-5-7范围内的湿球温度平均值，作为该负荷率时空气侧的湿球温度（为-7.5），故75%负荷率时的测试工况为-6/-7.5；同理可得50%负荷率时的测试工况为0/-2.5；（3）对于25%负荷率，建议其测试工况采用GB/T18430.1蒸气压缩循环冷水（热泵）机组（报批稿）5规定的名义制热工况7/6，一方面干球温度7近似于低负荷区间的中间温度，另一
20、方面也便于和常规蒸气压缩循环热泵机组的名义制热工况性能进行比较，具有合理的关联性和参考性。3.3 各部分负荷率下制热COPh的测试方法图5 空气源热泵结霜的室外空气参数范围易结霜区非结霜区由于低温热泵以室外空气为热源，当机组的蒸发温度低于空气露点温度时，室外换热器就会结霜，导致制热量衰减。为客观地评价空气源热泵的制热性能，必须考虑因结霜、除霜导致的性能衰减。图5为日本学者根据对不同空气源热泵机组的试验结果总结出的结霜分区16，可见空气干球温度和相对湿度是影响热泵结霜的重要因素，当室外温度位于-12.85.8，相对湿度高于70%时，蒸发器表面容易结霜；当气温高于5.8时，可以不考虑结霜影响；当气
21、温低于- 12.8时，由于空气中的含湿量非常低，随着热泵运行时间的增长蒸发器表面会有微薄的冰层。因此50%和75%的部分负荷工况均处于易结霜区，由此提出如下各负荷率下COPh的测试方案：（1）对于25%部分负荷工况，由于几乎不会出现结霜，可忽略对机组性能的影响，直接采用GB/T18430.1（报批稿）5中规定的名义工况COPh测量方法；（2）在50%和75%部分负荷工况下，由于热源侧处于易结霜区而在性能测试时必须考虑结霜除霜导致的性能衰减。此时的COPh测试方法为：要求在首次除霜结束后，需连续进行3个周期的制热、除霜过程，计算累计制热量和消耗功率，取平均COPh作为该工况下的性能系数；（3）在
22、满负荷工况下，虽然运行过程中蒸发器表面可能会有微薄冰层，但不会出现频繁除霜现象，故仍可按连续稳态工况来测量其COPh值。将100 %、75 %、50 %和25 %各负荷率时的COPh测试结果代入计算式(2)即可计算出制热运行综合部分负荷性能系数IPLV(H)。虽然测试方法的工作量较大，但测试结果更接近实际运行效果。4结论低温热泵机组在供热季将在部分负荷工况下长时间运行，故采用IPLV(H)来评价机组在整个供热季的能源利用效率更为合理、客观。本文以IPLV评价思想为指导，结合寒冷地区气象条件与典型建筑的负荷特性，通过理论分析和数据统计方法，提出了低温热泵IPLV(H)的计算公式：IPLV(H)=
23、0.083A+0.403B+0.386C+0.129D，并给出了各负荷率时的测试工况及其COPh测试方法，希望对工商业用、户用及其类似用途低温热泵国家标准的制定提供参考。参考文献1 Tony Digmanese. ARI 550P590标准之综合部分负荷能效值IPLVJ. 冷冻空调标准与检测，2005，32(6): 3-122 ARI2550/590-1992 StandardS3 ARI2550/590-1998 StandardS4 GB 50189-2005. 公共建筑节能设计标准 S5 GB/T18430.1, 蒸气压缩循环冷水（热泵）机组工商业用和类似用途的冷水热泵机组（报批稿）S6
24、 GB/T 18837-2002. 多联式空调(热泵)机组 S7 ARI. White paper, ARI Standard 550/ 590-1998 Water chilling packages using the vapor compression cycleS, 19988 马宏雷，温昕宇综合部分负载能效值IPLV真实反映冷水机组部分负载性能的参数J制冷与空调，2005, (2): 31-379 汪训昌. 正确理解、解释与应用ARI 550/590标准中的IPLV指标J暖通空调，2006，36(11): 46-5010 ASHRAE Handbook, Fundamentals M
25、. 199511 公共建筑节能设计标准编委会编. 公共建筑节能设计标准宣贯辅导教材M. 中国建筑工业出版社, 2005（专题六 冷水机组综合部分符合性能系数（IPLV）条文计算说明及分析）12 韩林俊, 王嘉, 石文星, 等. 低环境温度空气源热泵（冷水）机组产品标准的名义工况研究C. 中国制冷学会第二专业委员会编，第？届热泵技术学术会议论文集，2008年7月，敦煌.13 石文星，颜承初，赵伟. 单元式空气调节机APF性能评价相关问题研究J. 冷冻空调标准与检测, 2006(6): 4-3314 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系著. 中国建筑热环境分析专用气象数据集M, 中国建筑工业出版社，200515 苏芬仙，苏华，陈凌霜BIN法能耗计算中频数间隔分析及选用J低温建筑技术，2001年第3期(总第85期)：56-5916 井上宇市. 空气调节手册M. 范存养译. 北京:中国建筑工业出版社, 1986.通讯作者：石文星地址：100084 清华大学建筑技术科学系; 电话: 010-62796114; 传真: 010-62773461; E-mail: wxshi6
