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空气源热泵系统在高原环境下的影响分析

2018-05-17 79

随着空气源热泵产品的技术进步和低温制热性能水平的逐步提高,近年空气源供暖热泵产品陆续进入西部地区。[2-4]我国的地势分布从南到北梯度逐渐升高,典型的高海拔地区如云贵高原、青藏高原以及川西高原等高原地区,在地理高程上明显高于空气源热泵的传统安装地区。GB/T20615-2006《特殊环境条件术语》第2.6条对高原的定义为:按照地理学概念,海拔超过1000m的地域。[7]按此定义,我国65%的国土面积属于高原地区。高原地区全年气温较低,昼夜温差大,对空气源热泵供暖的市场需求正在逐渐形成,是未来空气源热泵供暖的潜在市场,同时,高原地区的环境条件对空气源热泵的制热性能和安全性能等提出相应的特殊要求,而以往大量使用空气源热泵的基本上都是海拔1000m以下的地区,其中绝大部分是海拔高度低于500m的沿海地区,所以到目前为止,我国的空气源热泵技术积累的经验几乎都是在海拔500m以下的地区获得的,这些经验无法满足空气源热泵在高原地区的使用要求,因此,认识高原环境对热泵技术性能的影响具有重要的现实意义。

空气源热泵制热性能

空气源热泵的制热性能受蒸发器的进风参数影响很大,在高原地区由于气压较低,空气密度变化与气压变化成正比,通过蒸发器的空气体积流量基本保持不变,但是,密度变化会直接导致空气质量流量发生变化,且变化幅度与气压变化幅度成正比,[5]因此,空气源热泵额定制热量与气压的关系大致呈现出以下规律:制热量公式

(1)式中:

Q1——安装地点制热量,kW;

Q0——海平面额定制热量,kW;

P1——安装地点气压,kPa;

P0——海平面气压,kPa。

以拉萨3658m海拔高度对应的平均气压65kPa计算,空气源热泵在相同进风温度条件下,在拉萨地区运行的制热量大约为在海平面运行的80%,同时,制热运行的性能系数下降至85%左右,从而在一定程度上抵消了热泵节能的优势。即使在海拔1000m的地区,空气源热泵的制热量也将下降到在海平面运行的94%。从相关部件的运行情况分析,制冷系统的制冷剂侧的运行状态不受热泵运行环境影响,受环境气压影响的是空气侧,制热量下降的根本原因是,气压降低导致蒸发器进风质量流量减少。换言之,由于空气侧性能的不适应,造成制冷剂侧性能浪费。所以,预期在高原地区使用的产品,可以将空气侧的风机电机参数和蒸发器参数针对高原地区的运行条件进行调整,例如,将进风的质量流量适当提高就可以解决此问题。可行的措施包括:在高原地区运行的风机电机,由于空气密度降低,电机扭矩和输出功率相应降低,因此电机特性曲线需要调整;同时,蒸发器的迎风面积和翅片的片距等参数也需要调整;此外,风机的噪声水平可能会相应提高。

高原环境对现有的产品质量监管措施也产生了不可忽视的影响。空气源热泵的能效计量检测规则尚未发布,目前检测过程对空气侧的检测条件要求,通常参照空调器的能效计量检测规则,JJF 1261.2-2010《房间空调器能源效率标识计量检测规则》第6.1.3条规定大气压强范围是86kPa~106kPa。[9]按(1)式计算,相对于101.3kPa气压条件下获得的制热量数据,仅由于检测实验室环境气压造成的制热量偏差范围大约是-8%~+2%,而测量方法和仪表的不确定度形成的测量不确定度只有1%左右,与热泵性能标准一般允许±5%制热量偏差的合格范围相比,气压变化的影响产生的测量偏差,足以将几乎所有原本的合格产品判定为不合格。

以往,房间空调器的生产和使用地区基本是在海拔500m以下地区,气压为95kPa以上,由于实验室环境气压导致的制热量偏差通常在3%以内,而且空调器的性能考核以制冷运行为主,制冷量用焓差法测量时,由于在蒸发器空气侧存在凝结水析出过程,缓解了空气密度变化因素的影响,冷凝器空气侧的质量流量减少,主要影响是压缩机消耗功率略有增加,而风机电机功率的减小也缓解了整机消耗功率的变化幅度。所以,JJF 1261.2-2010第6.1.3条的合理性问题,一直没有引起足够的重视,而对于空气源热泵热水器的性能检测,若仍然规定大气压强范围是86kPa~106kPa,显然就不合适了。

空气源热泵安全性能

关于高原气候的产品安全的特殊要求,GB/T 20626.1-2006《特殊环境条件 高原电工电子产品第1部分:通用技术要求》有系统的规定。GB/T 20626.1-2006的范围规定,对于低压电工产品的适用范围为2000m至5000m高原地区。[7]我国约有37%的国土面积属于海拔2000m以上地区,省会城市包括西宁、拉萨,这些地区全年平均气温低,是空气源热泵供暖应用的潜在市场。

近年来,随着家用电器产品在高原地区的普及程度越来越大,在使用过程中出现的诸如压力温度开关误动作等问题相继暴露,对高原地区使用要求的特殊性和处理措施的研究,逐渐引起家用电器产品制造企业的关注,所以,对于预期在2000m以上高原地区使用的空气源热泵产品,全面解决电气安全要求也应当受到重视。

目前我国家用电器的安全标准GB 4706.1正在修订,该标准等同于采用IEC 60335-1:2013(Ed5.1)《家用和类似用途电器的安全第1部分:通用要求》,IEC 60335-1:2013第7.12条规定,打算在海拔高于2000m的地区使用的器具,应说明最高使用海拔。[1]同时,随着未来新一版GB 4706.1实施,所有预期在海拔2000m以上地区使用的家用电器包括家用和类似用途的热泵产品,其电气安全要求均必须按照相关的标准执行,空气源热泵显然属于GB 4706.1的适用范围。关于高原地区电气安全的特殊要求涉及范围较广,由于篇幅所限,此处仅列举GB 4706.1在Ed5.1中新增的内容,瞬态过电压和电气间隙。