高原環(huán)境對(duì)空氣源熱泵技術(shù)性能影響探討

黃遜青

( 廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司，廣東 528305 )

高原環(huán)境對(duì)空氣源熱泵技術(shù)性能影響探討

黃遜青

( 廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司，廣東 528305 )

空氣源熱泵的運(yùn)行性能主要受進(jìn)風(fēng)條件影響，高原環(huán)境的低氣壓可能導(dǎo)致空氣源熱泵的制熱量和性能系數(shù)明顯降低，需采取措施進(jìn)行處置；現(xiàn)行檢測(cè)方法未對(duì)氣壓條件對(duì)熱泵能效指標(biāo)的影響給予合理的考慮，可能導(dǎo)致對(duì)能效檢測(cè)結(jié)果的誤判；高原環(huán)境在電氣安全方面有其特殊性，預(yù)期在海拔2000m以上地區(qū)使用的空氣源熱泵產(chǎn)品通常需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)變更以滿足要求。

熱泵；空氣源；高原；氣壓；安全；能效；瞬態(tài)過(guò)電壓；電氣間隙

1 引言

隨著空氣源熱泵產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步，低溫制熱性能水平的逐步提高，近年空氣源供暖熱泵產(chǎn)品陸續(xù)進(jìn)入西部地區(qū)[2][3][4]。我國(guó)的地勢(shì)分布從南到北梯度升高，典型的高海拔地區(qū)云貴高原、青藏高原以及川西高原形成的高原地區(qū)，在地理高程上明顯高于空氣源熱泵的傳統(tǒng)安裝地區(qū)。GB/T 20615-2006《特殊環(huán)境條件 術(shù)語(yǔ)》第2.6條對(duì)高原的定義為：按照地理學(xué)概念，海拔超過(guò)1000m的地域[6]。按此定義，我國(guó)65%的國(guó)土面積屬于高原地區(qū)。高原地區(qū)全年氣溫較低，晝夜溫差大，對(duì)空氣源熱泵供暖的市場(chǎng)需求正在逐漸形成，是未來(lái)空氣源熱泵供暖的潛在市場(chǎng)，同時(shí)，高原地區(qū)的環(huán)境條件對(duì)空氣源熱泵的制熱性能和安全性能等提出相應(yīng)的特殊要求，而以往大量使用空氣源熱泵的地區(qū)基本上都是海拔1000m以下地區(qū)，其中絕大部分地區(qū)海拔高度更是低于500m的沿海，所以到目前為止，我國(guó)的空氣源熱泵技術(shù)積累的經(jīng)驗(yàn)幾乎都是在海拔500m以下地區(qū)獲得的，這些經(jīng)驗(yàn)無(wú)法滿足空氣源熱泵在高原地區(qū)的使用要求，因此，認(rèn)識(shí)高原環(huán)境對(duì)熱泵技術(shù)性能的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 制熱性能

空氣源熱泵的制熱性能受蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)參數(shù)影響很大，在高原地區(qū)由于氣壓較低，空氣密度變化隨氣壓變化成正比，通過(guò)蒸發(fā)器的空氣體積流量基本保持不變，但是，密度變化導(dǎo)致了空氣質(zhì)量流量發(fā)生變化，且變化幅度與氣壓變化幅度成正比[5]，因此，空氣源熱泵額定制熱量的與氣壓的關(guān)系大致呈現(xiàn)以下規(guī)律：

(1)

式中：

Q1— 安裝地點(diǎn)制熱量，kW；

Q0— 海平面額定制熱量，kW；

P1— 安裝地點(diǎn)氣壓，kPa；

P0— 海平面氣壓，kPa。

以拉薩3658m海拔高度對(duì)應(yīng)的平均氣壓65kPa計(jì)算，空氣源熱泵在相同進(jìn)風(fēng)溫度條件下，在拉薩地區(qū)運(yùn)行的制熱量大約為在海平面運(yùn)行的80%，同時(shí)，制熱運(yùn)行的性能系數(shù)下降至85%左右，從而一定程度抵消了熱泵節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。即使在海拔1000m的地區(qū)，空氣源熱泵的制熱量也將下降到在海平面運(yùn)行的94%。從相關(guān)部件的運(yùn)行情況分析，制冷系統(tǒng)的制冷劑側(cè)的運(yùn)行狀態(tài)不受熱泵運(yùn)行環(huán)境影響，受環(huán)境氣壓影響的是空氣側(cè)，制熱量下降的根本原因是，氣壓降低導(dǎo)致蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)質(zhì)量流量減少所致，換言之，由于空氣側(cè)性能的不適應(yīng)，造成制冷劑側(cè)性能浪費(fèi)。所以，預(yù)期在高原地區(qū)使用的產(chǎn)品，如果在空氣側(cè)的風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)和蒸發(fā)器參數(shù)針對(duì)高原地區(qū)的運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)整，例如，將進(jìn)風(fēng)的質(zhì)量流量適當(dāng)提高就可以解決此問(wèn)題。可行的措施包括，在高原地區(qū)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)電機(jī)，由于空氣密度降低，電機(jī)扭矩和輸出功率相應(yīng)降低，因此電機(jī)特性曲線需要調(diào)整；同時(shí)，蒸發(fā)器的迎風(fēng)面積和翅片的片距等參數(shù)也需要調(diào)整等；此外，風(fēng)機(jī)的噪聲水平可能會(huì)相應(yīng)提高。

高原環(huán)境對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管措施也產(chǎn)生不可忽視的影響?？諝庠礋岜玫哪苄в?jì)量檢測(cè)規(guī)則尚未發(fā)布，目前檢測(cè)過(guò)程對(duì)空氣側(cè)的檢測(cè)條件要求，通常參照空調(diào)器的的能效計(jì)量檢測(cè)規(guī)則，JJF 1261.2-2010《房間空調(diào)器能源效率標(biāo)識(shí)計(jì)量檢測(cè)規(guī)則》第6.1.3條規(guī)定大氣壓強(qiáng)范圍是86～106kPa[8]。按(1)式計(jì)算，相對(duì)于101.3kPa氣壓條件下獲得的制熱量數(shù)據(jù)，僅由于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境氣壓造成的制熱量偏差范圍大約是-8%～2%，而測(cè)量方法和儀表的不確定度形成的測(cè)量不確定度只有1%左右，與熱泵性能標(biāo)準(zhǔn)一般允許±5%制熱量偏差的合格范圍相比，氣壓變化的影響產(chǎn)生的測(cè)量偏差，足以將幾乎所有原本的合格產(chǎn)品判定為不合格。

以往房間空調(diào)器的生產(chǎn)和使用地區(qū)基本是在海拔500m以下地區(qū)，氣壓為95kPa以上，由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境氣壓導(dǎo)致的制熱量偏差通常在3%以內(nèi)，而且空調(diào)器的性能考核以制冷運(yùn)行為主，制冷量用焓差法測(cè)量時(shí)，由于在蒸發(fā)器空氣側(cè)存在凝結(jié)水析出過(guò)程，緩解了空氣密度變化因素的影響，冷凝器空氣側(cè)的質(zhì)量流量減少，主要影響是壓縮機(jī)消耗功率略有增加，而風(fēng)機(jī)電機(jī)功率的減小也緩解了整機(jī)消耗功率的變化幅度。所以，JJF 1261.2-2010第6.1.3條的合理性問(wèn)題，一直沒(méi)有引起足夠的重視，而對(duì)于空氣源熱泵熱水器的性能檢測(cè)，若仍然規(guī)定大氣壓強(qiáng)范圍是86～106kPa，顯然就不合適了。

3 安全性能

關(guān)于高原氣候的產(chǎn)品安全的特殊要求，GB/T 20626.1-2006《特殊環(huán)境條件 高原電工電子產(chǎn)品 第1部分：通用技術(shù)要求》有系統(tǒng)的規(guī)定。GB/T 20626.1-2006的范圍規(guī)定，對(duì)于低壓電工產(chǎn)品的適用范圍為2000m以上至5000m高原地區(qū)[6]。我國(guó)約有37%的國(guó)土面積屬于海拔2000m以上地區(qū)，省會(huì)城市包括西寧、拉薩，這些地區(qū)全年平均氣溫低，是空氣源熱泵供暖應(yīng)用潛在的廣闊市場(chǎng)。近年隨著家用電器產(chǎn)品在高原地區(qū)的普及，在使用過(guò)程中出現(xiàn)的諸如壓力溫度開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作等問(wèn)題相繼暴露，對(duì)高原地區(qū)使用要求的特殊性和處理措施的研究，逐漸引起家用電器產(chǎn)品制造企業(yè)的關(guān)注，所以，對(duì)于預(yù)期在2000m以上高原地區(qū)使用的空氣源熱泵產(chǎn)品，全面解決電氣安全要求也應(yīng)當(dāng)受到重視。

目前我國(guó)家用電器的安全標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1正在修訂，該標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC 60335-1:2013(Ed5.1)《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》，在IEC 60335-1:2013第7.12條規(guī)定，打算在海拔高于2000m使用的器具，應(yīng)說(shuō)明最高使用海拔[1]。同時(shí)，隨著未來(lái)新一版GB 4706.1實(shí)施，所有預(yù)期在高于海拔2000m以上地區(qū)使用的家用電器包括家用和類似用途熱泵產(chǎn)品，其電氣安全要求均必須按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，空氣源熱泵顯然屬于GB 4706.1的適用范圍。關(guān)于高原地區(qū)電氣安全的特殊要求涉及范圍較廣，由于篇幅所限，僅列舉GB 4706.1在Ed5.1新增的內(nèi)容，瞬態(tài)過(guò)電壓和電氣間隙。

IEC 60335-1:2013第14章規(guī)定，瞬態(tài)過(guò)電壓——脈沖試驗(yàn)電壓被修正為位于海平面到500m的實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)值。換言之，表6的脈沖試驗(yàn)電壓數(shù)值適用于海拔不超過(guò)500m的任何地點(diǎn)的測(cè)試。如果測(cè)試地點(diǎn)高于海拔500m，在較高海拔的地方，由于空氣密度減小，空氣間隙的脈沖電壓承受能力會(huì)減小，所以需要重新計(jì)算試驗(yàn)數(shù)值。因此，打算在高海拔地區(qū)使用的器具，在低海拔地區(qū)試驗(yàn)時(shí)，可施加較高的試驗(yàn)數(shù)值；相反，打算在低海拔地區(qū)使用的器具，在高海拔地區(qū)試驗(yàn)時(shí)，可施加較低的試驗(yàn)數(shù)值[1]。

IEC 60335-1:2013第29.1條規(guī)定，對(duì)于打算用于海拔2000m以上地區(qū)的器具，表16中的電氣間隙應(yīng)根據(jù)IEC 60664-1表A.2中的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行增加[1]。等同采用IEC 60664-1:2007的國(guó)標(biāo)是GB/T 16935.1-2008《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合 第1部分：原理、要求和試驗(yàn)》[7]，具體要求見(jiàn)表1。

表1 以2000m為基準(zhǔn)的電氣間隙修正系數(shù)

海拔正常氣壓電氣間隙倍增系數(shù)2000m800kPa1003000m700kPa1144000m620kPa1295000m540kPa148

注：來(lái)源：摘自GB/T 16935.1-2008(IEC 60664-1:2007,IDT)表A.2[7]。

為了更全面反映海拔參數(shù)對(duì)電氣間隙的影響，表2列出了以海平面為基準(zhǔn)的電氣間隙修正系數(shù)。

表2 以海平面為基準(zhǔn)的電氣間隙修正系數(shù)

海拔正常氣壓電氣間隙倍增系數(shù)01013kPa1001000m900kPa1132000m800kPa1273000m700kPa1454000m620kPa1645000m540kPa188

注：來(lái)源：摘自GB/T 20626.1-2006表2[6]。

此外，高原環(huán)境雖然日平均溫度較低，但是，晝夜溫差大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，可能導(dǎo)致通常戶外安裝的空氣源熱泵的電氣部件熱設(shè)計(jì)需要重新驗(yàn)證。例如，在停機(jī)時(shí)，強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射可能導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部溫度處于較高的水平；又如，較低的空氣密度導(dǎo)致依賴空氣自然冷卻的電氣部件的工作溫度可能發(fā)生不利的變化，尤其是一些安裝在內(nèi)部的電氣部件，其內(nèi)部微環(huán)境溫度受外部環(huán)境溫度影響不大卻受冷卻條件影響較大，就可能出現(xiàn)影響該部件可靠性的狀況。

不過(guò)，類似電機(jī)類的溫升指標(biāo)，由于環(huán)境溫度的降低，基本可以補(bǔ)償空氣冷卻能力下降的影響，所以，在針對(duì)高原運(yùn)行條件進(jìn)行設(shè)計(jì)變更時(shí)，需要區(qū)別情況合理采取措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

海拔1000m以上的高原地區(qū)是空氣源熱泵未來(lái)的應(yīng)用市場(chǎng)，由于空氣源熱泵的制熱能力受空氣密度影響明顯，建議對(duì)預(yù)期高原地區(qū)使用的空氣源熱泵的特殊要求進(jìn)行研究，避免由于缺乏適當(dāng)?shù)拇胧?dǎo)致產(chǎn)品的性能和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性受到不良影響。同時(shí)，空氣源熱泵能效的檢測(cè)技術(shù)要求也應(yīng)針對(duì)環(huán)境壓力的影響予以完善。關(guān)于海拔2000m以上高原地區(qū)使用的產(chǎn)品電氣安全的特殊要求，近期將隨著新一版GB 4706.1的發(fā)布成為強(qiáng)制的要求，現(xiàn)有的空氣源熱泵電氣安全設(shè)計(jì)將需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的變更才能滿足要求。

[1] 陳偉升.家用電器安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)理解與案例分析-基于IEC 60335-1[M].第5.1版.北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2016

[2] 馬強(qiáng).低溫空氣源熱泵在高原高寒地區(qū)鐵路車站的應(yīng)用研究[J].鐵道建筑，2014，(10)：116-119

[3] 蒙悟.高原地區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)引入空氣源熱泵輔助加熱和管路系統(tǒng)保護(hù)的探討[J].甘肅科技，2017，(9):67-68+71

[4] 王亮，李欣林.高原地區(qū)空氣源熱泵及輔助熱源復(fù)合系統(tǒng)能耗研究[J].可再生能源，2016，(5):732-736

[5] 翟方志，朱茂華.通風(fēng)機(jī)及其系統(tǒng)在不同海拔高度的性能變化及運(yùn)用分析[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2011，(7):32-33+35

[6] GB/T 20626.1-2006 特殊環(huán)境條件 高原電工電子產(chǎn)品 第1部分：通用技術(shù)要求[S]

[7] GB/T 16935.1-2008(IEC 60664-1:2007,IDT)低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合 第1部分：原理、要求和試驗(yàn)[S]

[8] JJF 1261.2-2010 房間空調(diào)器能源效率標(biāo)識(shí)計(jì)量檢測(cè)規(guī)則[S]

ApproachtotheOperationPerformanceofAirSourceHeatPumponAltitudeEnvironmentEffect

HUANG Xunqing

( Guangdong Vanward New Electric Co.,Ltd.，Guangdong 528305 )

The operation performance of air source heat pump is mainly affected by the air inlet conditions,low atmospheric pressure in high altitude environment may lead to air source heat pumps heating capacity and coefficient of performance decrease,need to take measures for disposition;existing testing technical method does not yet give reasonable consideration to the influence of atmospheric pressure condition on heat pump energy efficiency index,energy efficiency test results may lead to a miscarriage of justice;high altitude environment has its particularity in electrical safety,is expected to air source heat pump used in products at altitude 2000m above usually need to change to meet the requirements of design.

Heat pump；Air source；Altitude；Atmospheric pressure；Safety；Energy efficiency；Transient overvoltage；Clearance

2017-9-28

黃遜青(1962-)，男，高級(jí)工程師，主要從事家用熱泵、太陽(yáng)能、燃?xì)獾葻崂玫犬a(chǎn)品制造相關(guān)技術(shù)工作。

E-mail：hxq@vanward.com

ISSN1005-9180(2017)04-075-04

TQ051.5文獻(xiàn)標(biāo)示碼B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.014