高原環境對空氣源熱泵技術性能影響探討

黃遜青

( 廣東萬和新電氣股份有限公司，廣東 528305 )

高原環境對空氣源熱泵技術性能影響探討

黃遜青

( 廣東萬和新電氣股份有限公司，廣東 528305 )

空氣源熱泵的運行性能主要受進風條件影響，高原環境的低氣壓可能導致空氣源熱泵的制熱量和性能系數明顯降低，需采取措施進行處置；現行檢測方法未對氣壓條件對熱泵能效指標的影響給予合理的考慮，可能導致對能效檢測結果的誤判；高原環境在電氣安全方面有其特殊性，預期在海拔2000m以上地區使用的空氣源熱泵產品通常需要進行針對性的設計變更以滿足要求。

熱泵；空氣源；高原；氣壓；安全；能效；瞬態過電壓；電氣間隙

1 引言

隨著空氣源熱泵產品的技術進步，低溫制熱性能水平的逐步提高，近年空氣源供暖熱泵產品陸續進入西部地區[2][3][4]。我國的地勢分布從南到北梯度升高，典型的高海拔地區云貴高原、青藏高原以及川西高原形成的高原地區，在地理高程上明顯高于空氣源熱泵的傳統安裝地區。GB/T 20615-2006《特殊環境條件 術語》第2.6條對高原的定義為：按照地理學概念，海拔超過1000m的地域[6]。按此定義，我國65%的國土面積屬于高原地區。高原地區全年氣溫較低，晝夜溫差大，對空氣源熱泵供暖的市場需求正在逐漸形成，是未來空氣源熱泵供暖的潛在市場，同時，高原地區的環境條件對空氣源熱泵的制熱性能和安全性能等提出相應的特殊要求，而以往大量使用空氣源熱泵的地區基本上都是海拔1000m以下地區，其中絕大部分地區海拔高度更是低于500m的沿海，所以到目前為止，我國的空氣源熱泵技術積累的經驗幾乎都是在海拔500m以下地區獲得的，這些經驗無法滿足空氣源熱泵在高原地區的使用要求，因此，認識高原環境對熱泵技術性能的影響具有重要的現實意義。

2 制熱性能

空氣源熱泵的制熱性能受蒸發器的進風參數影響很大，在高原地區由于氣壓較低，空氣密度變化隨氣壓變化成正比，通過蒸發器的空氣體積流量基本保持不變，但是，密度變化導致了空氣質量流量發生變化，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系大致呈現以下規律：

(1)

式中：

Q1— 安裝地點制熱量，kW；

Q0— 海平面額定制熱量，kW；

P1— 安裝地點氣壓，kPa；

P0— 海平面氣壓，kPa。

以拉薩3658m海拔高度對應的平均氣壓65kPa計算，空氣源熱泵在相同進風溫度條件下，在拉薩地區運行的制熱量大約為在海平面運行的80%，同時，制熱運行的性能系數下降至85%左右，從而一定程度抵消了熱泵節能的優勢。即使在海拔1000m的地區，空氣源熱泵的制熱量也將下降到在海平面運行的94%。從相關部件的運行情況分析，制冷系統的制冷劑側的運行狀態不受熱泵運行環境影響，受環境氣壓影響的是空氣側，制熱量下降的根本原因是，氣壓降低導致蒸發器進風質量流量減少所致，換言之，由于空氣側性能的不適應，造成制冷劑側性能浪費。所以，預期在高原地區使用的產品，如果在空氣側的風機電機參數和蒸發器參數針對高原地區的運行條件進行調整，例如，將進風的質量流量適當提高就可以解決此問題?？尚械拇胧┌?，在高原地區運行的風機電機，由于空氣密度降低，電機扭矩和輸出功率相應降低，因此電機特性曲線需要調整；同時，蒸發器的迎風面積和翅片的片距等參數也需要調整等；此外，風機的噪聲水平可能會相應提高。

高原環境對現有的產品質量監管措施也產生不可忽視的影響?？諝庠礋岜玫哪苄в嬃繖z測規則尚未發布，目前檢測過程對空氣側的檢測條件要求，通常參照空調器的的能效計量檢測規則，JJF 1261.2-2010《房間空調器能源效率標識計量檢測規則》第6.1.3條規定大氣壓強范圍是86～106kPa[8]。按(1)式計算，相對于101.3kPa氣壓條件下獲得的制熱量數據，僅由于檢測實驗室環境氣壓造成的制熱量偏差范圍大約是-8%～2%，而測量方法和儀表的不確定度形成的測量不確定度只有1%左右，與熱泵性能標準一般允許±5%制熱量偏差的合格范圍相比，氣壓變化的影響產生的測量偏差，足以將幾乎所有原本的合格產品判定為不合格。

以往房間空調器的生產和使用地區基本是在海拔500m以下地區，氣壓為95kPa以上，由于實驗室環境氣壓導致的制熱量偏差通常在3%以內，而且空調器的性能考核以制冷運行為主，制冷量用焓差法測量時，由于在蒸發器空氣側存在凝結水析出過程，緩解了空氣密度變化因素的影響，冷凝器空氣側的質量流量減少，主要影響是壓縮機消耗功率略有增加，而風機電機功率的減小也緩解了整機消耗功率的變化幅度。所以，JJF 1261.2-2010第6.1.3條的合理性問題，一直沒有引起足夠的重視，而對于空氣源熱泵熱水器的性能檢測，若仍然規定大氣壓強范圍是86～106kPa，顯然就不合適了。

3 安全性能

關于高原氣候的產品安全的特殊要求，GB/T 20626.1-2006《特殊環境條件 高原電工電子產品 第1部分：通用技術要求》有系統的規定。GB/T 20626.1-2006的范圍規定，對于低壓電工產品的適用范圍為2000m以上至5000m高原地區[6]。我國約有37%的國土面積屬于海拔2000m以上地區，省會城市包括西寧、拉薩，這些地區全年平均氣溫低，是空氣源熱泵供暖應用潛在的廣闊市場。近年隨著家用電器產品在高原地區的普及，在使用過程中出現的諸如壓力溫度開關誤動作等問題相繼暴露，對高原地區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品制造企業的關注，所以，對于預期在2000m以上高原地區使用的空氣源熱泵產品，全面解決電氣安全要求也應當受到重視。

目前我國家用電器的安全標準GB 4706.1正在修訂，該標準等同采用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條規定，打算在海拔高于2000m使用的器具，應說明最高使用海拔[1]。同時，隨著未來新一版GB 4706.1實施，所有預期在高于海拔2000m以上地區使用的家用電器包括家用和類似用途熱泵產品，其電氣安全要求均必須按照相關的標準執行，空氣源熱泵顯然屬于GB 4706.1的適用范圍。關于高原地區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新增的內容，瞬態過電壓和電氣間隙。

IEC 60335-1:2013第14章規定，瞬態過電壓——脈沖試驗電壓被修正為位于海平面到500m的實驗室的試驗值。換言之，表6的脈沖試驗電壓數值適用于海拔不超過500m的任何地點的測試。如果測試地點高于海拔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減小，所以需要重新計算試驗數值。因此，打算在高海拔地區使用的器具，在低海拔地區試驗時，可施加較高的試驗數值；相反，打算在低海拔地區使用的器具，在高海拔地區試驗時，可施加較低的試驗數值[1]。

IEC 60335-1:2013第29.1條規定，對于打算用于海拔2000m以上地區的器具，表16中的電氣間隙應根據IEC 60664-1表A.2中的相關系數進行增加[1]。等同采用IEC 60664-1:2007的國標是GB/T 16935.1-2008《低壓系統內設備的絕緣配合 第1部分：原理、要求和試驗》[7]，具體要求見表1。

表1 以2000m為基準的電氣間隙修正系數

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

注：來源：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對電氣間隙的影響，表2列出了以海平面為基準的電氣間隙修正系數。

表2 以海平面為基準的電氣間隙修正系數

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

注：來源：摘自GB/T 20626.1-2006表2[6]。

此外，高原環境雖然日平均溫度較低，但是，晝夜溫差大，太陽輻射強烈，可能導致通常戶外安裝的空氣源熱泵的電氣部件熱設計需要重新驗證。例如，在停機時，強烈的太陽輻射可能導致產品內部溫度處于較高的水平；又如，較低的空氣密度導致依賴空氣自然冷卻的電氣部件的工作溫度可能發生不利的變化，尤其是一些安裝在內部的電氣部件，其內部微環境溫度受外部環境溫度影響不大卻受冷卻條件影響較大，就可能出現影響該部件可靠性的狀況。

不過，類似電機類的溫升指標，由于環境溫度的降低，基本可以補償空氣冷卻能力下降的影響，所以，在針對高原運行條件進行設計變更時，需要區別情況合理采取措施。

4 結束語

海拔1000m以上的高原地區是空氣源熱泵未來的應用市場，由于空氣源熱泵的制熱能力受空氣密度影響明顯，建議對預期高原地區使用的空氣源熱泵的特殊要求進行研究，避免由于缺乏適當的措施導致產品的性能和運行經濟性受到不良影響。同時，空氣源熱泵能效的檢測技術要求也應針對環境壓力的影響予以完善。關于海拔2000m以上高原地區使用的產品電氣安全的特殊要求，近期將隨著新一版GB 4706.1的發布成為強制的要求，現有的空氣源熱泵電氣安全設計將需要經過相應的變更才能滿足要求。

[1] 陳偉升.家用電器安全國際標準理解與案例分析-基于IEC 60335-1[M].第5.1版.北京：中國質檢出版社，2016

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

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

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

[5] 翟方志，朱茂華.通風機及其系統在不同海拔高度的性能變化及運用分析[J].企業技術開發，2011，(7):32-33+35

[6] GB/T 20626.1-2006 特殊環境條件 高原電工電子產品 第1部分：通用技術要求[S]

[7] GB/T 16935.1-2008(IEC 60664-1:2007,IDT)低壓系統內設備的絕緣配合 第1部分：原理、要求和試驗[S]

[8] JJF 1261.2-2010 房間空調器能源效率標識計量檢測規則[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，高級工程師，主要從事家用熱泵、太陽能、燃氣等熱利用等產品制造相關技術工作。

E-mail：hxq@vanward.com

ISSN1005-9180(2017)04-075-04

TQ051.5文獻標示碼B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.014