【HETA】石文星教授：我国空气源热泵性能评价体系的发展方向
本期我们分享的是清华大学建筑技术科学系石文星教授关于《我国空气源热泵性能评价体系发展方向》的演讲PPT。
一：空气源热泵性能评价体系的发展历程
1、空气源热泵的主要产品类型
制取冷、热风：单元式空气调节机、多联式空调热泵机组、屋顶机、空气源热泵热风机…
制取冷、热水：空气源热泵冷热水机组、空气源热泵热水器…
2、产品适用地区
夏热冬暖地区
夏热冬冷地区
寒冷地区
严寒地区……
3、空调制冷产品性能评价方法概况
（1）制冷空调产品性能评价方法
“点”性能评价
EER、COP(C)；COP、COP(H)
季节性能评价
点评价 →不同负荷测试点评价
APF体系→SEER(CSPF)、SCOP(HSPF)
IPLV体系→ IPLV(C/H)与IEER
（2）季节性能指标是现行空调热泵产品性能评价的重要指标
更接近产品的实际应用状况的评价方法
综合考虑产品使用场合的建筑物冷、热负荷特性 & 热源侧工况变化对产品运行效率的影响
（3）全生命期性能→空调制冷产品性能评价的未来发展方向
4、空调热泵的现行性能评价体系
（1）单点评价
名义工况 & 其他工况点：考核→性能（EER、COP ）与可靠性
（2）多点评价
在单点评价基础上，增加季节性能评价指标
APF体系：全年能源消耗效率
制冷：CSPF（或 SEER）；制热：HSPF；全年：APF
主要标准：变频空调器、单元式空调机、多联机，等
表述方式：运行期间的总制冷/热量与机组耗电量之比
IPLV体系：综合部分负荷性能系数
制冷运行评价： IPLV(C)、IEER；制热运行评价： IPLV(H)
主要标准：冷水机组、低温空气源热泵（冷水）机组、机房空调，等
表述方式：典型负荷率下的COP加权求和
5、我国空调/热泵机组性能评价方法的发展历程
6、典型空气源热泵产品的季节性能指标
（1）房间空调器（空气-空气）
中国：
GB/T 7725-1996 房间空气调节器：EEＲ、COP
GB/T 7725-2004 房间空气调节器：变频空调器→推荐采用APF评价
GB 21455-2008 转速可控型房间空气调节器能效限定值：强制要求APF评价并给出限定值
其他国家：
JISB 8615-1: 1999、2013等：直吹式空调和热泵→ COP
JIS C 9216: 1999 房间空气调节器：采用制冷量和耗电量评价
JIS C 9216: 2005 房间空气调节器：采用APF评价
美国：AHRI 310/380: 2017 单元式空调（<19 kW）：采用多点评价测试
欧盟：PrEN14825: 2010 空间加热和冷却用带电动压缩机的空调部分：采用SCOP和SEER评价
ISO 5151-2010，ISO 16358: 2013等标准：HSPF、CSPF、APF
（2）单元式空气调节机（空气-空气）
中国：
GB/T 17758-1999 单元式空气调节机：COP
GB/T 17758-2010 单元式空气调节机：SEER/CSPF、HSPF、APF
其他国家：
JIS B 8616：1999 单元式空调机：COP、EERJIS B 8616：2003 单元式空调机：APF
JRA 4002：2006 商用空调机：增加APF的性能评价要求
JRA 4048：2006 单元式空调机的季节能源效率：首先给出CSPF、HSPF和APF指标的测试方法，此后采用CSPF、HSPF和APF
ANSI/AHRI340/360-2000 商业和工业单元式空调机：风冷式单元空调机→COP/EER
ANSI/AHRI340/360-2007：首次采用综合能效比IEER（<19kW风冷）
ANSI/AHRI220/240-2008 单元式空调机：小容量风冷机组→IEER
欧盟PrEN14825: 2010 单元式空调机：SCOP、SEER
ISO/CD 16358 单元式空调机：APF
（3）风冷式多联机（空气-空气）
中国：
GB/T 18837-2002 多联式空调（热泵）机组首次采用季节性能指标IPLV(C)评价
GB/T 25857-2010 低环境温度空气源多联式热泵（空调）机组
采用GB/T 18837-2002的评价方法：IPLV(C)、增加 IPLV(H)
GB/T 18837-2015 多联式空调（热泵）机组
风冷式→ SEER、HSPF、APF
水冷式→ IPLV
其他国家：
多联机包含在单元式空调机中
JIS B 8616：2003 单元式空调机：APF
JRA 4002：2006 商用空调机：增加APF的性能评价要求
JRA 4048：2006 单元式空调机的季节能源效率：CSPF、HSPF、APF
美国： AHRI1230-2010 变制冷剂流量（VRF）多联式空调系统和热泵设备性能标准：风冷式多联机 SEER评价（新编规范）
ISO：ISO 15042多联式空调和热泵的性能测试和评价：采用多点评价
欧盟：PrEN14825: 2010 单元式空调机：采用SCOP和SEER评价
7、各国空气源热泵产品的性能评价指标
空气源热泵能热水机组（空气-水）
中国：
JB/T 4329-1997 容积式冷水(热泵)机组：增加部分负荷评价
GB/T 18430-2001 蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组：点评价
GB/T 18430.1-2007 蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组：COP、IPLV
GB/T 25127-2010 低环境温度空气源热泵(冷水)机组： COP、 IPLV
GB 19577-2004 冷水机组能效限定值及能效等级：COP
GB 19577-2015 冷水机组能效限定值及能效等级：COP OR/AND IPLV
其他国家：
JIS B 8613:1994 冷水机组（含空气-水）：COP
JRA 4060：2014 工商业用热泵热水器：APF（首次制定）
JIS C 9220-2011 居民用热泵热水器：APF（首次制定）
美国：ANSI/AHRI 210-240：2017 采用SEER评价
欧盟：PrEN14825: 2010 采用SEER、SCOP评价
8、小结
各国空气源热泵评价体系的总体发展历程
从点评价（COP、EER）发展到点评价+季节性能评价（APF、IPLV），今后有望向全生命期性能评价方向发展；季节性能评价通过多点评价方式体现，主要有IPLV评价、APF评价两种体系。
我国空调制冷产品的性能评价体系
走过了由点评价到季节评价的历程，基本形成了空气-空气机组用APF评价，空气-水机组用IPLV评价的标准体系。
美国、日本、欧盟等国家和组织的性能评价体系
空气-空气热泵：采用APF（SEER）评价体系已形成共识
空气-水热泵机组：逐渐采用APF评价体系
二：APF和IPLV性能评价指标的异同点
1、季节性能评价的基本要素
APF和IPLV等季节性评价方法的确定，必须确立3个技术要素
典型建筑的冷、热负荷分布模型→空调热泵运行时的气象参数
产品的制冷与制热运行时间分布模型→使用场合的建筑物负荷特性
产品的全工况性能模型→产品本身的运行特性
需要说明的问题
三大要素本来都是客观的，但实际上存在主观性；
气象参数、建筑物负荷都需进行简化处理和边界条件假设，因此都将带入人为因素；
各国标准存在差异的原因；
气象参数、建筑物负荷特性不同（客观因素+主观因素）
2、APF指标体系的构建方法
3、IPLV指标体系的构建方法
（1）用一个单一数值表示的空气调节用热泵（冷水）机组的部分负荷效率指标
通过对有限个典型负荷率及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，所确定的用以评价单台机组在制热季或制冷季的综合运行性能
（2）IPLV = a×A + b×B +c×C + d×D
A、B、C、D：机组负荷率BLR=100 %、75 %、50 %和25 %时的性能系数COP；
a、b、c、d： BLR=100 %、75 %、50 %和25 %时的权重系数，包含了机组在各地、各负荷率下运行的总制冷（热）量比例，使用量信息；
制冷与制热：IPLV(C)与IPLV(H)
4、APF和IPLV的异同点
（1）相同点
目标相同：两类季节性能指标的最终目的相同，即在给定负荷和环境条件下机组运行一个阶段的平均能效比，以衡量其全工况运行情况；
测试环境相同：都需要测试多组部分负荷工况下的机组制冷（热）量、耗电量，以得到机组的能效比；
使用基础相同：都需要以建筑负荷模型、机组使用运行分布模型和设备性能模型为基础；
（2）不同点1：APF与IPLV定义不同、单位不同、含义不同
（3）不同点2：IPLV指标划分不明确； APF通常以1℃为分度
IPLV ： a、b、c、d中四段分界面没有明确的确定方法，导致不同的划分方法所得出的结论存在差异；
APF：外温按1℃进行分度（温频）精细、准确，按1℃的温频进行负荷计算和开机发生小时数统计更为准确、精细；
（4）不同点3：APF可以评价全年能源消耗效率；IPLV对于制冷季和制热季分开评价。
4、小结
（1）季节性能评价指标包含三大要素
建筑负荷线模型、运行时间分布模型、产品性能模型；
（2）APF和IPLV的出发点和本质相同
在给定环境、建筑负荷和运行条件下，通过典型工况性能反映机组在某个时段的平均能效比，以衡量机组的全工况运行性能；
（3）APF与IPLV存在很大的差异
定义不同、单位不同、含义不同；
IPLV室外温度划分偏粗，而APF划分精细；
APF可以评价全年能源消耗效率，而IPLV则分别评价制冷季和制热季节；
三：APF评价空气源热泵性能的科学性
1、理由一：APF指标是机组总冷（热）量与总耗电量之比，更能反映实际性能
【小故事】关于IPLV不能反映能效高低的争议
IPLV和SPLV（SePLV ）的异同点
计算示例：
从一个侧面反映：变容量制冷热泵机组采用SePLV或SPLV (APF) 评价体系更能反映机组的全工况运行性能。
多数情况下，4个测试工况点的COPc值差别并不明显，故IPLV仅略大于SPLV
当4个COPc值相差越大时，IPLV的数值也就越明显大于SPLV
对于变频冷水机组、变频空气源热泵，这一差异非常明显
2、 理由2：空气源热泵机组的性能受室外工况影响显著
无论制冷还是制热，室外工况（主要是干球温度和湿球温度）对机组性能影响显著
利用空调作息和室外气象参数，能较为清晰、明确地获得空调运行的室外温度发生小时数；
APF指标通常以1℃划分区间，更加准确、可靠；
冷水机组的性能主要取决于冷却塔出水温度
冷却塔出水温度取决于冷却塔性能和环境的湿球温度；
环境的湿球温度与干球温度的关联性并不明显；
3、理由3：便于对相同功能机组进行对等评价
（1）空气-空气、空气-水机组具有相同的功能
工况
制冷：室外35℃；室内27/19℃
制热：室外-12/-13.5℃；室内20℃
传热环节
空气-空气机组：直接膨胀制冷、制热；
空气-水机组：冷水、热水→空调末端设备→最终获得与空气-空气机组相同的室内工况；
（2）相同功能的设备采用相同的评价指标，具有可比性
服务于相同功能的建筑，采用对等的评价方法，对于设计人员、消费者都非常清晰地了解哪种系统更适合某个工程。
4、理由4：容易根据不同地区制定地方约束性标准
采用当地空调运行的室外温度发生小时数（表），计算当地使用时的CSPF、HSPF和APF；
5、理由5：空气源热泵采用APF评价指标已成为国际共识
空气-空气热泵机组国际上普遍采用APF评价体系
国家和地区：中国、美国、日本、欧洲等地
产品类型：房间空调器、多联机、单元式空调机等
我国如果率先采用APF评价体系来评价空气-水热泵机组，将成为世界的表率
推动空气源热泵性能评价的统一性，有助于企业确立产品技术发展方向
6、小结
APF含义明确、清晰；IPLV在评价变容量机组性能方面尚存在一定的争议；
空气源热泵机组的性能受室外工况影响显著，采用APF指标能更加准确可靠地反映空气源热泵的性能；
空气-空气、空气-水热泵机组采用统一的APF性能指标体系，便于相同功能的机组进行对等评价，有助于企业确立产品发展方向；
四：对我国空气源热泵APF评价体系的构想
1、建筑气候分区的目的
我国建筑气候有两种分类方法
建筑热工分区：GB50176-93《民用建筑热工设计规范》将我国建筑分为5个区，分别是“严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区”；
中国建筑气候区划：GB50352-2005《民用建筑设计通则》将我国分为7个区：I~Ⅶ；
建筑热工性能、气候区划→提出建筑围护结构和应对自然灾害的要求；
2、空气源热泵分区评价：必要性
空调热泵类型分区→研发适应于不同气候需求的空调热泵产品
我国幅员辽阔、气候复杂
空气源热泵机组用于不同气候区时，其性能受室外参数很大影响
因此，针对不同气候区研发的热泵机组，进行分区研发与性能评价，有利于平衡成本、高效运行。
采暖季和空调季的机组性能评价
如何分区？是否制冷、制热都需进行分区评价？
3、空气源热泵性能评价体系：构想
（1）名义性能评价指标
制冷：COPc
制热：COPh
（2）季节性能评价指标：APF指标体系
制冷：制冷季节能效比 CSPF（SEER）
制热：制热季节能效比 HSPF
全年：全年性能系数 APF
四个气候区制冷运行时：室外温度集中在24~29℃之间；名义制冷工况点集中在32~37 ℃之间→非常集中（接近）
四个气候区制热运行时：室外温度主要发生在-11~11℃之间；名义制热工况点差异很大→ -20℃（夏热冬暖地区）~7℃（严寒地区）
空气源热泵机组在我国逐渐成为不同地区制热的主要设备，故建议，根据我国气候特点，对热泵机组的制热性能进行分区评价 ；
将空气源热泵的应用地域分为三个区域：夏热冬暖地区、夏热冬冷地区、寒冷地区（华北），并建议分别命名为空气源热泵制热A区、B区、C区；
随着技术的进步，逐渐将其推广到严寒地区（东北），并命名为D区（预留）；对于高寒、高原地区的空气源热泵应用问题，由于涉及到的问题较多，尚需进一步论证、示范和实践；
名义性能评价：名义制冷工况
名义性能评价：名义制热工况
季节性能评价：制冷季节能效比CSPF
季节性能评价：制热季节能效比HSPF
季节性能评价：制热季节能效比HSPF
4、小结
空气源热泵制冷按一个区域评价，制热宜分区评价
制冷及制热A、B、C区名义工况
空气侧
制冷：名义工况为35℃
制热：A、B、C区分别为7/6 ℃、-2/-3℃、-12/-13.5℃
用户侧
需考虑末端及舒适性等因素确定
季节性能评价思路
各区功能相同的建筑采用相同的建筑负荷模型和相同运行时间分布模型
各区空气源热泵采用统一性能测试方法确定其性能模型
五：结束语
1、空调热泵机组性能评价指标的历程
从“点评价”逐渐发展到季节性能评价（APF、IPLV），最终将过度到全生命期性能评价；
2、APF体系比IPLV体系更为精细、准确
适合于空气-空气型空气源热泵产品的性能评价，已在国际上逐渐形成共识；
3、相同服务功能的空气源热泵产品的性能应具有可比性
我国空气-空气、空气-水空气源热泵将采用APF性能评价体系；
不同类型的空气源热泵产品拟采用制热分区评价；
各区采用相同的建筑负荷线、相同的运行时间分布、以及相同测试方法确定的性能模型；