馬金平，鐘瑜，程立權(quán)，范歡歡，蔡松素，劉杰

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

GB/T 19409-2013《水（地）源熱泵機(jī)組》國家標(biāo)準(zhǔn)解析

馬金平*，鐘瑜，程立權(quán)，范歡歡，蔡松素，劉杰

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

通過與上一版標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)分析，本文詳細(xì)解讀了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19409-2013《水（地）源熱泵機(jī)組》，包括產(chǎn)品的定義與型式、測(cè)試方法與試驗(yàn)工況、性能系數(shù)限定值以及安全要求等內(nèi)容，并指出了標(biāo)準(zhǔn)修訂的初衷與解決的重點(diǎn)問題，為正確理解標(biāo)準(zhǔn)條款、評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能提供了技術(shù)指導(dǎo)。

水源熱泵；地源熱泵；國家標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

近年來，以水源、空氣源為代表的熱泵技術(shù)正得到快速的發(fā)展，各類新產(chǎn)品不斷推陳出新。其中，水（地）源熱泵機(jī)組與空氣源熱泵機(jī)組相比，因其熱源側(cè)溫度相對(duì)穩(wěn)定、制熱時(shí)不需要除霜、不必使用輔助電加熱和整機(jī)能效比較高等優(yōu)點(diǎn)，在我國大部分地區(qū)尤其是華北被迅速推廣使用。

2003年，《水源熱泵機(jī)組》國家標(biāo)準(zhǔn)[1]應(yīng)運(yùn)而生，較好地統(tǒng)一了技術(shù)要求、規(guī)范了產(chǎn)品設(shè)計(jì)，推動(dòng)了行業(yè)進(jìn)步也活躍了市場(chǎng)氛圍。近年來，隨著產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展，2003版標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行過程中逐漸暴露出一些不足之處，如：

1）水源熱泵機(jī)組型式分類的表述不夠完善；

2）水源熱泵機(jī)組冷量的分檔過分細(xì)化，增加了誤判的風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量管控的成本；

3）單一的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)不利于水源熱泵機(jī)組產(chǎn)品綜合性能的提升和產(chǎn)品間的性能比較；

4）標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)工況不適用于使用離心式壓縮機(jī)的水源熱泵機(jī)組，影響該類機(jī)組的推廣使用；

5）水源熱泵機(jī)組試驗(yàn)工況中的關(guān)鍵參數(shù)：進(jìn)、出水溫度，在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)參數(shù)控制的可操作性差；且規(guī)定的進(jìn)出水溫度的方式與目前其他國標(biāo)不統(tǒng)一。

2012年標(biāo)準(zhǔn)修訂后，GB/T 19409-2013《水（地）源熱泵機(jī)組》[2]（以下未特別指明的“標(biāo)準(zhǔn)”均指該標(biāo)準(zhǔn)）很好地解決了上述問題。該標(biāo)準(zhǔn)已于2014年10月1日開始正式實(shí)施。本文將對(duì)標(biāo)準(zhǔn)修訂后主要的內(nèi)容變化進(jìn)行重點(diǎn)解析，以幫助使用者更好地理解標(biāo)準(zhǔn)條款，確保標(biāo)準(zhǔn)順利實(shí)施。

1 產(chǎn)品的范圍、定義與型式

在對(duì)水（地）源熱泵機(jī)組的范圍和分類進(jìn)行廣泛調(diào)研和科學(xué)分析研究的基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)做了更加合理的界定和劃分。

標(biāo)準(zhǔn)適用于采用電動(dòng)機(jī)械壓縮式制冷系統(tǒng)，且以循環(huán)流動(dòng)于地埋管中的水或水井、湖泊、河流、海洋中的水或生活污水及工業(yè)廢水或共用管路中的水為冷（熱）源的水（地）源熱泵機(jī)組。水（地）源熱泵機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱“機(jī)組”）簡(jiǎn)言之就是以某種“特定的水”作為冷（熱）源來制取冷（熱）風(fēng)或冷（熱）水的設(shè)備。這種“特定的水”包含四類：① 公共管路中循環(huán)流動(dòng)的水；② 江河湖海的水以及生活污水、工業(yè)廢水等地表水；③ 水井中抽取的地下水；④ 在地埋管中循環(huán)流動(dòng)的水。四類水源分別對(duì)應(yīng)了水環(huán)式、地表水式、地下水式和地埋管式四種機(jī)型。這種以水源類型進(jìn)行的型式劃分相對(duì)2003版標(biāo)準(zhǔn)的變化可參見表1。

表1 水源熱泵機(jī)組的型式變化

在理解產(chǎn)品的定義與型式時(shí)，應(yīng)注意到：

1) 標(biāo)準(zhǔn)的范圍和水源熱泵機(jī)組的定義中，“冷熱源”的定語比較長(zhǎng)，不易斷句，大家可以參照表1按“從地下到地上”的順序來理解和記憶；

2) 地表水中增加了“生活污水”和“工業(yè)廢水”，這主要是采納了GB 50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[3]條文說明中對(duì)于地表水的解釋；

3) 水源熱泵中的“水”不必為一般意義上的純凈的水，它還可以是各類水溶液，如鹽水或是添加了防凍劑的水溶液（如乙二醇溶液）等，這可根據(jù)機(jī)組實(shí)際所使用的熱源流體而定；

4) 機(jī)組按照功能劃分時(shí)，除了單冷型和熱泵型，還根據(jù)實(shí)際情況補(bǔ)充了單熱型，但主要針對(duì)于冷熱水型機(jī)組。

2 測(cè)試方法

在進(jìn)行機(jī)組的制冷量和制熱量試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)側(cè)的試驗(yàn)方法參照GB/T 17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》[4]附錄A，水側(cè)的試驗(yàn)方法參照GB/T 10870《容積式和離心式冷水（熱泵）機(jī)組 性能試驗(yàn)方法》[5]。

標(biāo)準(zhǔn)鼓勵(lì)采取不同的試驗(yàn)方法來獲得產(chǎn)品的制冷、制熱性能數(shù)據(jù)，但是當(dāng)需要進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的比對(duì)驗(yàn)證或是產(chǎn)品測(cè)試存在爭(zhēng)議時(shí)，其校準(zhǔn)試驗(yàn)必須采用空氣焓差法和液體載冷劑法。標(biāo)準(zhǔn)的這一規(guī)定既給測(cè)試以靈活處理的空間，同時(shí)在權(quán)威性方面又具有高度的統(tǒng)一性。

3 試驗(yàn)工況

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)工況的調(diào)整主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）機(jī)組熱源側(cè)的工況參數(shù)進(jìn)、出水溫度的組合改為進(jìn)水溫度和水流量的組合；冷熱水型機(jī)組使用側(cè)的工況參數(shù)進(jìn)、出水溫度的組合改為出水溫度與水流量的組合。上述內(nèi)容詳見標(biāo)準(zhǔn)的表4和表5。該調(diào)整一方面使得試驗(yàn)的可操作性大大提升，另一方面也與冷水機(jī)組等其他產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)一致，與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。根據(jù)現(xiàn)行的冷凍空調(diào)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系，新制修訂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于水側(cè)工況的規(guī)定均已統(tǒng)一為進(jìn)水（或出水）溫度和水流量的組合方式。

對(duì)于冷熱風(fēng)型機(jī)組，熱泵型機(jī)組進(jìn)行制熱工況試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，其單位制冷（熱）量水流量應(yīng)直接采用名義制冷工況確定的單位制冷（熱）量水流量，即制冷工況和制熱工況時(shí)的水流量相同。單熱型機(jī)組僅需進(jìn)行制熱工況試驗(yàn)，進(jìn)行該工況運(yùn)行時(shí)，其單位制冷（熱）量水流量應(yīng)采用名義制熱量計(jì)算確定的水流量。

對(duì)于冷熱水型機(jī)組，熱泵型機(jī)組做制熱運(yùn)行時(shí)其單位制冷（熱）量水流量應(yīng)直接采用名義制冷工況確定的單位制冷（熱）量水流量。單熱型機(jī)組僅需進(jìn)行制熱工況試驗(yàn)，此時(shí)無論使用側(cè)還是熱源側(cè)，其單位制冷（熱）量水流量均采用依據(jù)7℃設(shè)計(jì)溫差和名義制熱量計(jì)算確定的水流量。

2）標(biāo)準(zhǔn)中提出了針對(duì)離心式冷熱水型機(jī)組的試驗(yàn)工況。2003版標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，機(jī)組所配置的壓縮機(jī)幾乎全都是容積式制冷壓縮機(jī)，因此2003版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的機(jī)組試驗(yàn)工況僅與容積式制冷壓縮機(jī)的運(yùn)行域相適應(yīng)。近年來，隨著離心式壓縮機(jī)在冷熱水型機(jī)組上的推廣應(yīng)用，機(jī)組的制冷（熱）量的上限能力得到了大幅提升。而使用離心式壓縮機(jī)的機(jī)組運(yùn)行域與使用容積式制冷壓縮機(jī)的機(jī)組運(yùn)行域不同，因此，標(biāo)準(zhǔn)在修訂時(shí)考慮到該類型機(jī)組運(yùn)行的特殊性，尤其是在進(jìn)行極限工況運(yùn)行和變工況運(yùn)行時(shí)的差異，從而明確了與離心制冷壓縮機(jī)相適應(yīng)的試驗(yàn)工況。

當(dāng)然，不論是使用渦旋式制冷壓縮機(jī)、螺桿式制冷壓縮機(jī)還是離心式制冷壓縮機(jī)的機(jī)組，在進(jìn)行性能評(píng)價(jià)時(shí)所采用名義工況是一致的，只有統(tǒng)一的性能評(píng)價(jià)比較平臺(tái)才能反映機(jī)組制冷制熱性能和彼此之間的差異，引導(dǎo)產(chǎn)品主動(dòng)優(yōu)化配置，向著更加科學(xué)、合理的方向發(fā)展。

3）由于機(jī)組型式的調(diào)整，原“地下水式”實(shí)質(zhì)性的拆分成了“地表水式”和“地下水式”，因此原來以江河湖海中的水為冷熱源的水源熱泵機(jī)組，就要轉(zhuǎn)而執(zhí)行新的試驗(yàn)工況。對(duì)于某些熱泵型的該類機(jī)組，由于原換熱器是同時(shí)兼顧兩種溫差來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，故相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)重新對(duì)該類型產(chǎn)品的性能進(jìn)行摸底評(píng)估，必要時(shí)可重新優(yōu)化換熱器的設(shè)計(jì)。

4）對(duì)于冷熱水型機(jī)組，由于蒸發(fā)器側(cè)、冷凝器側(cè)均為水-水換熱，環(huán)境空氣狀態(tài)對(duì)機(jī)組性能測(cè)試的影響基本可以忽略不計(jì)，因此標(biāo)準(zhǔn)取消了環(huán)境工況要求。同時(shí)，凝露問題也不是冷熱水型機(jī)組制冷時(shí)的突出矛盾，故凝露工況也被刪除。凝露的相關(guān)要求只針對(duì)冷熱風(fēng)型機(jī)組的制冷運(yùn)行狀態(tài)。上述修改保持了與GB/T 18430系列標(biāo)準(zhǔn)[6-7]的一致性。

5）考慮到試驗(yàn)的可操作性，標(biāo)準(zhǔn)將冷熱風(fēng)型地埋管式（原地下環(huán)路式）機(jī)組名義制熱工況中的熱源側(cè)進(jìn)水溫度由0 ℃調(diào)整為10 ℃，最小運(yùn)行和變工況運(yùn)行的進(jìn)水溫度也同比上調(diào)了10 ℃，由-5 ℃改為5 ℃。這樣，確保熱源側(cè)測(cè)試流體使用當(dāng)?shù)厣钣盟纯伞?/p>

6）為了使得試驗(yàn)工況穩(wěn)定，并能獲得準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，除了對(duì)溫濕度設(shè)置讀數(shù)允差外，筆者認(rèn)為試驗(yàn)電壓和水流量也很重要，對(duì)名義值的偏差控制在±5%以內(nèi)比較合適。

4 性能系數(shù)限定值

標(biāo)準(zhǔn)在對(duì)產(chǎn)品的制冷和制熱性能要求進(jìn)行修訂時(shí)，主要基于以下三方面的考量：

1）什么樣的評(píng)價(jià)指標(biāo)更合理？

2）是否可以簡(jiǎn)化機(jī)組的冷量分檔？

3）性能限定值如何確定？

隨著制冷空調(diào)產(chǎn)品的不斷發(fā)展和測(cè)試評(píng)價(jià)體系的逐步完善，使用單一能效比EER或性能系數(shù)COP來評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能的方法越來越遭到詬病，于是，IPLV、APF等新的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生?？紤]到水源熱泵機(jī)組的熱源側(cè)水源溫度相對(duì)穩(wěn)定（尤其是地下水式和地埋管式），因此直接采用IPLV或APF指標(biāo)考核也不盡合理。為了鼓勵(lì)熱泵技術(shù)向北發(fā)展和保持自然界熱源平衡的需要，標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造性地提出了全年綜合性能系數(shù)ACOP的概念，采用水源熱泵能效比與性能系數(shù)的加權(quán)來作為其能效評(píng)價(jià)性能參數(shù)，加權(quán)系數(shù)為北京、哈爾濱、武漢、南京、廣州五個(gè)典型城市辦公建筑中總制冷小時(shí)數(shù)和總制熱小時(shí)數(shù)的占比。計(jì)算公式為：

標(biāo)準(zhǔn)起草工作組在進(jìn)行機(jī)組簡(jiǎn)化分檔的研究時(shí)采集了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]，通過對(duì)數(shù)百臺(tái)各種型式水源熱泵的能效進(jìn)行比較、分析后發(fā)現(xiàn)：

1) 采用渦旋式壓縮機(jī)的機(jī)組一般冷量都在150 kW以下，而采用螺桿式壓縮機(jī)的機(jī)組其冷量一般在150 kW以上；

2) 冷熱風(fēng)型機(jī)組以小機(jī)組偏多，且冷量越小集中度越高；

3) 水環(huán)式冷熱風(fēng)型機(jī)組ACOP平均值約為3.8，約80%的機(jī)組能超過3.5；150 kW以下水環(huán)式冷熱水型機(jī)組ACOP平均值約為4.2，約80%的機(jī)組能超過3.8；150 kW以上水環(huán)式冷熱水型機(jī)組ACOP平均值約為4.7，約90%超過4.0；

4) 150 kW以下地下水式冷熱水型機(jī)組ACOP平均值約為4.5，約80%的機(jī)組能超過3.9；150 kW以上地下水式冷熱水型機(jī)組ACOP平均值約為5，約80%的機(jī)組能超過4.4；

5) 根據(jù)公式(1)將2003版標(biāo)準(zhǔn)中的EER和COP限值進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化結(jié)果參見表2。

從表2中可以看出：① 水環(huán)式和地下環(huán)路式兩類機(jī)組的ACOP限值每一檔都非常接近，因此可以統(tǒng)一。② 150 kW以下的每種類型機(jī)組，其ACOP限值的級(jí)差都很小，最高值和最低值的差值基本都在0.25以內(nèi)，因此再分檔加以區(qū)別意義不大；150 kW以上機(jī)組差別則更小。③ 地下水式機(jī)組ACOP明顯優(yōu)于其它類型機(jī)組，一般冷熱風(fēng)型高0.26左右，冷熱水型機(jī)組高0.28左右。

表2 由原標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化的ACOP限定值

標(biāo)準(zhǔn)綜合以上各因素后，再結(jié)合當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀、趨勢(shì)和潛力，最終將水源熱泵機(jī)組的全年綜合性能系數(shù)確定如表3所示。

表3 熱泵型機(jī)組的ACOP限值

基于同樣的方法和思路，標(biāo)準(zhǔn)也最終確定了單冷型機(jī)組EER和單熱型機(jī)組COP的限值，分別如表4和表5所示。新增的地表水式機(jī)組執(zhí)行與地埋管式同樣的標(biāo)準(zhǔn)。

表4 單冷型機(jī)組的EER限值

表5 單熱型機(jī)組的COP限值

這里需要說明以下3點(diǎn)。① 對(duì)于熱泵型機(jī)組，標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定必須單獨(dú)考核EER和COP，而是只要ACOP達(dá)標(biāo)即可。這體現(xiàn)了不再單一追求機(jī)組制冷或制熱效果的思路，而是要求設(shè)計(jì)人員從一開始就專注于機(jī)組整體性能的均衡性。② 標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)雖然增加了單熱型機(jī)組，但是鑒于該類型機(jī)組較為少見，且目前只有熱水型機(jī)組，故單熱型熱風(fēng)型機(jī)組沒有規(guī)定COP限值，但仍要滿足不低于明示值92%的要求。③ 標(biāo)準(zhǔn)的表3中，CC對(duì)于單熱型機(jī)組為名義制熱量，對(duì)于單冷和熱泵型機(jī)組則均表示名義制冷量。

5 安全要求

比照新老標(biāo)準(zhǔn)第7章“檢驗(yàn)項(xiàng)目”的表格，我們發(fā)現(xiàn)有關(guān)安全方面的檢驗(yàn)項(xiàng)目并未發(fā)生變化。而實(shí)際情況是，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品安全方面的要求已經(jīng)完全脫離了之前的評(píng)價(jià)體系。

2003版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品安全的評(píng)價(jià)分別從“制冷系統(tǒng)安全”、“機(jī)械安全”和“電氣安全”三個(gè)方面著眼，其中電氣安全所選的8個(gè)考查項(xiàng)目也都是基于GB 4706家用和類似用途電器的安全。

隨著我國冷凍空調(diào)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷完善，一套行業(yè)特有的安全評(píng)價(jià)體系正被逐漸勾勒出來，尤其是GB 25130-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī) 安全要求》[9]和GB 25131-2010《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組 安全要求》[10]兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，基本奠定了各類產(chǎn)品安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，使得產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中無需再對(duì)共性的安全問題進(jìn)行贅述，而只需對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)條款的適用性和具體產(chǎn)品的特殊性進(jìn)行衡量。

綜上，標(biāo)準(zhǔn)修訂后，其安全要求和試驗(yàn)方法完全指向了GB 25131[10]，標(biāo)準(zhǔn)表8中的安全檢驗(yàn)項(xiàng)目要對(duì)應(yīng)GB 25131[10]去理解，如“泄漏電流”、“電氣強(qiáng)度”和“接地電阻”就分別指“絕緣電阻”、“耐電壓”和“接地裝置”。

6 結(jié)論

此次《水（地）源熱泵機(jī)組》標(biāo)準(zhǔn)的修訂，是時(shí)隔10年后對(duì)水源熱泵技術(shù)水平和產(chǎn)品現(xiàn)狀的一次徹底梳理，通過更加科學(xué)合理的型式分類，讓不同水源的熱泵機(jī)組重新明確了各自的試驗(yàn)工況和性能要求，使得該類產(chǎn)品的評(píng)價(jià)體系更加合理、科學(xué)、完善，為水地源熱泵技術(shù)和產(chǎn)品向縱深方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

標(biāo)準(zhǔn)修訂后，從產(chǎn)品型式、測(cè)試工況到評(píng)價(jià)指標(biāo)變化都比較大，雖然起草組采集了大量的測(cè)試數(shù)據(jù)以期發(fā)現(xiàn)更多的規(guī)律，但是考慮到機(jī)組性能每三到五年就會(huì)邁上一個(gè)臺(tái)階，因此這些變化的合理性還有待實(shí)踐的進(jìn)一步檢驗(yàn)。

[1] GB/T 19409-2003 水源熱泵機(jī)組[S].

[2] GB/T 19409-2013 水（地）源熱泵機(jī)組[S].

[3] GB 50366-2005 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4] GB/T 17758-2010 單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)[S].

[5] GB/T 10870 容積式和離心式冷水（熱泵）機(jī)組 性能試驗(yàn)方法[S].

[6] GB/T 18430.1-2001 蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組 工商業(yè)用和類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組[S].

[7] GB/T 18430.2-2001 蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組 戶用和類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組[S].

[8] 張明圣, 彭飛, 鐘瑜. GB/T 19409《水源熱泵機(jī)組》修訂中的幾個(gè)關(guān)鍵問題[J]. 制冷技術(shù), 2012, 32(3): 46-50.

[9] GB 25130-2010 單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī) 安全要求[S].

[10] GB 25131-2010 蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組 安全要求[S].

Analysis of GB/T 19409-2013 "Water Source (Ground Source) Heat Pump Units" National Standard

MA Jin-ping*, ZHONG Yu, CHENG Li-quan, FAN Huan-huan, CAI Song-su, LIU Jie
(Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230088, China)

Based on the comparisons of the last version and the revised version of GB/T 19409-2013 "Water Source (Ground Source) Heat Pump units" national standard, the contents were studied in detail, including definitions, types, testing methods and conditions, performance coefficient limits and safety requirements, etc. The original intention and the key problems to be solved are pointed out. The research results provide the technical guidance for better understanding the items of the standard and for performance evaluation of the products.

Water source heat pumps; Ground source heat pumps; National standard

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.203

*馬金平（1979-），男，工程師，學(xué)士。研究方向：制冷空調(diào)。聯(lián)系地址：安徽省合肥市長(zhǎng)江西路888號(hào)，郵編：230031。聯(lián)系電話：0551-65335461。E-mail：beingo@163.com。

國家科技支撐計(jì)劃課題：《基于多能互補(bǔ)建筑節(jié)能及綜合調(diào)控技術(shù)》（課題號(hào)：2012BAA13B02）