引言使用家用热泵热水器时，水箱中的水温均在45 ℃左右才能够满足日常需求，而长期使用时则需要用户将水温设置在45 ℃以上，若要考虑到杀菌需求，则需将水温设置到55 ℃才能够满足需求[1]。当需要水温达到45 ℃或者55 ℃时，由于室外环境温度过低，加热能效将显著降低。《家用和类似用途热泵热水器》（GB/T 23137—2008）采用15~55 ℃加热区间的总体能效衡量热泵热水器的能效[2]，但是不符合实际使用时水温长期处于45~55 ℃区间的情况。欧盟区标准采用实际使用放水时的能效作为衡量热泵热水器能效更加合理[3]。由于热泵热水器使用时水温长期处于较高的45~55 ℃温度下，加热时热泵热水器由冷态启动并实现制热的过程会存在较长的开机时间，将耗费大量的电能。目前对开机时段内的耗能研究相对较少，大多针对能效的评价方法进行研究，但对于具体产品能效的分析不足，而对于开机启动运行期间分析更少[4-7]，因此有必要开展热泵热水器开机启动运行期间的研究分析。针对热泵热水器不同环境温度下启动运行耗费的电能和时间进行分析，并提出解决开机启动运行期间耗电问题的方案。1理论分析家用热泵热水器使用时，水箱中的水温均在45 ℃左右才能够满足日常需求，热泵制热过程中，冷凝器中制冷剂的冷凝温度需高于该温度。热泵循环系统中，压缩机补偿做功P0使制冷剂压缩并维持压力，制冷剂在低温低压下蒸发并吸收低温环境的热量，被压缩机吸取送往高温高压的环境，高温高压下向冷凝器外释放的热量为Qk[8]，低温下吸气端制冷剂的容积流量qv1和制冷剂的比容v是影响制冷剂流量qm的重要因素，压缩机回气口制冷剂焓值h2和排气口焓值h1之差为压缩机推动做功，高温高压的制冷剂焓值h2向高环境释放热量Qk后焓值变为h3。热量Qk和压缩机做功P0计算公式如下：QK=qv1v1h2-h3 (1)P0=qv1v1h2-h1 (2)式(1)和式(2)反应热泵或制冷机组在压缩机做功下，从低温环境吸取热量并向高环境温度释放热量的基本原理，并且展示了回气比容越大制热量越小，另外制冷剂释放热量冷凝过程中(h2-h3)越大则制热量越大。通过分析可知，热泵机组不同运转状态下的制热效果及耗费的电量。2试验样品和方法采用市面上的家用定频热泵热水器，制热量3.1 kW，外盘管式水箱容积200 L，制冷剂为R410a，能效标称为二级能效4.0 W/W，室外工作最低环境温度为-25 ℃。以北方常见的安装方式，采用10 m连接管连接室内外机，连接管一半置于室外，另一半置于室内，安装于热泵热水器实验室，同时采用瑞士科勒PAA—23SY和T型铜—康铜热电偶，采集热泵系统压力和温度；横河WT230采集功率。试验步骤如下：（1）安装热水器后，在额定电压下设定55 ℃运行，并按照欧盟区标准进行放水模式，模拟用户一天的放水情况。测试从加热温升、待机输入功率和参考放水循环的实际使用能效COPDHW，采用放水的热量与热水器在这期间所耗费的电能的比值。放水模式模拟用户实际使用时间和用量，每天放水10次，总计放出热量2.1 kWh。（2）水箱水温和试验环境工况，如表1所示。期间每间隔5 s记录一次热水器的压力和温度的数据。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.009.T001表1水箱水温和试验环境工况水箱水温试验环境工况40205-10-2545205-10-2550205-10-2555205-10-25℃3试验结果及分析采用国家标准规定的加热能效和模拟实际使用放水能效COPDHW的对比，如图1所示。由图1可以看出，室外常温20 ℃时，实际使用放水能效COPDHW和加热期间能效差距并不大，但随着室外环境温度的降低，在-10 ℃时，实际使用能效已经低于1 W/W；-25 ℃时，甚至低至0.5 W/W以下，这与用户体验低环境温度下热水器耗电量明显加大的体验相符合。原因是热泵热水器在室外环境温度较低的情况下，热泵效率降低、制冷剂循环量降低、制热量降低，同时室外机处于低温下散热量加大，多个原因共同导致制热效果较差，制热效果不及普通电加热式热水器。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.009.F001图1定频热泵热水器放水能效和加热能效对比为分析高水温情况下机组启动运行情况，定义压缩机从启动到对热水产生制热（系统高压冷凝压力对应饱和温度高于水温）期间消耗的电能为开机耗电量，消耗的时间为开机时间。针对北方地区低环境温度下热泵的频繁开启和停止进行研究，以水温50 ℃室外环境温度为-10 ℃为例，分析高水温情况下机组启动运行情况。从压缩机启动到产生制热期间消耗了大量电能，同时耗费大量时间，温度越低消耗越大，放水期间的总耗电量与当天的环境温度和机组开机次数有关。统计不同温度下开停次数和开机到产生制热的效果期间耗电量与总耗电量的占比，如表2所示。由表2可知，机组在低室外环境温度下，室内环境温度20 ℃不变时，随着室外环境温度的降低，热泵一天的开机次数从4次增加到6次，然后又降低为4次。随着环境温度的降低，机组散热量有所增加，但增加幅度不大，而温度从-10 ℃降低到-25 ℃时，机组低温下热泵加热效果差，每次运行均需热泵长时间制热，因此开停次数降低。耗电量占比方面，在室外环境温度为20 ℃时，开机消耗的电量仅6.92%，影响较小，但随着室外环境温度的降低，耗电量占比显著升高，在-10 ℃时开机消耗的电量甚至达到15.9%，消耗较多的电能，主要因为随着室外环境温度降低，机组开机需更长时间才能产生热量，消耗电能大。而室外环境温度继续降低时，由于开机次数的降低，开机耗电量占比也同步降低至11.7%。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.009.T002表2开机到产生制热效果期间耗电量与总耗电量的占比室外侧环境温度/℃开机次数开机耗电量/kWh开机耗电量占比/%单次开机时间/min单次开机耗电量/kWh2040.2326.9250.058550.78411.113.50.157-1063.34515.9480.558-2544.18111.7901.045表2中也展示了不同室外环境温度下，单次开机耗电量和开机时间的关系。结果显示，单次耗电量和开机时间随着环境温度的降低大幅增加，对热水器的实际使用能效影响较大，与低温下能效低且耗电量高一致。分析单次开机时间和耗电量与水温的关系，如表3所示。在室外环境温度为-10 ℃时，不同水温对单次开机时间及耗电量的影响极大，当水温为40 ℃时，开机需16 min，而在水温50 ℃时则为48 min，水温继续升高到55 ℃时，开机时间则达到85 min，同时单次开机耗电量相应大幅增加，且产生的耗电量未产生制热效果，极大地影响机组使用的能效。当室外环境温度为-10 ℃、水温为50 ℃时，开机期间热泵热水器的各项参数的变化规律如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.009.T003表3单次开机时间和耗电量随水温的变化关系水温/℃单次开机时间/min单次开机耗电量/kWh40160.22345280.35850480.55855850.93910.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.009.F002图2开机期间热泵系统各项参数的变化规律由图2可知，室外环境温度为-10 ℃、水温50 ℃时，机组开机启动前48 min，机组各项参数处于剧烈变化当中。在第48 min时，机组高压压力对应饱和温度高于水温，制冷剂能够产生冷凝放热，期间系统吸气压力对应饱和温度低至近-50 ℃，且长时间低于-30 ℃，吸气过热度则长时间高于30 ℃，与运行稳定情况下的1~5 ℃过热度偏差较大。结合系统运行状态分析，在低压侧压缩机开启前，室外蒸发器中制冷剂以气液共存的形式存在，压力对应饱和温度和环境温度相同。在-10 ℃左右，启动瞬间蒸发器中制冷剂迅速沸腾，气体和液体同时被吸入压缩机内，蒸发完成后蒸发器中制冷剂缺少，因此出现过热的现象。在高压侧，由于压缩机为高压腔压缩机，开机瞬间吸入的气液两相制冷剂过热度不足，经过压缩的制冷剂过热度也不足，首先滞留于压缩机墙体内部，且被压缩机壳体和润滑油冷凝下来，导致压缩机腔体内部存在大量液态制冷剂，稀释压缩机润滑油，直至压缩机墙体满液，向排气管溢出，同步系统高压压力持续增高，但仍远低于冷凝器的环境温度水温50 ℃。以上是启动10 min以内发生的现象，对应图2中为吸气压力对应饱和温度接近-50 ℃这段时间发生的变化，总的开机时间长达48 min。为分析开机时间过长的原因，以开机第15 min的各项参数在压焓图上表示，逆卡诺循环状态示意图如图3所示。与开机前10 min不同，第15 min时，压缩机吸气口1的吸气温度存在高度过热现象，压缩机内部的排气口2排出的高度过热的高压制冷剂在压缩机腔体内部和高压排气管路继续膨胀被冷凝，然后到达冷凝器入口3进入冷凝器，在冷凝器中由于水箱水温温度过高，制冷剂无法冷凝对水箱进行加热，反而被水箱水温加热并过热，经过液管后回到室外侧蒸发器入口4，此时制冷剂状态为过热的气体，在室外侧被节流以后，制冷剂压力迅速降低并进入室外蒸发器5，在室外蒸发器中，气态制冷剂无法蒸发而继续过热直至接近环境温度，然后继续回到压缩机，如此完成完整的循环。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.009.F003图3开机15 min系统的逆卡诺循环压焓图由图3可知，室外机入口4为过热的气态制冷剂而非液态，该部分气态制冷剂经过节流时被狭窄的制冷剂过渡节流，导致制冷剂流量少，系统循环慢。另外这部分制冷剂由于气态且流量少无法蒸发，因此从低温环节中吸热量少，制热效果差，系统开机缓慢，耗电量过度，使用能效低。正常稳定持续制热时和开机15 min的热泵系统低压参数对比，如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.009.T004表4持续制热时和开机15 min各项参数的对比位置参数正常制热运行时开机15 min时体积差异节流前（高压侧）制冷剂温度/℃4530—制冷剂压力/MPa3.521.18—制冷剂比体积/（L/kg）1.17（液体）24.5521.00倍压缩机吸气（低压侧）制冷剂温度/℃-17.7-12.8—制冷剂压力/MPa0.4250.054—制冷剂比体积/（L/kg）61.36520.508.48倍根据理论分析式(1)和式(2)可知，在相同的容积流量（压缩机转速）qv1下，低压制冷剂的比容v是影响系统制热量Qk的关键因素。在节流部位，由于开机15 min时，系统的节流制冷剂比容v大小超过了正常制热运行时的21倍，主要原因在于系统正常制热运行时，系统节流为液态到液态的节流，流量大；而开机15 min时的节流为气态到气态的节流，流量小。另外，公式中(h2-h3)为冷凝侧的单位流量冷凝放热，在开机15 min时，冷凝侧并未发生冷凝变化，因此制热量Qk低，系统需较长时间才能将压缩机和管路等进行加热，并将提高压力到高于高压侧冷凝器中的水温，无效耗电量多、时间长、总体能效低。4设计改进影响热泵系统开机的外部原因主要是室外环境温度过低，系统自身的原因主要是低温下制冷剂迁移后，开机期间制冷剂流量过小，无法有效产生热量，系统开机慢、耗电量多。问题解决上，室外环境温度无法改变，需从产品设计方面进行改进：（1）在制冷剂高压侧冷凝器进口和出口分别设置截止阀，在上次运行停机后将液态制冷剂锁定在冷凝器中，确保下一次启动后节流为液态到液的节流，增加制冷剂流量加速开机的预热效果，但成本增加。（2）将室外侧节流装置更改为电子膨胀阀，在开机前一段时间增加电子膨胀阀开度，以增加制冷剂流量，提升开机速度，同时将压缩机更改为变频压缩机，在开机前一段时间以高频运行增加制冷剂流量，但成本也增加。（3）尽量避免无效加热，根据环境温度和水箱水温的关系，寻找适合的温度，以便热泵切换到纯电加热的形式，以避免低环境温度高水温时的低能效加热，降低开机耗电量和时间，例如在水温高于45 ℃环境温度低于-5 ℃时则切换热泵加热为纯电加热，但影响总体加热速度，需综合考虑平衡。5结语（1）与计算能效不同，家用热泵热水器实际使用时，系统能效随着室外环境温度的降低和水温的升高而升高，在过低的室外环境温度和过高的水温情况下，将低于1 W/W，热泵的优势不明显。（2）热泵热水器开机时有一段时间无法产生制热量，室外环境温度越低，其时间长度越长，耗电量越多。在室外环境温度为-10 ℃、水温为50 ℃时，模拟实际放水使用，一天开机6次，开机耗费电量占据当天热泵热水器耗电量的15.9%，对能效影响较大。（3）单次开机时，热泵热水器低压制冷剂迅速沸腾并进入压缩机冷凝，低压制冷剂补充较少，压力迅速降低，吸气过热度大幅增加，制冷剂流量少，系统循环慢。（4）低环境温度下制冷剂迁移到室外侧是开机时间过长的根本原因，期间制冷剂在高压侧得不到冷凝导致制冷剂在节流位置为气态到气态的节流，使系统流量大幅降低，开机时间长耗电量多。（5）通过改变制冷剂，将迁移状态、增加开机期间压缩机转速、降低开机期间节流装置的节流效果等方式，实现快速产生制热效果，但需综合评估效果和成本等之间的关系。