關于空氣源熱泵熱水器系統結構的研究

摘要：熱泵熱水器以其節能、環保、高效、全天候使用，已得到了越來越廣泛的使用，空氣源熱泵熱水器因其安裝方便也已進入到了普通的家庭用戶。影響空氣源熱泵熱水器能效的因素很多，本文主要介紹空氣源熱泵熱水器在系統結構方面的研究動向。

關鍵詞：空氣源 熱泵熱水器 系統結構 研究

隨著國內對能源消耗的增大，發展節能產品已成為主流。空氣源熱泵熱水器以其節能、便于安裝等特點已成為了家用和商用熱水器的發展趨勢。影響空氣源熱泵熱水器能效的因素很多，因此，如何進一步提高節能效果已成為目前研究的重點。

1.空氣源熱泵熱水器簡介

1.1 熱泵熱水器的原理

熱泵熱水器是一種節能、高效的供熱水產品，其主體是熱泵系統，以電能作為驅動力，利用制冷工質吸收環境中的熱量，并通過熱泵循環將該部分熱量傳遞給水來制取熱水。

熱泵技術的基本原理是逆卡諾循環，實質上是一種熱量提升裝置，即從周圍環境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對象。其主要裝置由蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四部分組成。

1.2 空氣源熱泵熱水器的優點

空氣源熱泵熱水器具有高效節能的特點，其節能效果是電熱水器的4倍，是燃氣熱水器的3倍。在運行費用上，空氣源熱泵熱水器的初期投資雖然較高，是煤氣、天然氣、電熱水器的三至五倍，但其日常運行成本較低。據專家測算，120升水從15℃上升到55℃，煤氣熱水器所需的運行費用為1.74元，天然氣熱水器為1.26元，電熱水器為3.60元，而空氣源熱泵熱水器約為0.95元。

2.空氣源熱泵熱水器系統結構的研究

空氣源熱泵熱水器在使用中受到環境溫度、進水溫度、組成部件性能等的影響，目前，國內外的諸多學者已經在換熱器的結構、節流機構、壓縮機等系統結構方面開展了諸多的研究。

2.1換熱器結構研究

2.1.1管路設計

管路設計是影響換熱器換熱性能的一個主要因素，對管翅式換熱器而言，分流的支路數熱泵系統中有很大差別。黃東等利用軟件模擬熱泵蒸發器，指出蒸發器的換熱量在管路支路數較少時受傳熱溫差和傳熱系數共同影響；在支路數較多時則主要受傳熱系數的影響，即適當的支路數才能保證蒸發器充分發揮換熱能力。

2.1.2 換熱器的研究

換熱器的盤管結構對換熱器換熱性能有很大的影響，目前，盤管所采用的多是銅管，盤管結構主要指銅管的內徑、形狀和盤管的形狀等。目前空氣源熱泵熱水器的銅管主要是內肋銅管如內螺紋銅管等，室外換熱器的盤管形狀一般都是水平U 型管。盤管結構方面的研究工作主要是銅管的內徑和冷凝盤管的形狀，以及如何減少用料、降低成本。對銅管內徑的研究，主要研究是制冷劑在不同內徑的各種管路中的換熱系數及其關聯式研究。對精度較高的冷凝、沸騰換熱特性的關聯式做進一步研究，對減小銅管管徑、節省材料、降低產品的試驗難度有一定的幫助。

對于冷凝盤管，其形狀對儲水桶的換熱能力有很大的影響，陳嘉澍等對容量為 90L 的立式儲水桶中冷凝盤管分別采用等徑螺旋盤管和非等徑螺旋盤管進行對比試驗研究，發現非等徑螺旋盤管的換熱性能要高于等徑盤旋盤管，說明對容量較小(100L 以內)的立式儲水桶采用非等徑螺旋盤管，換熱性能較優越。但對于容量較大的立式儲水桶，使用類似的盤管存在用料多、不易固定等問題，一般采用在底部安裝等徑螺旋冷凝盤管，利用自然對流加熱的方法。

翅片結構也是影響換熱器換熱性能的一個因素，翅片主要有平翅片、開縫翅片、波紋翅片等。目前大部分空氣源熱泵熱水器都是采用開縫翅片，不同開縫翅片的形狀和間距會產生不同的換熱效果。因此，翅片結構也是目前國內外學者的一個重要研究課題。

2.2 節流機構的研究

對節流機構是熱泵熱水器系統的一個重要組成部分，常見的節流機構有毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等。采用毛細管作為節流機構的熱泵熱水器，其優勢是降低了生產成本，缺點是工況適應能力差。熱力膨脹閥分為單向和雙向熱力膨脹閥，熱泵熱水器中主要采用雙向熱力膨脹閥，張良俊等實驗研究了熱力膨脹閥對空氣源熱泵熱水器穩定特性的影響，指出膨脹閥開度和制冷劑充注量是影響系統穩定特性的重要因素，且熱力膨脹閥對熱泵熱水器系統全年運行的流量調節有一定的局限性。電子膨脹閥擁有調節精度高、調節范圍大、快速制熱制冷等特點，在變頻系統中已經有了很好的應用。可以看出，三種節流元件各有優缺點，具有一定的適用范圍，在熱泵熱水器中的應用中，應根據用戶的不同要求采用不同的節流機構。

2.3 壓縮機的研究

壓縮機是熱泵系統中最重要的部件，目前國內外很多企業都在進行專門應用于熱泵系統的壓縮機，谷輪、大金、東芝等已經有產品推出。目前常見的壓縮機如往復活塞式壓縮機、滾動轉子壓縮機、渦旋壓縮機等在熱泵熱水器中都有應用。

壓縮機的應用一般是根據不同的工質來進行選擇。目前在家用熱泵熱水器中，常用的工質主要是R22、R417A、R410A等，采用的壓縮機大多是滾動轉子式壓縮機，游斌等試驗研究表明環境溫度-7℃~43℃之間時，轉子壓縮機在 R22 空氣源熱泵熱水器中有很好的可靠性。渦旋壓縮機在家用熱泵熱水器中也有所應用，在研究出專門的熱泵壓縮機之前，有專家提出用渦旋壓縮機作為熱泵熱水器的過渡壓縮機，采用“兩步換熱法”來保證渦旋壓縮機在熱泵熱水器中應用的可靠性。

參考文獻：

[1]黃東，李權旭.R22 與 R410A 熱泵中蒸發器性能隨支路數變化的比較[J].西安交通大學學報， 43(7)

[2]陳嘉澍， 陳姝， 卓獻榮等.立桶式家用熱泵熱水器冷凝器性能的研究[J].仲愷農業技術學院學報， 2006（19)