空氣源熱泵熱水器綜合性能研究

黃如 黃海

【摘 要】空氣源熱泵熱水器是一種新型的熱水器，具有節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，但它也存在著受環(huán)境溫度影響較大和系統(tǒng)效率不高、運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。為了更好的檢驗(yàn)空氣源熱泵熱水器綜合性能和優(yōu)化系統(tǒng)，本文結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)，就空氣源熱泵熱水器綜合性能進(jìn)行了研究，找到了影響空氣源熱泵熱水器運(yùn)行性能的因素，為空氣源熱泵熱水器的優(yōu)化提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】空氣源熱泵熱水器；不同環(huán)境溫度；性能；影響因素

【中圖分類號(hào)】TM925.32【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0026-02

隨著全球能量消耗的不斷增加，節(jié)能已成為全球面臨的問題，在這種環(huán)境下，空氣源熱泵熱水器作為一種節(jié)能設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。空氣源熱泵熱水器也稱 “熱泵熱水器”“空氣能熱水器”等。空氣源熱泵熱水器中的熱泵能把空氣中的低溫?zé)崮芪者M(jìn)來，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮埽訜崴疁亍＿@種空氣源熱泵熱水器具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，其耗電量是同等容量電熱水器的1/4，是燃?xì)鉄崴鞯?/3。空氣源熱泵熱水器的初期投資是煤氣、天然氣、電熱水器的三至五倍，但其日常運(yùn)行成本較低。

空氣源熱泵熱水器由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、熱力膨脹閥（或其他節(jié)流機(jī)構(gòu)）、冷凝器、水箱以及控制器等部件組成，如圖1所示。

基于空氣源熱泵熱水器性能優(yōu)化，系統(tǒng)研究了制冷劑充注量、冷凝盤管長(zhǎng)度、水箱容積、膨脹閥開度和水箱設(shè)定溫度等對(duì)熱泵熱水器性能的影響。分析了電子膨脹閥開度對(duì)熱泵熱水器性能的影響，建立了熱泵熱水器的動(dòng)態(tài)性能數(shù)值模型，指出在不同加熱時(shí)段切換膨脹閥開度可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提高。Farouk Fardoun等建立了空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型用以預(yù)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。

目前熱泵熱水器多采用制冷工質(zhì)R22，但隨著環(huán)保要求的不斷提高，熱泵熱水器面臨著制冷劑的替代問題。當(dāng)環(huán)境溫度比較適度并且冷凝溫度不是很高時(shí)，R22制冷劑有很好的熱力性能。但是當(dāng)熱泵系統(tǒng)在高溫環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度和排氣壓力都將被很大程度提高，嚴(yán)重影響了熱泵系統(tǒng)的安全性；VinceC.Mei等研究了用R407C替代R22在熱泵熱水器中的應(yīng)用，結(jié)果表明采用R407C的熱泵熱水器熱水加熱功率明顯高于R22系統(tǒng)，但R407C系統(tǒng)的耗能也有所增加，使得輸出高水溫時(shí)系統(tǒng)COP低于R22系統(tǒng)的。而工質(zhì)R134a的特性使得其更有利于熱泵熱水器的安全可靠運(yùn)行。因此筆者選用R134a作為熱泵工質(zhì)，對(duì)熱泵熱水器的系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真研究，以期對(duì)其今后的發(fā)展提供可行的優(yōu)化措施。

1 熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)裝置

空氣源熱泵熱水器的運(yùn)行性能實(shí)驗(yàn)在焓差試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的。本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用NPS—KD50/150型一體式靜態(tài)加熱式空氣源熱泵熱水器，制冷劑采用R134a，水箱標(biāo)定容量為150L。壓縮機(jī)采用三菱電機(jī)（廣州）滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，型號(hào)為RB174GHAC，額定轉(zhuǎn)速是2860/3400r/min（50/60Hz），理論排氣量為17.4cm，單汽缸，輸入功率850W；蒸發(fā)器采用風(fēng)冷式平直翅片管換熱器，4個(gè)支路，3排管布置，冷凝器的冷凝盤管環(huán)繞布置在水箱內(nèi)膽外壁上，管長(zhǎng)為4.6×104mm，節(jié)流機(jī)構(gòu)選擇熱力膨脹閥。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3種工況下均將水箱中的水從15℃加熱到55℃時(shí)停止測(cè)試。從圖2可以看出，環(huán)境溫度一定時(shí)，壓縮機(jī)的吸氣壓力和排氣壓力均隨時(shí)間的增加而不斷增大，但排氣壓力增大的速度要比吸氣壓力快得多，導(dǎo)致壓縮機(jī)的壓比不斷增加，壓縮機(jī)消耗功率不斷增大。

圖3所示分別為不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)制熱量和COP的變化情況，系統(tǒng)的制熱量和COP變化呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)。從圖3可以看出，系統(tǒng)平均C0P隨著環(huán)境溫度的升高不斷增加，主要原因在于隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度會(huì)不斷提高，制冷劑從空氣中吸入的熱量迅速增加，而壓縮機(jī)的平均消耗功率變化不大，從而使得系統(tǒng)C0P得到提高。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度對(duì)空氣源熱泵熱水器的性能有很大的影響，熱泵熱水器在高中溫工況可以較高效率運(yùn)行，但存在壓縮機(jī)過載的可能；而在低溫下運(yùn)行時(shí)其工作性能降低且不穩(wěn)定。空氣源熱泵熱水器在嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)的節(jié)能效果不明顯。

3 熱泵熱水器仿真與影響因素分析

為了分析R134a空氣源熱泵熱水器的特性，分別對(duì)熱泵系統(tǒng)各個(gè)部件建立數(shù)學(xué)模型，其中壓縮機(jī)和膨脹閥采用集總參數(shù)模型，蒸發(fā)器采用分布參數(shù)模型，冷凝盤管和水箱被看作螺旋套管換熱器，建立集總參數(shù)模型，制冷劑分為單相區(qū)和兩相區(qū)，分別選用不同的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算換熱系數(shù)，管內(nèi)蒸發(fā)換熱系數(shù)采用RinYun準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式計(jì)算，管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)采用YuandKoymaa準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式計(jì)算，蒸發(fā)換熱過程兩相流壓降采用Hara—guchi準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式計(jì)算，空氣側(cè)換熱系數(shù)采用WangC.C.準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式計(jì)算。將壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥數(shù)學(xué)模型通過質(zhì)量、能量和動(dòng)量的耦合關(guān)系聯(lián)立起來求解。具體流程可參考董玉軍對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組性能的仿真過程。

以名義工況為例，用仿真模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較。從中可以看出大部分仿真值與實(shí)驗(yàn)值接近，誤差都在10以內(nèi)，這表明所建立的空氣源熱泵熱水器的仿真程序中所選用的換熱關(guān)聯(lián)式比較合理，程序的精度可以滿足設(shè)計(jì)要求。在系統(tǒng)仿真研究系統(tǒng)性能的影響因素時(shí)，需要選取一個(gè)基準(zhǔn)條件。筆者所選取的具體參數(shù)是：制冷劑R134a，室外干球溫度20℃，室外濕球溫度15℃，蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)風(fēng)速2.3m/s，水箱進(jìn)水溫度15℃，冷凝器換熱面積0.2m。，蒸發(fā)器過熱度5℃，冷凝器過冷度10℃。仿真主要研究不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

3.1蒸發(fā)器入口空氣流速對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在研究空氣流速對(duì)系統(tǒng)性能的影響時(shí)，選取了7個(gè)不同的空氣流速，分別是：1.5m/s，2.0m/S，3.0m/s，4.0m/s，5.0m/s，6.0m/s，7.0m/s。

從中可以看出，水箱吸熱量和壓縮機(jī)輸入功率都隨著空氣流速的增加而呈增大的趨勢(shì)，當(dāng)空氣流速大于3m/s后，功率和吸熱量的變化趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)殚_始隨著蒸發(fā)器入口空氣流速的增加，蒸發(fā)器的進(jìn)空氣量增大，蒸發(fā)器的換熱效果得到提高，系統(tǒng)的制熱量增大；但隨著空氣流速繼續(xù)增加，過熱度過大減少了蒸發(fā)器的有效換熱面積，且無效過熱增大壓縮機(jī)吸氣比容，減小壓縮機(jī)制冷劑流量，系統(tǒng)性能逐漸趨于穩(wěn)定。同時(shí)，過高的吸氣溫度影響壓縮機(jī)的使用壽命。綜合考慮，系統(tǒng)存在一個(gè)最佳空氣流量。空氣流量的增加必定會(huì)提高系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)行的成本，因此在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)需要特別注意風(fēng)機(jī)的空氣流速和空氣流量的選取。

3.2 制冷劑流量對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在研究制冷劑流量對(duì)系統(tǒng)性能的影響時(shí)，選取了8種不同的流量，分別是：10g/s，11g/s，12g/s，13g/s，14g/s，15g/s，16g/s和17g/s，。

從中可以看出，壓縮機(jī)輸入功率隨制冷劑流量的增加不斷增大，而水箱吸熱量在質(zhì)量流量較小時(shí)，隨著制冷劑流量的增加不斷增大，但隨著制冷劑流量的繼續(xù)增加，水箱吸熱量的變化趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)椋×髁繒r(shí)，隨著制冷劑流量的增加，換熱管內(nèi)換熱系數(shù)增大，蒸發(fā)器和冷凝盤管的換熱量增大，但隨著制冷劑流量的繼續(xù)增大，過大的制冷劑流量不能保證合適的過熱度和制冷劑壓降，系統(tǒng)性能逐漸趨于穩(wěn)定，從而使得系統(tǒng)的COP呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，即制冷劑流量存在最佳值，使熱泵熱水器的性能系數(shù)達(dá)到最高，在本模擬中使COP達(dá)到最大的制冷劑質(zhì)量流量在14～15g/s范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

總之，隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能政策的進(jìn)一步落實(shí)，空氣源熱泵熱水器必將得到快速的發(fā)展。通過優(yōu)化系統(tǒng)提高運(yùn)行性能，進(jìn)一步完善空氣源熱泵熱水器性能，不斷降低成本，將有效促進(jìn)空氣源熱泵熱水器市場(chǎng)占有率的提高，達(dá)到節(jié)能環(huán)保、提高人們生活水平的目的。因此，本文對(duì)空氣源熱泵熱水器綜合性能的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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