雙級(jí)空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能分析

陳 軍，李波海

(1.承德石油高等專科學(xué)校熱能工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學(xué)校化學(xué)工程系，河北 承德 067000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，熱水在日常生活中使用越來越普遍。傳統(tǒng)的熱水器存在能耗高、污染嚴(yán)重或受氣象條件制約等缺點(diǎn)。與此相比，家用空氣源熱泵熱水器以空氣為低溫?zé)嵩矗ㄟ^消耗部分電能來從低溫?zé)嵩次諢崃浚糜诩訜嵘顭崴┘彝ナ褂谩？諝庠礋崴髦幌碾娔埽哂泄?jié)能、效率高，使用方便，不污染環(huán)境等特點(diǎn)。但普通家用單級(jí)空氣源熱泵熱水器在較低的環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí)，隨著儲(chǔ)水箱水溫逐漸上升，冷凝溫度(壓力)也逐漸上升，在蒸發(fā)壓力不變的情況下，存在著壓縮機(jī)的壓縮比持續(xù)增加，超出普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)正常運(yùn)行的臨界值，壓縮效率較低;排氣溫度過高，輸氣系數(shù)減少等問題。采用雙級(jí)壓縮空氣源熱泵熱水器則可有效的解決這些問題，通過合理的安排高壓級(jí)壓縮機(jī)的投入時(shí)機(jī)，使整個(gè)壓縮系統(tǒng)達(dá)到較高的制熱系數(shù)［1-3］。本文擬用穩(wěn)態(tài)模型研究雙極空氣源熱泵熱水器運(yùn)行參數(shù)對(duì)其性能的影響。

1 雙級(jí)空氣源熱泵熱水器的工作原理

雙級(jí)空氣源熱泵熱水器是按照“逆卡諾循環(huán)”原理工作的。冷媒在蒸發(fā)器內(nèi)吸收流過蒸發(fā)器外空氣的熱量，轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，經(jīng)壓縮機(jī)升壓后進(jìn)入冷凝器后釋放出熱量加熱水，同時(shí)冷媒凝結(jié)為液體，如此不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)將低溫能量提升為高位能量的目的。雙級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

為提高空氣源熱泵系統(tǒng)低溫適應(yīng)性，拓展空氣源熱泵熱水器的應(yīng)用范圍，結(jié)合普通單級(jí)熱泵熱水器系統(tǒng)和雙級(jí)壓縮循環(huán)方案，將空氣源熱泵熱水器設(shè)置為可根據(jù)工作環(huán)境條件自動(dòng)切換兩種運(yùn)行模式的熱泵系統(tǒng)，即在低溫環(huán)境下，采用雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)制熱，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，沒有必要進(jìn)行雙級(jí)壓縮循環(huán)，則采用普通的單級(jí)壓縮熱泵循環(huán)制熱。

2 雙級(jí)空氣源熱泵熱水器的理論分析模型

2.1 雙級(jí)空氣源熱泵循環(huán)

家用雙級(jí)空氣源熱泵在小溫差情況下，其循環(huán)P-h圖同常規(guī)的單級(jí)壓縮一樣，在大溫差情況下將工作在雙級(jí)壓縮模式下，其循環(huán)P-h如圖2所示:

雙級(jí)壓縮時(shí)的中間壓力可按下式計(jì)算［4］:

式中:P0，Pm，Pk分別為雙級(jí)壓縮熱泵熱水器的蒸發(fā)壓力、中間壓力和冷凝壓力，Pa。

2.2 壓縮機(jī)模型

式中:M—制冷劑質(zhì)量流量，kg/s;λ—壓縮機(jī)的輸氣系數(shù);Vth—壓縮機(jī)理論輸氣量;vc—壓縮機(jī)入口的制冷劑比容，m3/kg。

式中:N—壓縮機(jī)功率，w;k—壓縮過程的多變指數(shù);pd—壓縮機(jī)出口壓力，pa;pc—壓縮機(jī)入口壓力，pa;η—壓縮機(jī)的效率。

高、低壓壓縮機(jī)的工作方式類似，只要依據(jù)所選擇壓縮機(jī)的型號(hào)、壓縮機(jī)進(jìn)口、出口的制冷劑壓力和物性參數(shù)即可確定制冷劑的流量和壓縮機(jī)消耗的功率。

2.3 熱力膨脹閥

熱力膨脹閥主要起到節(jié)流降壓作用，其模型可用下式描述:

式中:hi、ho為膨脹閥入口和出口焓，J/kg。

2.4 中間冷卻器模型

將中間冷卻器視為絕熱蒸發(fā)過程，其滿足質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程:

式中:角標(biāo)5、6、7分別對(duì)應(yīng)于中間冷卻器相接的冷凝器出口制冷劑、膨脹閥入口制冷劑和將蒸發(fā)的飽和制冷劑蒸氣的狀態(tài)。

2.5 制熱量與評(píng)價(jià)指標(biāo)

雙級(jí)壓縮空氣源熱水器的制熱量為高壓級(jí)排氣所釋放出來的冷凝熱量，可用下式計(jì)算:

其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)可以用系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)表示:

3 理論分析示例

熱泵熱水器在加熱過程中，冷凝溫度從初始水溫加熱到60℃時(shí)，冷凝器的溫度變化范圍在35～60℃之間。為便于分析，我們?nèi)≈评鋭镽134a，冷凝器出口過冷度為3℃，蒸發(fā)器出口過熱度為5℃分析在不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度下壓縮機(jī)壓縮比、制熱量等的變化情況。其計(jì)算結(jié)果見圖3－圖5。

從圖3可以看出，單級(jí)壓縮的空氣源熱泵隨著環(huán)境溫度的降低，其COP也迅速下降，在環(huán)境溫度低于0℃后，其COP已接近1，起不到節(jié)能的作用，而雙級(jí)壓縮的空氣源熱泵即使在環(huán)境溫度達(dá)到－15℃ 時(shí)，系統(tǒng)的COP也能達(dá)到1.5左右，仍然具有節(jié)能效果。但在環(huán)境溫度高于5℃時(shí)，單級(jí)壓縮循環(huán)的COP則高于雙級(jí)壓縮空氣源熱泵，因此該點(diǎn)溫度可作為單雙級(jí)工作模式的切換點(diǎn)。圖4則表明單級(jí)壓縮空氣源熱泵在環(huán)境溫度為0℃時(shí)的制熱量?jī)H為1.2 kW，而雙級(jí)系統(tǒng)在環(huán)境溫度為－20℃時(shí)也能提供1.8 kW的制熱量，使得空氣源熱泵仍然能夠繼續(xù)制取熱水供用戶使用。

圖5顯示了在環(huán)境溫度降低到單級(jí)壓縮空氣源熱泵無法工作的環(huán)境溫度后，雙級(jí)壓縮空氣源熱泵在不同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的COP情況。在同一蒸發(fā)溫度下，隨著水箱內(nèi)熱水溫度的升高，系統(tǒng)的COP則逐漸下降，且當(dāng)蒸發(fā)溫度降低到－24℃后，整個(gè)系統(tǒng)的COP在大部分工作時(shí)間段內(nèi)都將低于1.5，使得系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能變得很差。如在設(shè)計(jì)時(shí)取蒸發(fā)換熱的溫差為4～5℃時(shí)，則當(dāng)室外溫度低于－20℃后，雙級(jí)空氣源熱泵也將不再適用，因而－20℃ 可作為雙級(jí)空氣源熱泵熱水器工作的最低工作溫度。

4 結(jié)論

雙級(jí)熱泵熱水器比單級(jí)熱泵熱水器的工作范圍更寬，能適用于我國大部分的北方地區(qū)。其COP和制熱量隨環(huán)境溫度的降低而降低，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇5℃以上作為單、雙級(jí)工作的切換溫度點(diǎn)。為保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，在環(huán)境溫度低于－20℃時(shí)，雙級(jí)熱泵熱水器不宜運(yùn)行。此外，在低溫下，系統(tǒng)的除霜方式和方法還有待于進(jìn)一步的研究。

［1］武文斌，王偉.兩級(jí)壓縮空氣源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2009，30(1):35－38.

［2］湯新敏，金蘇敏.雙級(jí)壓縮空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)模擬［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(3):88－92.

［3］柴沁虎，馬國遠(yuǎn).空氣源熱泵低溫適應(yīng)性研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.能源工程，2002(5):25－31.

［4］吳業(yè)正，韓寶琦.制冷原理及設(shè)備［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1987.