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，但它也存在著受環(huán)境溫度影響較大和系統(tǒng)效率不高、運行不穩(wěn)定等問題。為了更好的檢驗空氣源熱泵熱水器綜合性能和優(yōu)化系統(tǒng)，本文結(jié)合具體實驗，就空氣源熱泵熱水器綜合性能進行了研究，找到了影響空氣源熱泵熱水器運行性能的因素，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】TM925.32【文獻標(biāo)識碼】 A【文章編號】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來，經(jīng)過壓縮機壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?，加熱水溫。這種空氣源熱泵熱水器具有高效節(jié)能的特點，其耗電量是同等容量電熱水器的1/4，是燃氣熱水器的1/3?？諝庠礋岜脽崴鞯某跗谕顿Y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。

空氣源熱泵熱水器由壓縮機、蒸發(fā)器、熱力膨脹閥（或其他節(jié)流機構(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、冷凝盤管長度、水箱容積、膨脹閥開度和水箱設(shè)定溫度等對熱泵熱水器性能的影響。分析了電子膨脹閥開度對熱泵熱水器性能的影響，建立了熱泵熱水器的動態(tài)性能數(shù)值模型，指出在不同加熱時段切換膨脹閥開度可以實現(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)的準動態(tài)模型用以預(yù)測系統(tǒng)動態(tài)運行特性。

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，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)境中運行時，壓縮機排氣溫度和排氣壓力都將被很大程度提高，嚴重影響了熱泵系統(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行。因此筆者選用R134a作為熱泵工質(zhì)，對熱泵熱水器的系統(tǒng)性能進行實驗和仿真研究，以期對其今后的發(fā)展提供可行的優(yōu)化措施。

1 熱泵熱水器實驗裝置

空氣源熱泵熱水器的運行性能實驗在焓差試驗室內(nèi)進行的。本實驗樣機采用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。壓縮機采用三菱電機（廣州）滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機，型號為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，管長為4.6×104mm，節(jié)流機構(gòu)選擇熱力膨脹閥。

2 實驗結(jié)果分析

3種工況下均將水箱中的水從15℃加熱到55℃時停止測試。從圖2可以看出，環(huán)境溫度一定時，壓縮機的吸氣壓力和排氣壓力均隨時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)致壓縮機的壓比不斷增加，壓縮機消耗功率不斷增大。

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。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)溫度會不斷提高，制冷劑從空氣中吸入的熱量迅速增加，而壓縮機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行，但存在壓縮機過載的可能；而在低溫下運行時其工作性能降低且不穩(wěn)定?？諝庠礋岜脽崴髟趪篮蚝涞貐^(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，分別對熱泵系統(tǒng)各個部件建立數(shù)學(xué)模型，其中壓縮機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)驗關(guān)聯(lián)式計算換熱系數(shù)，管內(nèi)蒸發(fā)換熱系數(shù)采用RinYun準則關(guān)聯(lián)式計算，管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)采用YuandKoymaa準則關(guān)聯(lián)式計算，蒸發(fā)換熱過程兩相流壓降采用Hara—guchi準則關(guān)聯(lián)式計算，空氣側(cè)換熱系數(shù)采用WangC.C.準則關(guān)聯(lián)式計算。將壓縮機、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空氣源熱泵冷熱水機組性能的仿真過程。

以名義工況為例，用仿真模型結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行比較。從中可以看出大部分仿真值與實驗值接近，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)計要求。在系統(tǒng)仿真研究系統(tǒng)性能的影響因素時，需要選取一個基準條件。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)機風(fēng)速2.3m/s，水箱進水溫度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)對系統(tǒng)性能的影響。

3.1蒸發(fā)器入口空氣流速對系統(tǒng)性能的影響

在研究空氣流速對系統(tǒng)性能的影響時，選取了7個不同的空氣流速，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輸入功率都隨著空氣流速的增加而呈增大的趨勢，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)。這是因為開始隨著蒸發(fā)器入口空氣流速的增加，蒸發(fā)器的進空氣量增大，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吸氣比容，減小壓縮機制冷劑流量，系統(tǒng)性能逐漸趨于穩(wěn)定。同時，過高的吸氣溫度影響壓縮機的使用壽命。綜合考慮，系統(tǒng)存在一個最佳空氣流量?？諝饬髁康脑黾颖囟〞岣呦到y(tǒng)開發(fā)和運行的成本，因此在選擇風(fēng)機時需要特別注意風(fēng)機的空氣流速和空氣流量的選取。

3.2 制冷劑流量對系統(tǒng)性能的影響

在研究制冷劑流量對系統(tǒng)性能的影響時，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，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。這是因為，小流量時，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，即制冷劑流量存在最佳值，使熱泵熱水器的性能系數(shù)達到最高，在本模擬中使COP達到最大的制冷劑質(zhì)量流量在14～15g/s范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

總之，隨著我國對節(jié)能政策的進一步落實，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)提高運行性能，進一步完善空氣源熱泵熱水器性能，不斷降低成本，將有效促進空氣源熱泵熱水器市場占有率的提高，達到節(jié)能環(huán)保、提高人們生活水平的目的。因此，本文對空氣源熱泵熱水器綜合性能的研究具有一定的現(xiàn)實意義。

參考文獻

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