雙級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?？茖W(xué)校熱能工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等?？茖W(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?，通過消耗部分電能來從低溫?zé)嵩次諢崃?，用于加熱生活熱水供家庭使用?？諝庠礋崴髦幌碾娔?，具有?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)對其性能的影響。

1 雙級空氣源熱泵熱水器的工作原理

雙級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)合普通單級熱泵熱水器系統(tǒng)和雙級壓縮循環(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)行雙級壓縮循環(huán)，則采用普通的單級壓縮熱泵循環(huán)制熱。

2 雙級空氣源熱泵熱水器的理論分析模型

2.1 雙級空氣源熱泵循環(huán)

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

雙級壓縮時(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、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 制熱量與評價(jià)指標(biāo)

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

其性能評價(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)，單級壓縮循環(huán)的COP則高于雙級壓縮空氣源熱泵，因此該點(diǎn)溫度可作為單雙級工作模式的切換點(diǎn)。圖4則表明單級壓縮空氣源熱泵在環(huán)境溫度為0℃時(shí)的制熱量僅為1.2 kW，而雙級系統(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)境溫度降低到單級壓縮空氣源熱泵無法工作的環(huán)境溫度后，雙級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，雙級空氣源熱泵也將不再適用，因而－20℃ 可作為雙級空氣源熱泵熱水器工作的最低工作溫度。

4 結(jié)論

雙級熱泵熱水器比單級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.