多功能空調(diào)熱水器系統(tǒng)的改進(jìn)

王海峰　原惠惠　李玉奪　孫亞娟　張守兵　董閃閃（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院　鄭州　450001）

多功能空調(diào)熱水器系統(tǒng)的改進(jìn)

王海峰原惠惠李玉奪孫亞娟張守兵董閃閃
（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院鄭州450001）

為了解決多功能空調(diào)夏季單獨(dú)制熱水時(shí)，室外風(fēng)機(jī)頻繁啟停的問題，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的多功能空調(diào)熱水器。通過改進(jìn)多功能空調(diào)熱水器系統(tǒng)的室外風(fēng)冷換熱器，改變了風(fēng)機(jī)的輸入電壓和轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)了風(fēng)冷換熱器的吸熱量，使其在不同季節(jié)的各種模式下，均能夠高效穩(wěn)定的運(yùn)行。通過實(shí)驗(yàn)找出了壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的臨界輸出電壓，得到了與節(jié)流閥各個(gè)開度相對應(yīng)的系統(tǒng)COP。與未改造前的系統(tǒng)相比，多功能空調(diào)熱水器系統(tǒng)加入了變壓器之后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加。在室外環(huán)境溫度為32℃，節(jié)流閥開度為0.4，變壓器輸出電壓為160 V時(shí)，可達(dá)到夏季單獨(dú)制熱水模式的最佳工況，其COP為4.68。

空調(diào)熱水器；變風(fēng)量系統(tǒng)；節(jié)流閥；能效比

現(xiàn)代空調(diào)逐漸在生活生產(chǎn)中普及，同時(shí)帶來許多能源和環(huán)境問題，如溫室效應(yīng)、破環(huán)臭氧層，放出的冷凝熱也會(huì)造成能量浪費(fèi)［1］，同時(shí)也加劇熱島效應(yīng)。為了合理利用能量，Huang B J等［2］、Stuij B［3］、Chyng J P等［4］提出用熱泵系統(tǒng)中的冷凝熱來加熱生活用水，實(shí)驗(yàn)表明如果能在5年內(nèi)回收成本，系統(tǒng)就會(huì)有良好的效用。國內(nèi)高校華南理工大學(xué)［5］、東南大學(xué)［6］、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)［7］和哈爾濱工業(yè)大學(xué)［8］分別提出了多功能熱泵空調(diào)熱水器，并實(shí)驗(yàn)證明其經(jīng)濟(jì)可行。但是多功能空調(diào)還存在著許多不足之處［9-10］，如：在夏季單獨(dú)制熱水時(shí)，由于外界環(huán)境溫度比較高，容易引起壓縮機(jī)吸排氣溫度、壓力過高，壓縮機(jī)過載保護(hù)，室外風(fēng)機(jī)頻繁啟停，甚至燒毀壓縮機(jī)等現(xiàn)象［11］，這是目前科研開發(fā)者面臨的亟待解決的問題。有研究者提出［12-14］采用不同的壓機(jī)，改善高溫時(shí)壓機(jī)運(yùn)行工況，達(dá)到多功能空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。Liebenberg L等［15］對混合工質(zhì)R22/R142b作為制冷劑的高溫?zé)岜眯蜔崴鬟M(jìn)行了理論研究。彭繼軍等［16］提出性能優(yōu)于 R22和 R407C的新工質(zhì)RTJU3及RTJU4，解決熱泵熱水器長時(shí)間運(yùn)行時(shí)性能變差的問題。中南大學(xué)江樂新等［17］提出一種新的變流量調(diào)節(jié)方式，進(jìn)行理論可行性分析。本文作者考慮在多功能空調(diào)熱水器的室外風(fēng)冷換熱器風(fēng)機(jī)上增加一個(gè)變壓器，通過調(diào)節(jié)變壓器輸出電壓，改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步調(diào)節(jié)室外風(fēng)冷換熱器吸熱量，改善系統(tǒng)運(yùn)行性能。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

該多功能空調(diào)熱水器測試系統(tǒng)由市售格力空調(diào)改造而成，本設(shè)計(jì)在前期改造的基礎(chǔ)上［9-10］，在多功能空調(diào)熱水器中再加入一個(gè)變壓器，變壓器接在室外風(fēng)冷換熱器風(fēng)機(jī)的電壓輸入口。通過調(diào)整變壓器輸出電壓的大小來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的輸入電壓，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)室外換熱器的吸熱量。通過不同閥門的開閉來改變制冷劑的流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)化，詳細(xì)的工作原理如圖1所示。經(jīng)過改進(jìn)的多功能空調(diào)熱水器可在4種模式下穩(wěn)定運(yùn)行：單獨(dú)制冷、制冷兼制熱水、單獨(dú)制熱、單獨(dú)制熱水。

圖1　多功能空調(diào)熱水器原理圖Fig.1 Schematic diagram of multi-functional air-conditioning water heater

2　實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)文獻(xiàn)［9-10］的實(shí)驗(yàn)研究可知，在春秋季單獨(dú)制熱水，夏季單獨(dú)制冷和制冷兼制熱水，冬季單獨(dú)制熱及單獨(dú)制熱水模式下，系統(tǒng)均能高效穩(wěn)定的運(yùn)行。但在夏季單獨(dú)制熱水時(shí)，由于室外環(huán)境溫度過高，制冷劑在室外吸熱量大，引起壓縮機(jī)排氣壓力和排氣溫度過高，電流過大而過載，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)保護(hù)性停機(jī)；而當(dāng)壓縮機(jī)排氣溫度、排氣壓力以及電流降低到一定程度后，風(fēng)機(jī)又開啟，如此循環(huán)往復(fù)。如果僅通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不能從根本上解決問題。因?yàn)楫?dāng)節(jié)流閥開度較小時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度過高，甚至達(dá)到135℃左右，使壓縮機(jī)因過熱保護(hù)而停機(jī)。影響了壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，不僅會(huì)縮短壓縮機(jī)的使用壽命，還會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的COP小于2.5，能效比降低。

為了克服這些不足，本研究在室外換熱器風(fēng)機(jī)電壓輸入口加入變壓器，通過改變風(fēng)機(jī)輸入電壓來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及換熱器的吸熱量，找到風(fēng)機(jī)不停機(jī)保護(hù)的臨界輸出電壓。用激光轉(zhuǎn)速表測出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和變壓器輸出電壓的關(guān)系，如圖2所示。

圖2　風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變壓器輸出電壓的關(guān)系Fig.2 The relationship between fan speed and transformer output voltage

由圖2可以看出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變壓器輸出電壓不是呈正比關(guān)系，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著變壓器電壓的增大而增大，在電壓大于160 V時(shí)，隨著變壓器輸出電壓的增大，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加的幅度較小。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

文獻(xiàn)［9-10］表明本系統(tǒng)的最佳制冷劑充注量為6.5 kg，此時(shí)系統(tǒng)在其他幾種模式下均能高效穩(wěn)定運(yùn)行，只有夏季單獨(dú)制熱水時(shí)，由于環(huán)境溫度較高，風(fēng)機(jī)經(jīng)常保護(hù)性停機(jī)，使得系統(tǒng)無法穩(wěn)定進(jìn)行。所以本實(shí)驗(yàn)著重研究制冷劑充注量為6.5 kg時(shí)的夏季單獨(dú)制熱水模式，實(shí)驗(yàn)中，外界環(huán)境溫度分別保持28± 1℃和32±1℃，冷水流量為3.0 kg/min，水溫為20± 1℃。

3.1制熱量、耗功與節(jié)流閥開度和變壓器輸出電壓之間的關(guān)系

當(dāng)變壓器輸出電壓大時(shí)，節(jié)流閥在有些開度下，風(fēng)機(jī)會(huì)停機(jī)保護(hù)，使系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。因此設(shè)計(jì)了不同開度下變壓器輸出電壓由小到大的工況，直到輸出電壓使風(fēng)機(jī)停機(jī)保護(hù)為止，此時(shí)輸出電壓為變壓器的最大輸出電壓。系統(tǒng)制熱量、耗功與節(jié)流閥開度和變壓器輸出電壓的關(guān)系如圖3所示，圖中0表示節(jié)流閥全關(guān)，1代表節(jié)流閥全開（下同）。

在夏季制熱水模式下，多功能空調(diào)相當(dāng)于熱泵，制熱量等于室外換熱器從空氣中吸收的熱量與壓縮機(jī)耗功的總和（風(fēng)機(jī)耗功較小，可略去）。由圖3可知，系統(tǒng)制熱量隨著變壓器輸出電壓的增大而增大，耗功變化較小，制熱量變化較大，因而系統(tǒng)COP也隨著變壓器輸出電壓的增大呈上升趨勢。所以找到每個(gè)開度下風(fēng)機(jī)能正常運(yùn)行（不頻繁停機(jī)）時(shí)的變壓器對應(yīng)的最大輸出電壓，就能得到該開度下系統(tǒng)的最大COP，再對各個(gè)開度的COP進(jìn)行對比，可得夏季單獨(dú)制熱水模式下最佳開度的最大COP。

圖3　制熱量、耗功量與節(jié)流閥開度和變壓器輸出電壓的關(guān)系Fig.3 The influence of an opening degree of throttle and transformer output voltage on heating capacity and power consumption

3.2變壓器最大輸出電壓與節(jié)流閥開度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度分別為28±1℃和32±1℃，保持節(jié)流閥閥門開度不變，依次找出各開度對應(yīng)的變壓器最大輸出電壓值，其結(jié)果如圖4所示。

圖4　變壓器最大輸出電壓與節(jié)流閥開度的關(guān)系Fig.4 The relationship between the maximal output voltage of transformer and the opening degree of throttle

由圖4可以看出，外界環(huán)境為28℃和32℃時(shí)，系統(tǒng)在保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的情況下，隨著節(jié)流閥閥門開度的增大，變壓器最大輸出電壓呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，變壓器最大輸出電壓值在140～160 V范圍內(nèi)，對應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為730～800 r/min。從圖中還可以看出，在節(jié)流閥閥門開度為0.4時(shí)，變壓器輸出電壓達(dá)到最大值，且在同一閥門開度下，28℃時(shí)變壓器的臨界電壓大于32℃時(shí)的臨界電壓。原因在于外界溫度越高，制冷劑從外界吸收的熱量就越大，壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力、溫度就越高，要使系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的運(yùn)行，就需要調(diào)小變壓器的輸出電壓以減少吸熱量。因此，在32℃左右的變壓器輸出電壓要小于28℃左右的變壓器輸出電壓。

3.3制熱量、耗功、COP與節(jié)流閥閥門開度的關(guān)系

綜上所述，系統(tǒng)在變壓器最大輸出電壓運(yùn)行時(shí)的制熱量和能效系數(shù)最高。節(jié)流閥不同閥門開度時(shí)，變壓器最大輸出電壓如圖4所示，可以找到不同節(jié)流閥閥門開度下的最大制熱量及能效系數(shù)。在各節(jié)流閥開度相對應(yīng)的臨界電壓點(diǎn)處，制熱量、耗功與閥門開度的關(guān)系如圖5所示。

圖5　閥門開度與制熱量、耗功量的關(guān)系Fig.5 The influence of an opening degree of throttle on heating capacity and power consumption

由圖5可知，隨著節(jié)流閥開度的增加，制熱量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)節(jié)流閥開度特別小時(shí)，由于制冷劑流量不足使得制熱量較小，隨著節(jié)流閥閥門開度的增加，制冷劑流量增大，制冷劑在室外換熱器中吸收的熱量增大，系統(tǒng)的制熱量也增大。由于在不同節(jié)流閥閥門開度下，變壓器的最大輸出電壓先增大后減小，隨著閥門開度變大，輸出電壓變小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，室外換熱器吸熱量減少，系統(tǒng)的制熱量也減少。因此開始階段，制熱量隨著節(jié)流閥開度的增加而增大；節(jié)流閥達(dá)到一定開度后，制熱量會(huì)隨著節(jié)流閥開度的增大而減小。

實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)耗功量受節(jié)流閥閥門開度大小的影響不明顯，在不同工況下，通過變壓器來改變風(fēng)機(jī)的輸入電壓，壓縮機(jī)耗功變化很小，均在2 kW以下。系統(tǒng)改進(jìn)之前，處于夏季單獨(dú)制熱水模式時(shí)，在同樣的制冷劑充注量條件下，耗功量大于2.5 kW，并且隨著節(jié)流閥開度的增大而增大［9-10］。因?yàn)榄h(huán)境溫度升高，制冷劑在室外換熱器中的傳熱溫差增大，吸熱量增多，蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度升高，壓縮機(jī)吸排氣溫度和排氣壓力升高，耗功增多。在恒定水流量時(shí)，熱水的出水溫度升高，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的冷凝溫度，使壓縮機(jī)排氣壓力和排氣溫度升高，耗功更多。在系統(tǒng)中增加變壓器后，能有效控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低室外風(fēng)冷換熱器的吸熱量，即使系統(tǒng)在夏季高溫下也能穩(wěn)定運(yùn)行。二者相比，改進(jìn)后的系統(tǒng)更穩(wěn)定。

系統(tǒng)改進(jìn)之前，環(huán)境溫度為32℃，制冷劑充注量為6.5 kg時(shí)，系統(tǒng)COP基本不超過2.5（如圖6所示，因經(jīng)常停機(jī)保護(hù)，有些節(jié)流閥開度下無法實(shí)驗(yàn)）。改進(jìn)后的系統(tǒng)在28℃和32℃左右的溫度條件下，COP大部分在4.0以上，且具有很好的性能。由圖6可知，系統(tǒng)COP隨節(jié)流閥開度的增大而先增大后減小，在節(jié)流閥開度為0.4時(shí)，系統(tǒng)COP達(dá)到最大值，即多功能空調(diào)熱水器在夏季單獨(dú)制熱水模式下，閥門開度為0.4，變壓器電壓為160 V時(shí)，系統(tǒng)性能最好，COP最高，達(dá)到4.68。

圖6　各節(jié)流閥開度下系統(tǒng)COPFig.6 COP of system under different opening degree of throttle valve

4　結(jié)論

多功能空調(diào)熱水器在夏季高溫工況下單獨(dú)制熱水時(shí)，室外風(fēng)冷換熱器吸熱量過多，致使風(fēng)機(jī)頻繁啟停，系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行。為解決此問題，本實(shí)驗(yàn)在系統(tǒng)室外風(fēng)冷換熱器風(fēng)機(jī)入口加入變壓器，調(diào)節(jié)室外換熱器吸熱量，并對不同閥門開度下的系統(tǒng)COP進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

1）增加變壓器后，解決了高溫時(shí)壓縮機(jī)吸排氣溫度和排氣壓力過高，壓縮機(jī)過載保護(hù)及室外風(fēng)機(jī)頻繁啟停的問題，使系統(tǒng)在夏季高溫情況下也能高效穩(wěn)定運(yùn)行。

2）改進(jìn)后的多功能空調(diào)熱水器節(jié)能效果顯著，夏季單獨(dú)制熱水模式系統(tǒng)COP大部分在4.0以上，系統(tǒng)性能得到很大改善。

3）改進(jìn)后的多功能空調(diào)熱水器夏季單獨(dú)制熱水的最佳工況：環(huán)境溫度為32℃，節(jié)流閥開度為0.4，變壓器輸出電壓為160 V，此時(shí)系統(tǒng)COP達(dá)到4.68。

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About the corresponding author

Wang Haifeng，male，senior engineer，School of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University，+86 13015506045，E-mail：wanghaifeng@zzu.edu.cn.Research fields：refrigeration，heat pump，energy saving technology.

Improvement of Multi-functional Air-conditioning Water Heaters

Wang Haifeng Yuan Huihui Li Yuduo Sun Yajuan Zhang Shoubing Dong Shanshan
（School of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University，Zhengzhou，450001，China）

An improved multi-functional air-conditioning water heater is devised to solve the problem of frequent starts and stops of fan，which always occurs while a traditional one produces hot water in summer.The improved multi-functional air-conditioning water heater can be highly efficient and stable operation in the various modes of different seasons owing to the change of input voltage and speed of fan，and improvement of the outdoor air-cooled heat exchanger.The critical output voltage for the stable operation of compressor and fan is found out，and the relationship between COP and the opening degrees of throttling valve is investigated.Compared with the system improved before，the system's stability has a great enhancement after adding a transformer in the multi-functional air-conditioning water heater.When the outdoor environment temperature is 32℃，the opening degree of throttling valve is 0.4，and the output voltage of transformer is 160 V.The improved system can reach an optimum COP of 4.68 under the hot water only mode in summer.

air-conditioning hot water heater；variable-air-volume system；throttling valve；energy efficiency ratio

TU831；TM925.1

A

0253-4339（2015）05-0060-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.060

2015年3月26日

簡介

王海峰，男，高級(jí)工程師，鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，13015506045，E-mail：wanghaifeng@zzuedu.cn。研究方向：制冷，熱泵、節(jié)能技術(shù)的研究。