直熱式空氣源變頻熱泵熱水系統(tǒng)的特性分析

雷明鏡,　張　華,　車　敏,　王　芳,　尤曉寬

(1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海　200093;2.海爾集團 技術(shù)中心,青島　266101)

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直熱式空氣源變頻熱泵熱水系統(tǒng)的特性分析

雷明鏡1,張華1,車敏2,王芳1,尤曉寬1

(1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海200093;2.海爾集團 技術(shù)中心,青島266101)

摘要：模擬分析了一種直熱空氣源變頻熱泵熱水系統(tǒng),包括水箱模塊與熱泵模塊的理論耦合特性和熱泵系統(tǒng)在變工況下的運行特性,并且比較了壓縮機頻率每變化1 Hz和冷凝溫度每變化1 ℃對系統(tǒng)的影響.模擬分析表明:壓縮機功率隨環(huán)境溫度變化的趨勢為拋物線狀,在20 ℃左右達到最高;制熱量與環(huán)境溫度呈正線性相關(guān);熱泵模塊出熱水流量隨環(huán)境溫度變化呈指數(shù)增長;當(dāng)壓縮機有效容積和吸氣系數(shù)等參數(shù)不變時,制冷劑質(zhì)量流量與環(huán)境溫度呈正線性變化;制熱COP隨環(huán)境溫度呈指數(shù)增長,隨出水溫度的升高而降低;調(diào)節(jié)頻率可以更有效改善系統(tǒng)制熱量,而降低冷凝溫度從而適當(dāng)降低用水溫度(如42 ℃),可以更有效地降低功耗、增加出水流量.

關(guān)鍵詞：熱泵熱水器; 直熱系統(tǒng); 變頻; 熱工分析

空氣源熱泵熱水機組是利用電機驅(qū)動的蒸汽壓縮循環(huán),將空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到被加熱的水中來制取生活熱水,是一種備受關(guān)注的、新型的、高效的集熱和轉(zhuǎn)移能力的裝置[1-2].空氣源熱泵熱水機組是在電、燃?xì)?、太陽能之后第四代熱水器[3-4].根據(jù)熱泵熱水裝置相關(guān)國標(biāo),按其加熱方式可以分為一次加熱式、循環(huán)加熱式和靜態(tài)加熱式熱泵熱水器[5].目前,針對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)已有很多研究.通過實驗比較,曹浩等[6]和呂靜等[7]得出直熱式熱水機組較循環(huán)加熱式和靜態(tài)加熱式運行能效比更高,等水時間更短;陳振豪等[8]采用RNG非穩(wěn)態(tài)模型,分析了在重力影響下熱泵熱水機組的水箱加熱過程,認(rèn)為合適的水箱設(shè)定溫度可以提高熱泵機組制熱性能,并為水箱數(shù)值計算和理論分析提供基礎(chǔ).Kim等[9]采用集總參數(shù)法得出了水箱出水動態(tài)性能,水箱容積越小則瞬態(tài)性能降低越大,而大尺寸的水箱,由于蓄熱引起的熱量損失也較大,因此水箱的尺寸應(yīng)綜合考慮散熱量和瞬態(tài)性能兩個方面.

基于以上研究,本文提出了一種家用的直熱式空氣源變頻熱泵熱水系統(tǒng),對該新型系統(tǒng)的水箱模塊與熱泵模塊進行耦合計算分析,并利用CoolPack軟件模擬分析系統(tǒng)的變工況運行特性.

1系統(tǒng)原理

設(shè)計的系統(tǒng)原理如圖1所示,包括熱泵模塊和水箱模塊兩部分.其中,熱泵模塊采用傳統(tǒng)變頻空調(diào)設(shè)計,水箱模塊為一個小容積、承壓的緩沖水箱,主要起到減少壓縮機啟停、減緩直熱的瞬態(tài)性能的作用[9-10].相對于傳統(tǒng)家用循環(huán)水單一的循環(huán)加熱模式,直熱式變頻空氣源熱泵熱水系統(tǒng)可以實現(xiàn)4種運行方式：a.直熱模式,熱泵模塊開啟,自來水流經(jīng)水泵和水熱換熱器后,流向用戶;b.水箱供水模式熱泵模塊關(guān)閉,自來水從水箱底部進入水箱,壓著水箱里的水從頂部流出,供給用戶;c.混流模式,熱泵模塊開啟,自來水一部分流入水箱,一部分流入冷凝器,混合后供給用戶;d.循環(huán)加熱,水泵以一定轉(zhuǎn)速開啟,熱泵模塊開啟,用戶端待機不用水時,給水箱里的水循環(huán)加熱.

圖1　系統(tǒng)原理圖

2理論計算和模擬

按照以上所述的混流模式進行理論計算,即自來水總進水,一部分進入到冷凝器,一部分進入到水箱,冷凝器將一部分水加熱后與水箱中的水混合達到目標(biāo)溫度,供給用戶,并且得出總用水流量和溫度與冷凝器流量和溫度、水箱流量和儲水溫度、機組制熱量等之間相互耦合的關(guān)系.計算時,根據(jù)系統(tǒng)特征和能量守恒,忽略漏熱損失,忽略溫度變化時密度和比熱容的變化.

可得出系統(tǒng)(見圖1)中,冷凝器出水溫度th(℃)、自來水進入到冷凝器的流量qvh(m3/h)、自來水進入到水箱的流量qvt(m3/h)與熱泵機組制熱量Qk(W)、水箱儲存水的溫度tt(℃)、自來水進口溫度t0(℃)、總用水溫度tu(℃)、總流量qv(m3/h)等的關(guān)系,即

(1)

(2)

(3)

式中：cp為水的平均比定壓熱容,J/(kg·K);ρ為水的平均密度,kg/m3.

在循環(huán)加熱式和靜態(tài)加熱式熱水系統(tǒng)中,一次用水量為水箱儲存熱水的容量,即水箱容積.本系統(tǒng)中,一次用水量不僅與水箱容積有關(guān),還與熱泵機組制熱能力有關(guān),即與常規(guī)水箱相比,本系統(tǒng)中緩沖水箱具有增容的作用,因此需計算緩沖水箱容積相當(dāng)?shù)碾娂訜崴涞娜莘e.由于

故

(4)

式中：V為緩沖水箱容積,L;Ve為緩沖水箱相當(dāng)?shù)碾娂訜崛莘e,L.

由理論計算可知,在用水溫度、用水流量和自來水初始溫度一定的情況下,熱泵熱水機組加熱自來水的溫度和流量與機組制熱能力和水箱儲存的熱水溫度有關(guān),而與緩沖水箱的容積無關(guān).在水箱容積和自來水進水溫度不變的情況下,相當(dāng)?shù)碾娂訜崴淙莘e與機組制熱量、水箱儲水溫度和用戶用熱水溫度有關(guān).

為進一步分析各參數(shù)的變化關(guān)系,對式(1)和式(2)求偏微分.在其他參數(shù)不變時,出熱水流量和出熱水溫度、水箱出熱水流量是一一對應(yīng)的關(guān)系,下面將只對出熱水流量進行分析.

求qvh和Qk的偏微分,可看出,由于水箱儲水溫度大于自來水進水溫度,所以出熱水流量qvh隨熱泵制熱量Qk的增加而增大.

(5)

(6)

求qvh和tt的偏微分,當(dāng)

(7)

qvh與水箱溫度無關(guān),只與Qk有關(guān).此時,將式(7)代入式(3)可求出水箱流量為0；將式(7)代入式(4)可求出相當(dāng)?shù)碾娂訜崛莘e為無窮大,即此時為直熱模式，無限量供熱水.當(dāng)

(8)

熱泵出熱水流量qvh隨水箱儲水溫度tt的增大而增大,并與水箱出水qvt混合后供給用戶,這時系統(tǒng)采用混流模式.

這部分的分析可以得出系統(tǒng)水箱模塊與熱泵模塊的耦合特點,確定在不同用水和環(huán)境工況下,系統(tǒng)運行模式是直熱還是混流,以及混流時,水箱流量、水箱儲水溫度、冷凝器流量、冷凝器出水溫度、機組制熱量等之間的關(guān)系.

3系統(tǒng)變工況特性

3.1變工況模擬條件

本文用到丹麥科技大學(xué)能源工程系開發(fā)、并有一些學(xué)者對此完善的CoolPack軟件,這個軟件常被用來分析制冷循環(huán)的熱力性能[11],如國外學(xué)者Leiper等[12]，Venkataiah等[13]均利用這個軟件模擬制冷循環(huán)中各參數(shù)的變化.對系統(tǒng)的模擬計算,有利于合理匹配壓縮機頻率、冷凝器進水流量等,使機組高效運行[14-15].模擬工況和模擬環(huán)境參數(shù)選取參考國標(biāo)規(guī)定的環(huán)境工況[5],模擬工況如表1所示.

考慮到影響機組性能的各種因素,分析變環(huán)境溫度工況下,當(dāng)冷凝溫度不變,頻率分別為60,80,100 Hz時和當(dāng)頻率為80 Hz、冷凝溫度分別為44,48,57 ℃時,機組的運行特性.此外,還比較分析冷凝溫度與壓縮機頻率對機組性能的影響,即冷凝溫度每變化1 ℃和壓縮機頻率每改變1 Hz對機組參數(shù)的影響.

表1　模擬工況

3.2變工況特性分析

3.2.1頻率對系統(tǒng)的影響

在冷凝溫度為44 ℃、出水溫度為42 ℃工況下,圖2～5分別表示壓縮機耗功、制熱量、熱水出水流量和制冷劑循環(huán)流量隨環(huán)境溫度的變化.可以看出：

a. 由圖2～4可知,在相同環(huán)境溫度下,在60～100 Hz的變頻范圍內(nèi),壓縮機的功率隨頻率的升高而增加,制熱量隨頻率的升高而增大,出熱水流量隨頻率的升高而增大,制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量隨頻率的升高而增大.

b. 在相同的頻率下,由圖2可知,壓縮機功率先隨環(huán)境溫度的升高而升高,到20 ℃左右達到最高,再隨環(huán)境溫度升高而降低,呈拋物線狀.由圖3可知,制熱量隨環(huán)境溫度升高而升高,基本呈線性變化.由圖4可知,出水流量隨環(huán)境溫度的升高而升高,環(huán)境溫度越高出水流量升高得越快,呈現(xiàn)指數(shù)狀增長.一是由于蒸發(fā)溫度提高,壓比降低；二是由于高溫環(huán)境自來水溫度高.循環(huán)制冷劑質(zhì)量流量一般與壓縮機的有效容積、轉(zhuǎn)速、吸氣系數(shù)、蒸發(fā)溫度和吸氣過熱度有關(guān)[16-18].從圖5可以看出,當(dāng)壓縮機有效容積和吸氣系數(shù)不變時,制冷劑質(zhì)量流量隨環(huán)境溫度升高而升高,基本呈線性變化.

c. 將圖2和圖4中3條曲線對比可以看出,頻率越高,環(huán)境對功率、出熱水流量的影響越明顯,而頻率越低,環(huán)境對功率、出熱水流量影響越相對平穩(wěn).這是因為頻率越高,循環(huán)制冷劑的質(zhì)量流量越大,環(huán)境溫度改變時,功率和制熱量改變越明顯.

3.2.2冷凝溫度對系統(tǒng)的影響

在壓縮機頻率為80 Hz不變時,圖6～9是冷凝溫度分別為44,50,57 ℃時,或出水溫度分別為42,48,55 ℃時,隨著環(huán)境溫度的變化,運行參數(shù)的變化特性.可以看出,圖6中壓縮機耗功隨出水溫度升高而升高,這是因為冷凝溫度升高,壓縮比增大,壓縮功增大.由圖7可以看出,制熱量隨出水溫度升高而降低,隨環(huán)境溫度升高而升高.這是因為出水溫度越高時,冷凝溫度和壓力增高,壓比增大,制熱性能降低,壓縮機頻率不變時,制熱量減少.由圖8可知,制熱COP隨環(huán)境溫度的上升而上升,環(huán)境溫度越高變化越明顯,基本呈指數(shù)狀變化；且制熱COP隨出水溫度的升高而降低,環(huán)境溫度越高隨出水溫度變化越明顯.如表2所示,當(dāng)出水溫度從42 ℃升高到48 ℃時,標(biāo)準(zhǔn)工況、高溫工況和低溫工況下,制熱COP分別降低了0.64,2.85和0.25.這是因為環(huán)境溫度越高,蒸發(fā)溫度和壓力越高,在冷凝溫度從44 ℃變化到50 ℃時,循環(huán)壓比變化越大,制熱COP變化越明顯.在圖9中,出水流量隨出水溫度的升高而降低,隨環(huán)境溫度的上升而上升,環(huán)境溫度越高變化越明顯,反之則越不明顯.如表2所示,當(dāng)出水溫度從42 ℃升高到48 ℃時,標(biāo)準(zhǔn)工況、高溫工況和低溫工況下,出熱水流量分別降低了1.00,5.83和0.26 L/min.這是由3方面原因造成的：一是環(huán)境溫度越高,蒸發(fā)溫度和壓力越大,在冷凝溫度從44 ℃變化到50 ℃時,循環(huán)壓比變化越大,制熱性能變化越明顯,出熱水流量變化越大;二是環(huán)境溫度越高,模擬的進水溫度越高(見表1),被加熱水的溫升越小;三是,如圖7所示,環(huán)境溫度越高,壓縮機頻率不變時,系統(tǒng)制熱量越高.

圖2　變工況下不同頻率的功率曲線

圖3　變工況下不同頻率的制熱量曲線

圖4　變工況下不同頻率的出熱水流量曲線

圖5　變工況下不同頻率的循環(huán)制冷劑質(zhì)量流量曲線

圖6　變工況下不同出水溫度的功率曲線

圖7　變工況下不同出水溫度的制熱量曲線

圖8　變工況下不同出水溫度的性能系數(shù)曲線

圖9　變工況下不同出水溫度的出水流量曲線

表2　頻率不變時出熱水流量和制熱COP在不同工況下的對比

3.2.3頻率和冷凝溫度對系統(tǒng)影響的比較

圖10～12是在不同蒸發(fā)溫度下,機組的頻率在60～100 Hz范圍內(nèi),冷凝溫度在44～57 ℃范圍內(nèi)運行,分析了頻率每變化1 Hz和冷凝溫度每變化1 ℃對機組的功率、制熱量和出熱水流量的影響,進而比較頻率和冷凝溫度對系統(tǒng)參數(shù)的影響.

圖10　變工況制熱量變化與頻率和冷凝溫度的關(guān)系

由圖10可以看出,頻率比冷凝溫度對制熱量的影響大,且變化量均隨蒸發(fā)溫度的升高而增大.如在蒸發(fā)溫度-20 ℃時,前者是后者的5倍;在蒸發(fā)溫度10 ℃時,前者是后者的3倍;高溫環(huán)境,蒸發(fā)溫度30 ℃時,前者是后者的2.5倍.這是因為,吸氣過熱度不變時,蒸發(fā)溫度越高,循環(huán)制冷劑的質(zhì)量流量越大,頻率或冷凝溫度變化時,制熱量變化量越大.另外,由圖7可知,不同的冷凝溫度下,制熱量隨環(huán)境溫度的變化斜率變化很小.由圖3可知,頻率越高,制熱量隨環(huán)境溫度的變化,斜率相比來說越大.因此,理論計算上,頻率對制熱量的影響高于冷凝溫度所帶來的影響.從循環(huán)特性上分析,壓縮機頻率變化1 Hz,造成制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量、壓縮機耗功變化帶來的制熱量的變化,比冷凝溫度變化1 ℃造成的循環(huán)壓比、壓縮機耗功等變化而帶來的制熱量變化更明顯.

圖11　變工況功率變化與頻率和冷凝溫度的關(guān)系

由圖11可知,冷凝溫度比頻率對功率的影響大,功率變化量均隨蒸發(fā)溫度的升高而增大.如在蒸發(fā)溫度-20 ℃時,二者的影響幾乎一樣;在蒸發(fā)溫度10 ℃時,前者是后者的2倍;在高溫環(huán)境,蒸發(fā)溫度30 ℃時,前者是后者的5倍.這是因為冷凝溫度變化1 ℃時,壓比增大,壓縮機做功增大,且由冷凝溫度變化而造成的功率的變化大于由頻率改變1 Hz、循環(huán)制冷劑質(zhì)量流量改變而造成的功率的增加.

圖12　變工況出水流量變化與頻率和冷凝溫度的關(guān)系

由圖12可知,冷凝溫度比頻率對出熱水流量的影響大.如在蒸發(fā)溫度-20 ℃時,前者比后者增加70%;在蒸發(fā)溫度10 ℃時,前者比后者增加120%;在高溫環(huán)境,蒸發(fā)溫度30 ℃時,前者比后者增加230%.這是因為出熱水流量與被加熱水的溫升和制熱量有關(guān).一方面,冷凝溫度的改變提高了換熱溫差,對出熱水流量的影響比較大;另一方面,根據(jù)圖10,蒸發(fā)溫度越高,頻率比冷凝溫度對制熱量的影響更大,在二者的相互作用下,出現(xiàn)如圖12的結(jié)果.

4結(jié)論

分析了一個直熱式空氣源變頻熱泵熱水系統(tǒng)變工況特性,得出以下結(jié)論：

b. 壓縮機功率隨環(huán)境溫度變化趨勢為拋物線狀,在20 ℃左右達到最高;制熱量與環(huán)境溫度呈正線性相關(guān);熱泵模塊出熱水流量隨環(huán)境溫度變化呈指數(shù)狀增長;當(dāng)壓縮機有效容積和吸氣系數(shù)等參數(shù)不變時,制冷劑質(zhì)量流量與環(huán)境溫度呈正線性變化;制熱COP隨環(huán)境溫度呈指數(shù)狀增長,隨出水溫度的升高而降低.

c. 比較分析了頻率和冷凝溫度對機組在不同工況下運行的功率、制熱量和出熱水流量的影響.可見,實際應(yīng)用時,調(diào)節(jié)頻率可以更有效改善系統(tǒng)制熱量,降低冷凝溫度從而適當(dāng)降低用水溫度,如出水42 ℃時,可以更有效地降低功耗、增加出水流量,并對系統(tǒng)控制和優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義.

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(編輯:丁紅藝)

Characteristic Analysis of a Hot Water System with Direct-heated and Frequency-variable Air Source Heat Pump

LEI Mingjing1,ZHANG Hua1,CHE Min2,WANG Fang1,YOU Xiaokuan1

(1.School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2.Technology Center,Haier Group,Qingdao 266101,China)

Abstract：The characteristics of a hot water unit with direct-heated and frequency-variable air source heat pump were analyzed,including the theoretical coupled characteristics of water tank module and heat pump module,the operation characteristics of the heat pump units in variable environment conditions and the comparative influences of compressor frequency and condensation temperature.The results show that the compressor input power changes along with the ambient temperature in a parabolic curve,and reaches the highest at 20 ℃.Besides,the heat capacity is of linearly positive correlation with the ambient temperature and the outlet water flow has exponential relation to the ambient temperature.Moreover,when the effective volume coefficient and suction coefficient of the compressor keep constant,the refrigerant mass flow rate has linear and positive relationship with the ambient temperature.In addition,the heat COP is of exponential relation to the ambient temperature,and decreases with the outlet water temperature.It is concluded as well that the adjustment of compressor frequency can change heat capacity remarkably,and the decrease of condensing temperature can decrease the outlet water temperature(such as 42 ℃)in a certain degree,thus decreases the compressor input power and increases the outlet water flow.

Keywords：heat pump water heater; direct-heated system; frequency-variable; thermal analysis

中圖分類號：TB 65

文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-03-18

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.02.008

文章編號：1007-6735(2016)02-0142-06

第一作者： 雷明鏡(1989-),女,助理實驗師.研究方向：熱泵熱水器.E-mail:lmj0711020501@163.com