分析空氣源熱泵熱水器的季節(jié)變化實驗及優(yōu)化策略

□周雄健

（廣東瑞星新能源科技有限公司 廣西 貴港 523000）

分析空氣源熱泵熱水器的季節(jié)變化實驗及優(yōu)化策略

□周雄健

（廣東瑞星新能源科技有限公司 廣西 貴港 523000）

為了研究季節(jié)變化對空氣源熱泵熱水器的影響，本文通過實驗的方式來測試空氣源熱泵熱水器在不同季節(jié)環(huán)境下的性能變化。實驗結(jié)果表明，不同季節(jié)環(huán)境下對空氣源熱泵熱水器性能變化影響最大的關(guān)鍵因素為水箱設(shè)定溫度與環(huán)境溫度。從而提出了空氣源熱泵熱水器的相關(guān)優(yōu)化策略，并對優(yōu)化策略的實施效果進行了分析。

空氣源熱泵熱水器；季節(jié)變化；實驗；優(yōu)化策略

1 實驗設(shè)備與實驗方法

1.1 實驗設(shè)備

本次實驗所選用的設(shè)備分別為計算機一臺、恒溫室、熱敏電阻三組，控制箱、蓄熱水箱、全封閉旋轉(zhuǎn)式壓縮機、冷凝盤管、數(shù)據(jù)采集器及風冷換熱器。恒溫室的設(shè)定溫度范圍為-5℃～35℃；控制箱用于對恒溫室的溫度進行控制；蓄熱水箱的結(jié)構(gòu)為承壓式，內(nèi)膽為不銹鋼板，其容積為120L，在蓄熱水箱的外殼與內(nèi)膽中設(shè)置了保溫材料；全封閉旋轉(zhuǎn)式壓縮機的額定功率為735W。冷凝盤管布置在蓄熱水箱的底部位置，形狀為螺旋形；數(shù)據(jù)采集器布置在恒溫室外部，用于采集熱敏電阻傳輸過來的數(shù)據(jù)；風冷換熱器安裝在恒溫室當中，并由軸風扇與蒸發(fā)盤管構(gòu)成。

1.2 實驗方法

將計算機與數(shù)據(jù)采集器和控制箱進行連接，由計算機通過控制箱來對恒溫室中的溫度進行調(diào)節(jié)，使恒溫箱能夠模擬季節(jié)變化所形成的溫度。由恒溫室中一組熱敏電阻對室內(nèi)溫度進行感應(yīng)，一組熱敏電阻對蒸發(fā)盤管的側(cè)溫度進行感應(yīng)，剩余一組熱敏電阻感應(yīng)蓄熱水箱中的水溫度，恒溫室中的溫度感應(yīng)點設(shè)置在室內(nèi)中心位置，并用數(shù)據(jù)采集器對這三組熱敏電阻的溫度數(shù)據(jù)進行采集和記錄。數(shù)據(jù)采集器記錄的內(nèi)容包括恒溫箱中空氣源熱泵熱水器的能量損耗、蓄熱水箱中的水溫度及蒸發(fā)盤管的側(cè)溫度，整個運行過程全部按照化箱流程進行判別；在進行實驗階段時，將熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP作為對空氣源熱泵熱水器的性能評判指標，并設(shè)置蓄熱水箱的初始溫度為15℃。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 環(huán)境溫度的影響

通過在恒溫室中模擬不同季節(jié)的變化環(huán)境特征，以此對空氣源熱泵熱水器的運行性能進行判斷，并以熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP作為評價指標。通過對溫度變化特征進行分析，可以總結(jié)出，在冬季時處于低溫狀態(tài)，即低溫環(huán)境中的COP性能系數(shù)變化規(guī)律。在春秋季節(jié)時處于中溫狀態(tài)，即中溫環(huán)境中的COP性能系數(shù)變化規(guī)律。在夏季時處于高溫狀態(tài)，即高溫環(huán)境中COP性能系數(shù)變化規(guī)律。因此，按照溫度狀態(tài)，可以區(qū)分為低溫區(qū)域、中溫區(qū)域與高溫區(qū)域。通過對熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP在這三個區(qū)域中的變化規(guī)律進行分析，總結(jié)出在低溫區(qū)域中，即溫度在-5℃～5℃時，熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP的變化相對較小，變化曲線相對較為平坦，并且COP的數(shù)值相對較低，這證明空氣源熱泵熱水器的運行性能較差。在中溫區(qū)域中，即溫度在5℃～30℃時，COP數(shù)值呈明顯上升趨勢，并且變化值始終超過2.5以上，當環(huán)境溫度處于30℃時，COP數(shù)值最大，因此可以判斷出空氣源熱泵熱水器在30℃時，系統(tǒng)運行性能最佳。在高溫區(qū)域中，即溫度在30℃～35℃時，COP數(shù)值呈明顯下降趨勢，并且變化值基本保持在1左右，當恒溫室達到35℃時，空氣源熱泵熱水器的工作效率明顯降低，且比20℃時還要更低，這說明，空氣源熱泵熱水器在高溫區(qū)域中循環(huán)熱負荷過高，從而造成其性能下降。

2.2 水箱溫度的影響

實驗結(jié)果表明，當蓄熱水箱中的溫度開始高于15℃時，COP值呈線性下降趨勢，而當蓄熱水箱中水的溫度達到60℃時，此時COP值降到歷史最低點。當恒溫室中的溫度處于高溫區(qū)時，可以看出COP基本變化不大，其變化曲線相對較為平坦，變化幅度僅為0.2～0.4之間。而當恒溫室中的溫度開始下降時，可以看出COP呈明顯下降趨勢，其變化曲線上下波動較大，變化幅度在0.7～1.5之間，當環(huán)境達到最低時，COP值在1.42，這也是本次實驗的最低值。

2.3 結(jié)果分析

通過對上述實驗結(jié)果進行分析，我們可以知道，當外部環(huán)境處于冬季時，會對空氣源熱泵熱水器產(chǎn)生明顯影響，而在此種環(huán)境下提高水箱的設(shè)定溫度，但會非常有可能導致熱水器的系統(tǒng)運行性能下降，并且外部環(huán)境溫度越低，對空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)影性能影響就越明顯。而當外部環(huán)境處于春秋季節(jié)時，對空氣源熱泵熱水器的性能影響較為明顯，外部環(huán)境為30℃時，空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)運行性能為最佳狀態(tài)。而當外部環(huán)境處于夏季時，會使空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)運行性能大幅下降，當夏季溫度達到35℃以上時，空氣源熱泵熱水器會由于循環(huán)熱負荷過高，而造成系統(tǒng)運行性能降到最低點。

2.4 空氣源熱泵熱水器的相關(guān)優(yōu)化策略

空氣源熱泵熱水器有四種工作模式，分別為午間模式、谷電模式、谷電加午間模式及正常模式，午間模式只有在中午外部環(huán)境溫度較高時使用，而午后至傍晚是全天的溫度峰值，因此在中午以后開啟午間模式能夠使空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)性能明顯提高。谷電加午間模式能夠適用于用戶在早間和晚間大量使用熱水的情況。正常模式能夠?qū)λ疁剡M行加熱，從而提高了用戶的舒適性，用戶可以根據(jù)自己的需求來設(shè)置正常模式。從對上面幾種工作模式進行介紹，我們可以了解到，在春秋季節(jié)時，由于溫度適中，因此采取午間模式能夠明顯提高熱水器的系統(tǒng)運行性能。而在夏季時，由于溫度過高，如果采用午間模式不僅不能提高熱水器的系統(tǒng)性能，還會造成大量能源的浪費，因此選擇谷電模式為最佳。在冬季時，由于溫度較低，為了提高舒適性，并且能夠滿足用戶的熱水需求，應(yīng)根據(jù)實際情況來選擇即時加熱模式。

3 優(yōu)化效果分析

在采取優(yōu)化措施以后，我們需要對其經(jīng)濟性進行比較，通過春秋季優(yōu)化策略與常規(guī)使用方案進行比較，優(yōu)化后的實際耗能為1 372MJ，而常規(guī)使用方案為1 662MJ，優(yōu)化后的費用為232元，常規(guī)使用費用為282元；夏季優(yōu)化策略與常規(guī)使用方案進行比較發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的實際耗能為660MJ，而常規(guī)使用方案為652MJ，運行費用分別為55元和110元；冬季優(yōu)化策略與常規(guī)使用方案進行比較發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的實際耗能為1 042MJ，而常規(guī)使用方案為2 086MJ，運行費用分別為173元和353元。

結(jié)束語

通過實驗的方式對空氣源熱泵熱水器在季節(jié)變化環(huán)境下的系統(tǒng)運行性能進行測試，實驗結(jié)果得出，水箱溫度升高會使空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)運行性能受到影響，并且外界環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)運行性能影響越大。當外界環(huán)境達到30℃時，此時空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)運行性能最好。通過對上述實驗結(jié)果進行分析，并對優(yōu)化策略的效果進行比較，總結(jié)出通過對空氣源熱泵熱水器的工作模式進行合理調(diào)節(jié)，能夠顯著提高系統(tǒng)運行性能，并能達到良好的經(jīng)濟效果，因此應(yīng)用價值極大。

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1004-7026（2017）16-0082-02

TS914.252

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10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2017.16.054