初始水溫對空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能的影響

袁朝陽 陶樂仁 虞中旸

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093）

初始水溫對空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能的影響

袁朝陽 陶樂仁 虞中旸

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093）

本文針對空氣源熱泵熱水器加熱至較高水溫時系統(tǒng)效率明顯下降的問題，研究初始水溫對系統(tǒng)性能的影響，通過實(shí)驗(yàn)改變初始水溫，分析系統(tǒng)各參數(shù)隨加熱水溫的變化規(guī)律，得到實(shí)際運(yùn)行特性及制熱性能惡化的原因。結(jié)果表明：相同初始水溫，隨著加熱的進(jìn)行，COP不斷下降，加熱前期下降趨勢較為平緩，后期變大；不同初始水溫，因系統(tǒng)開機(jī)時存在“預(yù)熱”階段，加熱后期又受壓縮機(jī)大量吸氣帶液的影響，故平均COP隨初始水溫的升高呈先減小后增大的趨勢；少量吸氣帶液能有效降低排氣溫度，改善系統(tǒng)性能，大量吸氣帶液卻增大系統(tǒng)功耗，加劇COP的下降趨勢。此外，提出以排氣溫度下降后再次上升時的拐點(diǎn)作為壓縮機(jī)開始大量吸氣帶液的參照點(diǎn)，從而提升系統(tǒng)性能。

熱泵熱水器；初始水溫；兩相流；排氣溫度

空氣源熱泵由逆卡諾循環(huán)從較低溫度的空氣中吸取熱能，通過壓縮機(jī)做功，將熱能供給較高溫度的熱源，這比純粹的電加熱或者用氣體燃料加熱更經(jīng)濟(jì)［1－2］。不同于常規(guī)的熱泵，空氣源熱泵熱水器具有運(yùn)行工況范圍寬，常年制熱以及冷凝溫度時變等特點(diǎn)，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行至較高水溫時，不僅效率會有明顯下降，還存在壓縮機(jī)超負(fù)荷及排氣溫度過高等方面的隱患［3－4］。因此，研究較高水溫時的系統(tǒng)性能和變化規(guī)律至關(guān)重要，眾多學(xué)者對此進(jìn)行了研究。

孫濤等［5］發(fā)現(xiàn)使用短毛細(xì)管的熱泵熱水器，加熱水至高溫區(qū)出現(xiàn)壓縮機(jī)吸氣帶液現(xiàn)象，造成制熱量下降，且毛細(xì)管越短，出現(xiàn)的時間越早，并提出在加熱過程中切換使用不同長度的毛細(xì)管可大幅提升熱泵性能。張良俊等［6］使用可調(diào)節(jié)開度的熱力膨脹閥，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在較為合適的制冷劑充注量下，適當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度可達(dá)到最佳運(yùn)行性能，但考慮其在流量調(diào)節(jié)作用上的局限性，建議使用電子膨脹閥。對使用電子膨脹閥的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)動態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)研究［7－8］表明，調(diào)節(jié)電子膨脹閥可保持系統(tǒng)過熱度基本不變，在加熱低溫區(qū)，設(shè)置電子膨脹閥為大開度可提高系統(tǒng)性能和制熱量，但在加熱高溫區(qū)則恰恰相反。以此提出在不同加熱區(qū)間使用不同閥開度來提高熱泵系統(tǒng)性能的方法，并證實(shí)了可行性。

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，空氣源熱泵熱水器在運(yùn)行至高溫區(qū)壓縮機(jī)吸氣口易進(jìn)入兩相區(qū)，形成濕壓縮影響系統(tǒng)性能。針對這一特性，熱泵熱水器系統(tǒng)多采用熱泵專用滾動轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。研究表明高背壓滾動轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)具有一定的抗?jié)駢嚎s能力［9］。因此，陶宏等［10－14］在壓縮機(jī)吸氣口安裝可視管，觀察到壓縮機(jī)運(yùn)行在少量吸氣帶液的狀態(tài)時系統(tǒng)制冷量和COP均提高，但當(dāng)大量吸氣帶液時壓縮機(jī)的性能下降，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率，因此仍需盡量避免濕壓縮。

陳振豪等［15］實(shí)驗(yàn)研究了水箱設(shè)定溫度對系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，指出COP隨水箱設(shè)定溫度的升高呈近線性下降趨勢，且環(huán)境溫度越低下降越明顯。江斌等［16－17］研究表明，空氣源熱泵熱水器的制熱效率隨加熱水溫的升高而降低是系統(tǒng)的固有特性，運(yùn)行中可通過調(diào)節(jié)節(jié)流機(jī)構(gòu)等外部條件來適當(dāng)提升高溫區(qū)的系統(tǒng)性能，減緩COP的下降趨勢。但是對于高溫區(qū)系統(tǒng)性能惡化原因是否與加熱水溫的升高有關(guān)，以及對惡化出現(xiàn)時機(jī)的判斷依據(jù)等方面的研究卻不夠充分，高水溫對系統(tǒng)性能的影響需進(jìn)一步研究。因此本文以空氣源熱泵熱水器裝置為平臺，通過改變初始水溫，實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，得到制熱效果變差的根本原因，揭示整個加熱過程中的關(guān)鍵問題，并提出系統(tǒng)改進(jìn)的方向。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)原理類似循環(huán)加熱式熱泵熱水器，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為制冷劑循環(huán)和水循環(huán)兩部分。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig．1 The principle of experimental installation

制冷劑循環(huán)部分由壓縮機(jī)、質(zhì)量流量計、翅片蒸發(fā)器、套管冷凝器、電子膨脹閥、高壓儲液器、電磁閥、過濾器、視液鏡等組成。壓縮機(jī)選用 WHP02830?C4AT型熱泵專用滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，定頻50 Hz，可解決壓縮機(jī)過熱的問題。額定制冷量為2 245 W，制熱量為2 930 W，額定功率為685 W。制冷劑為R134a。壓縮機(jī)吸氣口自帶氣液分離器，當(dāng)壓縮機(jī)吸入少量液態(tài)制冷劑時，制冷劑液滴較小，會在極短時間內(nèi)吸收機(jī)體耗散熱量和高溫氣態(tài)制冷劑熱量而迅速蒸發(fā)，因此長時間運(yùn)行不會發(fā)生“液擊”現(xiàn)象。壓縮機(jī)吸氣和排氣口接入KP型壓力控制器，保護(hù)壓縮機(jī)工作在正常壓力范圍內(nèi)。質(zhì)量流量qm由科式力質(zhì)量流量計測量，精度 ±0.1%。蒸發(fā)器選用管徑為?9.52 mm ×0.28 mm 的翅片管式換熱器，并配置額定風(fēng)量為530 m3/h的YWY型外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機(jī)。冷凝器選用TY1222型套管換熱器，銅管外徑16 mm，換熱面積0.61 m2。電子膨脹閥為步進(jìn)電機(jī)控制器驅(qū)動的直動式電子膨脹閥，可手動調(diào)節(jié)控制器改變膨脹閥開度。

水系統(tǒng)循環(huán)部分由循環(huán)水泵、電加熱箱、浮子流量計、套管冷凝器、儲水箱組成閉式回路。循環(huán)水泵采用 RS?15/6 型屏蔽泵，可調(diào)流量范圍3 ～11 L/min。電加熱箱可調(diào)節(jié)初始水溫，加熱量由調(diào)壓調(diào)功器控制。循環(huán)水流量qv由浮子流量計測得，精度±2