空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能優(yōu)化探討

摘 要：針對全年氣溫相對較高的地區(qū)，空氣源熱泵熱水器的應(yīng)用相對廣泛，正因?yàn)槿绱?，采取有效措施提升熱水器系統(tǒng)性能至關(guān)重要，在優(yōu)化系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，可以促使能源利用率有效提升。在這種情況下，本文對室內(nèi)夏季高溫環(huán)境進(jìn)行了模擬，并在對空氣源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，詳細(xì)研究了系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；熱水器；系統(tǒng)性能；優(yōu)化

現(xiàn)階段，太陽能熱水汽、電熱水器以及燃?xì)鉄崴鞯仍谖覈玫搅藦V泛的應(yīng)用，同其他種類的熱水器相比，空氣源熱泵熱水器在應(yīng)用的過程中，不僅呈現(xiàn)出了較高的安全性，同時(shí)運(yùn)行效率以及環(huán)保性能都相對較高，因此得到了人們的認(rèn)可。本文對空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的性能優(yōu)化展開了詳細(xì)探討，希望為我國熱水器領(lǐng)域的全面發(fā)展奠定一定理論基礎(chǔ)。

一、實(shí)驗(yàn)原理及方法

水循環(huán)和制冷劑循環(huán)部分共同構(gòu)成了空氣源熱泵熱水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中翅片蒸發(fā)器、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、可視管以及電磁閥等共同構(gòu)成了制冷劑循環(huán)部分；電加熱箱、儲(chǔ)水箱以及浮子流量計(jì)和循環(huán)水泵等共同構(gòu)成了水系統(tǒng)循環(huán)部分。

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中，部分制冷劑氣體在蒸發(fā)器中存在過熱現(xiàn)象，這部分氣體可以被壓縮機(jī)吸收，在類似于等熵壓縮處理的基礎(chǔ)上，最后輸入到冷凝器中的氣體為高壓氣體，在流經(jīng)冷水以后，高壓過冷液體會(huì)在冷凝的基礎(chǔ)上形成，將其傳送到高壓儲(chǔ)液罐中以后，會(huì)想蒸發(fā)器流入，此時(shí)需要經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流處理，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)。

過熱狀態(tài)存在于蒸發(fā)器出口處，在對其進(jìn)行控制的過程中，可以利用電子膨脹閥開度調(diào)節(jié)的方式，水流量調(diào)節(jié)在水循環(huán)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，需要對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)變，同時(shí)還應(yīng)在調(diào)控浮子流量計(jì)頂部的閥門來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，100L為本文所述水箱充水量。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

（一）夏季工況下R134a系統(tǒng)循環(huán)特性分析

在對夏季工況下R134a系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行全面記錄的基礎(chǔ)上，對參數(shù)變化進(jìn)行分析，從實(shí)驗(yàn)工況來看：9L/min為循環(huán)水流量，8%為電子膨脹閥開度，在數(shù)據(jù)采集的過程中，是以30攝氏度循環(huán)熱水為起點(diǎn)的，并不斷提高水溫，將其加熱到55攝氏度。本文在展開實(shí)驗(yàn)的過程中，采用了23、28、30、32以及35攝氏度的環(huán)境溫度，并對系統(tǒng)平均CCOP進(jìn)行采集。

在不斷升高的環(huán)境溫度中，CCOP作為系統(tǒng)平均能效比處于逐漸提高的狀態(tài)，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)中的溫度變化特點(diǎn)，產(chǎn)生了4.0的CCOP平均值，5.2為最大值。當(dāng)23～30攝氏度為環(huán)境溫度時(shí)，明顯的上升現(xiàn)象存在與CCOP中，而在30～35攝氏度為環(huán)境溫度時(shí)，這一數(shù)值的上升趨勢減緩。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是，在不斷提升環(huán)境溫度的背景下，一定程度上提升了蒸發(fā)器端熱負(fù)荷，這就導(dǎo)致蒸發(fā)溫度有所升高，在這種情況下，始終擁有較小的過熱度存在于蒸發(fā)器出口，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生不斷上升的CCOP。如果繼續(xù)提高環(huán)境溫度，那么會(huì)連續(xù)增加蒸發(fā)器出口過熱度，此時(shí)有效換熱面積在蒸發(fā)器中會(huì)明顯縮小，增勢減緩的現(xiàn)象在系統(tǒng)平均CCOP中產(chǎn)生。

在不斷提升循環(huán)熱水溫度的過程中，線性增加的現(xiàn)象在壓縮機(jī)功耗中形成；越高的環(huán)境溫度會(huì)產(chǎn)生越大的耗功，然而如果循環(huán)水溫相同，耗功受環(huán)境溫度的影響較小，此時(shí)僅僅會(huì)產(chǎn)生3.6%的增加幅度。當(dāng)循環(huán)水溫度不斷提升，由30攝氏度上升到55攝氏度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生1.6倍的壓縮機(jī)功耗，由此可見，此時(shí)擁有較大的增加幅度。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是冷凝溫度、冷凝壓力在不斷升高的水溫度情況下，也產(chǎn)生了提升的現(xiàn)象，這會(huì)增大壓縮機(jī)壓比，并降低容積效率；與此同時(shí)，隨之增加的還有壓縮機(jī)單位循環(huán)比，最終在促使熱水溫度不斷提升的過程中，壓縮機(jī)功耗也會(huì)不斷升高。

（二）系統(tǒng)運(yùn)行性能受電子膨脹閥應(yīng)用的影響分析

在本次實(shí)驗(yàn)中，對不同狀態(tài)下電子膨脹閥的系統(tǒng)能耗比、過熱度以及蒸發(fā)器出口溫度和蒸發(fā)溫度的變化趨勢進(jìn)行了總結(jié)和分析，23攝氏度為本次實(shí)驗(yàn)中最初的環(huán)境溫度設(shè)定值，21攝氏度為水箱進(jìn)水溫度，9L/min為水流量，在實(shí)驗(yàn)中需要不斷加熱水，一直需要加熱到55攝氏度。

在本次實(shí)驗(yàn)中，需要對不同開度的電子膨脹閥進(jìn)行觀察，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)擁有逐漸降低的過熱度和不斷上升的蒸發(fā)溫度，平滑性強(qiáng)是溫度整個(gè)變化過程中曲線的主要特點(diǎn)，同時(shí)在后期對熱水進(jìn)行加熱處理的過程中，穩(wěn)定性強(qiáng)成為過熱度和蒸發(fā)溫度變化的主要特點(diǎn)。熱水在水箱中應(yīng)不斷進(jìn)行加熱，一直到55攝氏度為止，這一過程中擁有6%的閥開度，而8攝氏度則是過熱度值，這一數(shù)值相對穩(wěn)定；在8%的閥開度時(shí)，通常會(huì)擁有5攝氏度的過熱度，且數(shù)值相對穩(wěn)定；當(dāng)擁有10%的閥開度時(shí)，通常會(huì)擁有3攝氏度的過熱度，且數(shù)值相對穩(wěn)定。過熱度在蒸發(fā)器出口處會(huì)不斷降低，而此時(shí)電子膨脹閥開度是處于不斷增大的狀態(tài)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是，在不斷增大電子膨脹閥開度的過程中，隨之升高的還有蒸發(fā)溫度，此時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及環(huán)境溫度并不會(huì)發(fā)生任何轉(zhuǎn)變，但是會(huì)不斷降低過熱度。

制冷劑流量在系統(tǒng)循環(huán)中要想得到有效的調(diào)節(jié)，應(yīng)對電子膨脹閥進(jìn)行應(yīng)用，小范圍的震蕩就會(huì)在過熱度和蒸發(fā)溫度中形成，同時(shí)增大閥開度，就會(huì)產(chǎn)生更大的震蕩范圍。因此系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，應(yīng)對過熱度進(jìn)行有效的控制，此時(shí)溫度劇烈震蕩問題就不會(huì)在熱力膨脹閥中產(chǎn)生，而靜態(tài)過熱度也不需要進(jìn)行頻繁的調(diào)節(jié)，在這種情況下，將產(chǎn)生更為簡單且穩(wěn)定的蒸發(fā)器過熱度調(diào)節(jié)過程。

當(dāng)擁有較大的膨脹閥開度時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)能效比將相對較高；然而在促使進(jìn)口水溫度在套管換熱器中不斷提升的過程中，此時(shí)線性降低的現(xiàn)象就會(huì)在CCOP中產(chǎn)生。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)膨脹閥開度過大時(shí)，制冷劑在進(jìn)入蒸發(fā)器中時(shí)量會(huì)提升，此時(shí)會(huì)減小蒸發(fā)器出口過熱度，而有效相變換熱面積在蒸發(fā)器中會(huì)不斷提升，最終會(huì)產(chǎn)生不斷上升的換熱效率，在這種情況下，促使CCOP得到了提升。因此在穩(wěn)定、安全的壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，制冷劑流量可以應(yīng)用膨脹閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

三、空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能優(yōu)化

第一，在環(huán)境溫度相對較高的夏季，空氣源熱泵熱水器冷媒為制冷劑R134a，其所呈現(xiàn)出的系統(tǒng)能效比相對較高，同時(shí)所產(chǎn)生的排氣溫度相對較低，但是如果擁有過高的環(huán)境溫度，那么會(huì)極大的增加吸氣過熱度，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致有效換熱面積明顯降低，最終會(huì)對換熱性能產(chǎn)生不利影響。

第二，對熱水進(jìn)行加溫處理，當(dāng)其從30攝氏度上升值55攝氏度以后，線性增加的現(xiàn)象產(chǎn)生于功耗中，具體增長倍數(shù)為1.6；此時(shí)隨之增大的還有壓比，導(dǎo)致一定的安全隱患產(chǎn)生于系統(tǒng)中，并且加劇了壓縮機(jī)的震動(dòng)現(xiàn)象，并降低溶劑效率，在這一過程中，穩(wěn)定性在系統(tǒng)運(yùn)行中明顯降低；如果始終保持45攝氏度左右的循環(huán)水進(jìn)水溫度，那么將產(chǎn)生最佳系統(tǒng)利用率。

第三，制冷劑流量在系統(tǒng)循環(huán)中要想得到有效的調(diào)節(jié)，就可以對電子膨脹閥進(jìn)行應(yīng)用，此時(shí)過熱度在蒸發(fā)器出口處能夠得到精確的控制，在這種情況下，變工況情況下系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行可以得到高效解決，而系統(tǒng)能效比也將有效提升。然而，小范圍的震蕩會(huì)在穩(wěn)定的過熱度和蒸發(fā)溫度中形成，同時(shí)如果產(chǎn)生較大的閥開度，這以震蕩問題就會(huì)更加嚴(yán)重；必須確保能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定且安全的壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，只有這樣才能夠在任何負(fù)荷狀態(tài)下產(chǎn)生較高的運(yùn)行效率。

結(jié)束語：

綜上所述，在對空氣源熱泵熱水器試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，能夠?qū)岜孟到y(tǒng)在R134a時(shí)和夏季工況下的具體運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行獲取，同時(shí)也促使電子膨脹閥開度實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。本文對套管換熱器進(jìn)出水溫差、系統(tǒng)能效在不同水流量、周邊溫度環(huán)境基礎(chǔ)上的變化進(jìn)行了討論，從而得出了具體的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能優(yōu)化途徑，希望為相關(guān)領(lǐng)域的全面發(fā)展奠定一定理論基礎(chǔ)。

作者簡介：

王虹（1986-09），性別：女，籍貫：吉林省吉林市，工作單位：吉林省長熱維修實(shí)業(yè)有限公司，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：工程師，研究方向：公用設(shè)備設(shè)計(jì)及安裝。endprint