帶閃發(fā)補氣的家用空氣源熱泵熱水器實驗研究

王家正 馬國遠 俞國新 朱萬朋 勾倩倩 許樹學

（1 北京工業(yè)大學環(huán)境與生命學部 北京 100124；2 青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司 青島 266101）

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，建筑能耗占全國總能耗的比例不斷增加[1]，在民用建筑中，熱水能耗在建筑總能耗中的占比十分巨大[2]。空氣源熱泵熱水器因節(jié)能高效的優(yōu)勢而被諸多國家大力推廣應(yīng)用[3]，在我國華南及西南等地區(qū)得到較好的應(yīng)用，提升效率及擴大其應(yīng)用環(huán)境是兩個主要的研究方向。王宇等[4]通過測試5個不同環(huán)境溫度條件下空氣源熱泵熱水器的非用水及用水過程情況，發(fā)現(xiàn)在20 ℃以上環(huán)境中，保證45 ℃供水的COP（coefficient of performance）均在3以上。Zhang J.等[5]設(shè)計了一種空氣源熱泵熱水器性能測試裝置，發(fā)現(xiàn)毛細管長、制冷劑填充量、冷凝管長和系統(tǒng)匹配是影響其運行性能的重要參數(shù)。S. L. Tangwe等[6]對分體式及一體式空氣源熱泵熱水器進行實驗，發(fā)現(xiàn)分體式的性能效果優(yōu)于一體式。呂傳超等[7]設(shè)計了一種置于水箱底部的變直徑冷凝盤管結(jié)構(gòu)，水箱內(nèi)水溫分層現(xiàn)象得以改善。戴楠楠[8]通過對比等徑盤管和變徑盤管結(jié)構(gòu)下的熱泵熱水器性能，發(fā)現(xiàn)采用變徑盤管時冷凝器側(cè)傳熱系數(shù)提高20.0%，系統(tǒng)COP提升10.23%。林旭[9]設(shè)計了一種微通道分液冷凝器，發(fā)現(xiàn)其比傳統(tǒng)微通道冷凝器平均壓降更小，制冷劑分布更均勻，COP提高4.88%。A. S. Vieira等[10]對家用空氣源熱泵熱水器進行了研究，發(fā)現(xiàn)COP和儲水水箱的容量是影響空氣源熱泵熱水器能耗的重要因素。張潔等[11]通過對熱泵熱水器實驗分析發(fā)現(xiàn)，制冷劑充注量與膨脹閥開度的耦合是優(yōu)化系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。虞中旸等[12]研究了電子膨脹閥調(diào)節(jié)對空氣源熱泵熱水器性能的影響，發(fā)現(xiàn)加熱前期膨脹閥開度越大COP越大，加熱后期相反。Zou Deqiu等[13]對熱泵熱水器外加相變蓄熱材料（phase change materials, PCM）進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)制熱COP提升，加熱時間縮短14%。

但在北方寒冷地區(qū)或冬季濕冷地區(qū)，隨著環(huán)境溫度的下降，空氣源熱泵熱水器的能效急劇降低。藕俊彥等[14]分析了低溫環(huán)境下R417A替代R22的可行性，發(fā)現(xiàn)在較低的室外環(huán)境溫度下R417A替代R22優(yōu)勢明顯。A. Hakkaki-Fard等[15]采用混合工質(zhì)在寒冷環(huán)境下提升熱泵熱水器的性能，發(fā)現(xiàn)R32/CO2混合工質(zhì)相比R410A可使能耗降低23%，GWP（Global Warming Potential）減小16%。張雷等[16]通過研究發(fā)現(xiàn)，HFO-1234ze具有較低的排氣壓力，可作為低溫工況下熱泵熱水器工質(zhì)。趙曉丹等[17]研發(fā)了一種中壓補氣型空氣源熱泵熱水器，解決空氣源熱泵熱水器在冬季低溫環(huán)境下制熱性能衰減嚴重的問題。黃娟等[18]在熱泵熱水器上應(yīng)用了變頻雙級增焓技術(shù)，使熱泵的運行范圍從-15 ℃拓寬至-25 ℃。汪濤等[19]對帶有噴氣增焓裝置的熱泵熱水器系統(tǒng)分別充注R32和R410A制冷劑進行對比測試，表明低溫工況下，R32熱泵系統(tǒng)的COP明顯高于R410A熱泵系統(tǒng)。

本文搭建帶閃發(fā)補氣的家用空氣源熱泵熱水器實驗系統(tǒng)，在不同環(huán)境溫度下與單級壓縮系統(tǒng)進行對比，測試制熱量、COP、加熱時間及排氣溫度等宏觀參數(shù)的變化規(guī)律，并進一步分析其性能。對其全年能源消耗效率（annual performance factor，APF）進行計算評價，為其在低溫地區(qū)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 工作原理

熱泵熱水器系統(tǒng)利用壓縮機做功使制冷劑在蒸發(fā)器中吸取空氣中的熱量，在熱水器中將熱量放出，加熱水箱內(nèi)的水。帶閃發(fā)補氣的家用空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)原理及其壓焓圖如圖1和圖2所示。壓縮機的主要技術(shù)參數(shù)：制冷劑為R410A，額定制熱量為3 438 W，額定功率為798 W，吸氣容積為8.8 mL/r，額定電流為2.88 A。工作過程：制冷劑經(jīng)過壓縮機后變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)制冷劑，進入水箱內(nèi)加熱熱水，在冷凝盤管內(nèi)放熱后變?yōu)橹袦馗邏旱囊簯B(tài)制冷劑，在毛細管中進行第一次節(jié)流后進入閃發(fā)器。在閃發(fā)器中制冷劑分為兩路，主回路制冷劑通過電子膨脹閥進行二次節(jié)流，進入蒸發(fā)器中吸熱，后返回壓縮機吸氣口；補氣回路制冷劑經(jīng)過雙向電磁閥后被壓縮機補氣口吸入，與主回路氣體混合后進入壓縮機再被壓縮。雙向電磁閥關(guān)閉為單級壓縮循環(huán)，制冷劑出冷凝盤管后不進行分流，直接用電子膨脹閥進行節(jié)流，然后進入蒸發(fā)器中吸熱，最后回到壓縮機。

圖1 帶閃發(fā)補氣的熱泵熱水器系統(tǒng)原理Fig.1 System of heat pump water heater with flash tank

圖2 理論循環(huán)壓焓圖Fig.2 Pressure-enthalpy diagram

空氣源熱泵熱水器的冷凝器可分為外繞式冷凝盤管和內(nèi)置式冷凝盤管[20]。外繞式冷凝盤管是將冷凝盤管纏繞于水箱內(nèi)膽外壁，冷凝盤管和水不直接接觸，熱量通過內(nèi)膽外壁傳遞給水；內(nèi)置式冷凝盤管將換熱盤管置于水箱內(nèi)，冷凝盤管和水直接接觸換熱。內(nèi)置式冷凝盤管與水直接接觸，易結(jié)垢及被腐蝕；外繞式冷凝盤管的傳熱效率較內(nèi)置式冷凝盤管略低，但綜合考慮目前熱泵熱水器系統(tǒng)多數(shù)采用外繞式，并且采用微通道冷凝器。微通道冷凝器不同于傳統(tǒng)冷凝器與水箱外壁之間的線接觸，與水箱的接觸為面接觸，換熱接觸面積大，傳熱效果更好。

家用熱泵熱水器宏觀參數(shù)計算方法如式（1）～式（4）所示。

制熱水能力：

U=V/H

（1）

式中：U為制熱水能力，L/h；V為被加熱水體積，L；H為加熱時間，h。

熱泵制熱量：

Q=cpρU（T2-T1）/3 600

（2）

式中：Q為熱泵制熱量，kW；cp為平均進出水溫度下水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ρ為平均進出水溫度下水的密度，kg/m3；T1、T2分別為進、出水溫度，℃。

制熱性能系數(shù)COP：

COP=Q/P

（3）

式中：P為熱泵制熱消耗功率，kW。

全年能源消耗效率APF：

（4）

式中：WJ為日平均氣溫為tj時每日所需的總熱水熱能，J；nj為發(fā)生天數(shù)，d；hj為日平均氣溫編號j時加熱總熱量為WJ所消耗的時間，h；Pj為日平均氣溫編號j時制熱消耗功率，kW。

2 樣機與實驗

本文設(shè)計并加工了帶閃發(fā)補氣的空氣源熱泵熱水裝置，依據(jù)GB/T 23137—2020《家用和類似用途熱泵熱水器》[21]對其進行測試，將熱水器的室內(nèi)機和室外機均放置在一個環(huán)境控制室內(nèi)，環(huán)境控制室可實現(xiàn)-20～40 ℃范圍內(nèi)的調(diào)控。圖3所示為實驗臺及其測試系統(tǒng)。

直接測量參數(shù)包括：壓縮機吸氣溫度、 壓縮機吸氣壓力、壓縮機排氣溫度、壓縮機排氣壓力、冷凝盤管進出口溫度、冷凝盤管進出口壓力、壓縮機功率。計算得出的參數(shù)包括：系統(tǒng)制熱量Q、制熱COP及APF。

圖3 帶閃發(fā)補氣的熱泵熱水器系統(tǒng)及其測試裝置Fig.3 System and test device of heat pump water heater with flash tank

使用安捷倫34970A進行數(shù)據(jù)采集，溫度傳感器使用Pt100及熱電偶，壓力測試采用高精度Huba傳感器。儀器性能參數(shù)如表1所示。

表1 實驗用儀器性能參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental instrument

實驗過程：

1）設(shè)定并調(diào)節(jié)出所需的環(huán)境控制室溫度。

2）開啟加熱水系統(tǒng)和循環(huán)水供水系統(tǒng)，將水箱內(nèi)水溫控制在初始水溫。

3）待環(huán)境室及水箱初始水溫溫度穩(wěn)定后，開啟實驗裝置并關(guān)閉循環(huán)水系統(tǒng)供水閥，同時開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

實驗工況條件如表2所示。

3 實驗結(jié)果與分析

圖4所示為加熱時間隨環(huán)境溫度的變化。由圖4可知，隨著環(huán)境溫度的不斷升高，單級壓縮系統(tǒng)和補氣系統(tǒng)加熱時間均減小。環(huán)境溫度為-15 ℃時，單級壓縮系統(tǒng)由于外界環(huán)境過低導(dǎo)致加熱水至50 ℃時，系統(tǒng)高壓保護停止運行，加熱整箱水的時間為6.33 h，而采用帶閃發(fā)器補氣系統(tǒng)完成加熱用時5.03 h，當環(huán)境溫度為43 ℃時，加熱時間僅需2.12 h和2 h，補氣系統(tǒng)的加熱時間低于單級系統(tǒng)0.12～1.3 h。在環(huán)境溫度更嚴峻的低溫工況下（如-15 ℃），系統(tǒng)從外界獲得熱量困難導(dǎo)致加熱時長增加，補氣系統(tǒng)的加熱速度比單級壓縮系統(tǒng)最高可提升20.5%。

表2 實驗測試工況Tab.2 Test conditions

圖4 加熱時間隨環(huán)境溫度的變化Fig.4 Heating time changes with ambient temperature

圖5所示為低溫工況下，單級系統(tǒng)和補氣系統(tǒng)加熱過程水溫的變化。補氣系統(tǒng)在溫度越低的環(huán)境中，加熱時間越長，其中在低溫工況下，熱泵熱水器中初始水溫設(shè)置為9 ℃，當水溫達到55 ℃時熱泵熱水器自動停機，加熱完成。圖中斜率表示不同系統(tǒng)的制熱水速度，采用帶閃發(fā)補氣的熱泵熱水器系統(tǒng)在制熱水速度上快于單級壓縮系統(tǒng)。

圖5 加熱水溫隨加熱時間的變化Fig.5 Heating water temperature changes with heating time

圖6 瞬時制熱COP及制熱量隨補氣開始后的時間變化Fig.6 Instantaneous heating COP and heating capacity changes with the time after the beginning of vapor-injection

圖6所示為補氣系統(tǒng)與單級壓縮系統(tǒng)在補氣開始后的制熱量、瞬時制熱COP隨時間的變化。在補氣開始后，補氣系統(tǒng)的制熱量均略大于單級壓縮系統(tǒng)，而補氣系統(tǒng)的瞬時制熱COP則均低于單級壓縮系統(tǒng)，主要原因是：補氣開始后壓縮機排氣量增大，使系統(tǒng)的制熱量和功耗增大，在補氣開始時，系統(tǒng)功耗突然升高，而制熱增幅緩慢，使系統(tǒng)的瞬時制熱COP短時間內(nèi)降低，隨后又趨于緩慢下降。補氣系統(tǒng)在開始補氣后17 min便加熱完成，而單級壓縮系統(tǒng)則在45 min后完成加熱。可知，補氣后可大幅減小加熱時間。

圖7所示為制熱量及排氣溫度隨環(huán)境溫度的變化。由圖7可知，系統(tǒng)制熱量隨環(huán)境溫度的降低而逐漸降低，且各工況條件下補氣系統(tǒng)的制熱量均小于單級壓縮系統(tǒng)的制熱量。當環(huán)境溫度由43 ℃降至-15 ℃時，補氣系統(tǒng)制熱量的增長量由5.9%提高至21.3%。由于其采用閃發(fā)補氣，使系統(tǒng)冷凝器的制冷劑質(zhì)量流量增大，從而使冷凝器制熱量增加。且環(huán)境溫度越低，制熱量增大趨勢越明顯。

圖7 制熱量及排氣溫度隨環(huán)境溫度的變化Fig.7 Heating capacity and discharge temperature change with ambient temperature

壓縮機排氣溫度隨環(huán)境溫度的降低逐漸升高，在相同工況條件下，補氣系統(tǒng)的排氣溫度始終低于單級壓縮系統(tǒng)的排氣溫度，保證了機組的安全運行。在環(huán)境溫度為-15 ℃和-7 ℃時，單級壓縮系統(tǒng)的排氣溫度分別為102.72 ℃和100.81 ℃，而采用帶閃發(fā)補氣系統(tǒng)的排氣溫度分別為91.3 ℃和90.3 ℃，較單級壓縮系統(tǒng)降低11.43 ℃和10.51 ℃。原因是從閃發(fā)器出來的制冷劑與壓縮腔中壓縮到中間壓力的主路制冷劑混合后，降低了壓縮機排氣過熱度，從而降低了壓縮機排氣溫度，且環(huán)境溫度越低，兩者系統(tǒng)的溫差相差越大。

圖8所示為各工況下的制熱COP對比結(jié)果，由于在-15 ℃工況下單級壓縮系統(tǒng)僅加熱熱水至50 ℃，因此補氣系統(tǒng)也取加熱水至50 ℃時的制熱COP。其中補氣系統(tǒng)的制熱COP始終高于單級壓縮系統(tǒng)的制熱COP，隨著溫度的不斷升高，補氣系統(tǒng)相對于單級壓縮系統(tǒng)的制熱COP提高3.4%～14.1%。因為熱泵系統(tǒng)壓縮機的吸氣量不變，補氣開始后，壓縮機排氣質(zhì)量流量增加，導(dǎo)致系統(tǒng)壓縮機功率增加，而性能系數(shù)是系統(tǒng)制熱量與壓縮機功率的比值，因此補氣系統(tǒng)制熱COP始終高于單級壓縮系統(tǒng)。

圖8 制熱COP隨環(huán)境溫度的變化Fig.8 Heating COP changes with ambient temperature

通過APF可考核熱泵系統(tǒng)全年的能耗水平，進而對系統(tǒng)的性能進行全面評估。本文在不同建筑氣候區(qū)（嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)）分別選取1個代表城市 （哈爾濱、北京、南京、昆明、廣州） ，基于其典型年氣象數(shù)據(jù)進行APF計算，結(jié)果如圖9所示。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，補氣系統(tǒng)在溫度較低的嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的APF較單級壓縮系統(tǒng)提升較大，能夠較好的滿足環(huán)境溫度較低地區(qū)熱泵熱水器的使用。帶閃發(fā)補氣的熱泵熱水器系統(tǒng)在寒冷地區(qū)具有較好的適應(yīng)性和優(yōu)勢性。

圖9 APF隨氣候區(qū)城市的變化Fig.9 APF changes with climatic cities

4 結(jié)論

本文搭建了帶閃發(fā)補氣的家用空氣源熱泵熱水器實驗系統(tǒng)，在不同環(huán)境溫度下研究運行性能，并與單級壓縮系統(tǒng)進行對比，得到結(jié)論如下：

1）與單級壓縮系統(tǒng)相比，帶閃發(fā)補氣的熱泵熱水器系統(tǒng)加熱時間減小，瞬時制熱COP增大。在環(huán)境溫度為-15 ℃時，加熱時間降幅達20.5%，表明補氣系統(tǒng)在環(huán)境溫度較低的地區(qū)使用效果更好。

2）帶閃發(fā)補氣的熱泵熱水器制熱量均大于單級壓縮系統(tǒng)，排氣溫度始終低于單級壓縮系統(tǒng)，在環(huán)境溫度為-15 ℃時，系統(tǒng)制熱量增幅達到21.3%，同時系統(tǒng)的排氣溫度降低11.43 ℃，保證了機組運行的安全性。

3）帶閃發(fā)補氣的熱泵熱水器在各個建筑氣候區(qū)的APF均高于單級壓縮系統(tǒng)，在環(huán)境溫度較低的嚴寒地區(qū)，APF增長0.3，補氣系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)優(yōu)勢更顯著。