空气源热泵热水器实验研究

摘要：对现有的空气源热泵热水器系统部件提出了优化目标与方向，并进行相应计算和实验验证。通过分别对热泵工质充注量、冷凝盘管长度以及系统匹配问题的研究，结合实验结果证明了经过优化后，热泵热水器系统的性能COP显著提高，并且稳定性得到改善。

目前国内家用热水器市场的主要产品为燃气热水器、电热水器和太阳热水器。热泵热水器作为第4种热水器目前刚刚在市场上出现，与前3类热水器相比，热泵热水器具有节能、运费低、安全等优点，在生产家庭用热水方面有非常广阔的应用前景，是一种值得推广的新产品。空气源热泵热水器根据逆卡诺循环原理，从低温位的空气中吸收热量，通过热机做功，将热量输送到较高温度的热源．热水水箱中。系统每消耗一份电量，可以从环境中获得3—4份热量，因而实际获得4—5份热水温度下的热量，因此具有高效节能、绿色环保等优点，深受广大用户的喜爱。但就现有的空气源热泵热水器而言，各厂家无法达成统一，市场上机组和匹配水箱的型号参差不齐，使消费者容易形成选择的误区。这主要是由地区、生活习惯以及热水器全年运行工况的差异造成的。热泵热水器由室外机、水箱、连接管等组成。一些厂家的热泵主机(室外机)直接以空调外机替代，一台室外机和一个水箱即构成了一套热泵热水器系统。然而热泵热水器运行工况与空调的工况明显不同，其高温侧逐渐升温，而低温侧则随气温而变化。因此，必须对热泵热水器产品进行标准化。为了提高系统性能、降低产品成本、优化运行工况，应当从系统组成部件人手进行研究。实验发现，除压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀之外，充注量、水箱容量与机组的匹配也相当重要。本文对现有空气源热泵热水器系统部件提出优化并进行相应计算和实验验证。分别对充注量、冷凝盘管长度以及系统匹配问题加以讨论，由实验结果对比可见，其系统性能COP和经济性有显著提高，希望对热泵热水器今后的发展提供一些有价值的参考意见。

1 热泵热水器实验系统组成 热泵热水器实验系统运行时，液体工质从空气中吸热，在蒸发器中蒸发，然后经压缩机压缩成高温高压的蒸气，高压蒸气在冷凝器放热而凝结成液体从而加热水箱中的水，高压高温的液体经过毛细管或热力膨胀阀节流后成为低温低压的气液混合物，重新进入蒸发器中吸热蒸发从而完成一个循环。实验中由控制器设定启／停机温度和运行模式，水温升至设定温度后自动停机，水温降到一定温度时，则开机进行补温。本实验仅讨论一个加热过程中的参数变化情况，在加热开始前和结束后开启循环水泵，将水搅匀后得到初始和终了水温，在此基础上根据得热量与耗电量的比值算出COP。采用数据采集器和电脑可以记录水箱中水温，进、出水温度，空气温度，蒸发器温度，压缩机瞬时、累积功率等，自动记录的数据可以以文件形式保存在计算机中。由此可以观察水的温升情况、功率变化、用电量等参数值。 2 热泵工质充注量 在对热泵系统进行了打压检漏、抽真空后，就要加入热泵工质，显然过多或过少都不好。由于水的分层，冷凝盘管底部的热泵工质温度约等于水温，若热泵工质充注量过多，则压缩机负载加重，并且过量的热泵工质会占去冷凝器的一部分面积，使制热效率下降；若充注量过少，则压缩机进、回气压力偏低，热流密度变小，难以满足其额定的制热量。这两种情况均不能使热泵设备达到理想的工作状态，甚至会使温控器不动作，压缩机不停机。另外，冬、夏季的环境温度不同，热泵工质流量不同，系统性能COP及最佳充注量亦不同⋯，一般来说，夏季相对需求量多，冬季需求量少一些。这些都是热泵工质充注量难以确定的影响因素。为确定加热泵工质量常规的办法是“经验观察”，通过较长时间的观察压力表、压缩机电流、蒸发器凝露状况等来形成加多或加少的判断。但不借助于专业的定量流量设备，即使具备丰富实践经验的技工也难以确定较为准确的热泵工质量，尤其是检修后的机器难以发挥出良好的制热性能。实验中我们采用数字式氟利昂定量流量计，可从液晶屏上直接读出充灌的热泵工质量。应当注意的是，随着充注量的增加，COP会有所上升，但压缩机最大电流也随之增加，为了使压缩机保持在额定功率内，最大电流不宜超过3．8A。实验中，COP随充注量的变化量，在某一个值达到顶峰(见图2)。实验采用的热泵主机为750W，恒温室环境温度为25~C，采用150L水箱内置60m冷凝盘管，水箱中水的初始和终了温度分别为15和55~C。 理论上，由热泵热水器的热负荷、性能参数可以算出热泵工质流量，首先查物性手册得到流动的各项参数，再由热泵工质的进出口温度，通过仿真程序迭代，得到运行中所需的最佳充注量。整个系统中的热泵工质充注量等于各个设备中的充注量之和，即总充注量=(贮液器+液管+蒸发器+冷凝器)充注量。计算结果见表1，其中，冬、夏季和春秋季工况分别选定环境温度为 =一5、25和30℃ 。显然，各气候条件下的最佳充注量不同，但为了保证压缩机在夏季运行时不过载，实际运行操作中取冬季的充注量。 3 冷凝盘管长度 冷凝盘管的长度应和压缩机型号、系统的负荷、蒸发器面积相匹配。冷凝盘管长度过短则容易造成压缩机吸、排气温度较高而过载，压缩机寿命缩短；太长则有相当一部分长度没有被利用而造成浪费。因此，计算一个合理的长度是冷凝器设计的当务之急。本文以150L水箱的1Hp热泵外机为例，计算了以R22作为热泵工质，热水设定温度为55℃时热泵系统所需的冷凝盘管长度。 3．1 热泵热水器运行参数确定热泵系统冷凝负荷为3375W，以春秋季为例，冷凝温度60℃，蒸发温度15℃，过冷度／过热度5~C，材料取．9×0．75mm的紫铜盘管为传热管。 3．2 传热计算及传热面积确定 由于热泵工质在冷凝器内的相变过程，换热区分为气体、两相和液体区，又因水箱内水的分层，故采取分段计算方法，每段内流体物性稳定(首先计算过热区)。 3．2．1 单位表面传热系数计算 设热泵工质流速0．76m／s，查文献[3]得65℃时1／22的运动粘度为7．26×10 m2／s；雷诺数忍=187000，则流动为湍流；普朗特数Pr=1．6；努谢尔特数Nu=437．42；单位面积传热系数h=631．84W／(In2·k)。 3．2．2 分段热流密度计算 忽略铜管厚度与热阻，查表得，80~C时制冷剂气体导热系数为1．43×10 W／(m·K)，比热容为1．609kJ／(kg·K)；水与制冷剂总换热看作逆流换热，温度分别为：制冷剂进口80℃，出口60℃，水进口60℃，出口55℃，则对数平均温差T =10．82℃，过热区热流率p=0．66532kW。则单位长度热流密度g=h× =212．52w／m，由此得过热区管长L=Q／ (g·7c·d)=3．13m。同理可得过冷区和两相区的长度，各段相加后即为总长度L=47．64m。 将相同的方法用于200L水箱、1．5Hp的机组，理论计算管长为69．9m，这些数值与图3中的实验值较接近。 4 系统匹配问题 通过实验，发现采用不同的毛细管，热泵系统在各种环境下的性能差别较大。环境温度较高时，粗而短的毛细管性能更好；环境温度较低时，细而长的毛细管性能更好。在35℃的环境温度下，短毛细管系统性能比长毛细管性能高21％，而在15℃时，长毛细管系统性能比短毛细管高3％。小型家用热泵热水器采用双毛细管是一个简单、有效、便宜的改进方法。一方面，由电磁阀的开启／闭合选择合适的毛细管，可以适应高／低温工况；另一方面，因毛细管的价格低廉，成本不会受很大影响¨ J。但即使是双毛细管，其中某一根的内径和长度是不变的，所以其前后压差也不会随水温而改变很大，即同一根毛细管的制冷能力在运行中几乎不变。但是热泵热水器的热水一侧是不断升温的，这就需要工质流量随之变大，以满足制热量需求，因此我们考虑用热力膨胀阀代替双毛细管，利用蒸发器出口的过热度调节制冷剂流量。

4．1 充注量与热力膨胀阀开度

充注量与热力膨胀阀的开度存在耦合关系，理论上还未找到计算关系式，但是可以得到一些定性的结论，即：①一定的充注量下，热力膨胀阀开度过大，压差小，但是容易引起冷凝盘管末端积液；热力膨胀阀开度过小，则冷凝器出口温度高，换热不充分；②一定的开度下，充注量过多，工质聚积在冷凝器底部，没有发挥作用；充注量过少，则压缩机不在全负荷下运行。实验仍采用750W 的热泵主机，恒温室环境温度为25℃，采用150L水箱内置60m冷凝盘管，水箱中水的初始和终了温度分别为15和55℃。图4所示，在某一充注量下，不同开度的系统COP不同；其中，存在一个最佳开度COP。也就是说，充注量一定的情况下，膨胀阀的开度对系统COP影响很大。本文以不同开度的最高COP点说明情况，研究中仍存在一个膨胀阀开度对系统COP优化的问题，有待大量、系统的实验数据进一步辅以论证。 4．2 系统稳定性 在热泵运行过程中，发现冷凝器进口温度平缓上升，但是出口温度随着水温的升高，逐渐呈现小幅振荡的趋势。这种不稳定导致了热力膨胀阀进气的不稳定，使得压缩机瞬时功率上下波动，系统运行不稳定。为了解决这个问题，首先将系统调整到合适的充注量，此时振荡幅度明显减小，COP也有显著提高；然后调节热力膨胀阀开度，使系统整体COP达到最佳值。然而无论怎样调节阀门开度，加热到高温区后，最终仍会出现振荡区域，说明高温区所需的充注量大于中、低温区，但是由于吸气不足，高温区运行的压缩机工作不稳定，功率波动，影响运行性能。比较好的解决方法是增加一个储液器，保证压缩机的供液。增加储液器后，冷凝器出口温度振荡基本被消除，由于吸气温度稳定，压缩机的、功率平稳；实验中储液器起到了稳定系统的作用，效果是明显的。 4．3 水箱容积与压缩机 水箱容积的大小与机组尤其是压缩机要匹配，大压缩机带小水箱，虽然升温很快，较短时间就能达到设定温度【6]，但会造成资源浪费；小压缩机带大水箱，则热流密度太小，加热速率慢，家庭使用很不方便。从实验数据看出，就现有的1匹机、1．2匹机、1．5匹机和60、100、150、200L水箱而言，1匹机配150L，1．5匹机配200L水箱较适合日常生活用水所需。 5 改进与建议 本文对热泵热水器系统部件提出优化计算并进行相应实验验证，就现有系统而言，除改变冷凝盘管长度外，调整充注量和膨胀阀开度对系统COP也有明显的提高，并且稳定性得到改善。例如在环境温度25~C的工作条件下，管长60m、充注量2kg的系统优化前COP仅为3．0，优化后的系统冷凝盘管长为50m、充注量1．5kg，其COP可以达到4．8。现提出改 进与建议如下： 1)充注量在热泵系统运行中起重要作用。它不仅与运行的气候条件有关，还和膨胀阀的开度有耦合关系。虽然不易直接计算得出，但能得出一些经验性的结论。今后的研究中，可以考虑用一些数学方法进行系统识别，以便找出充注量和其他参数的关系； 2)冷凝器盘管的长度关系到热泵系统设计的合理性与经济性，在理论计算的基础上，由实验结果验证，可以对其进一步优化； 3)压缩机功率的波动显示了系统运行不稳定，加装了储液器后，冷凝器出口温度曲线波动明显变小，稳定性有明显提高； 4)家庭用空气源热泵热水器系统中，应注意水箱容积与压缩机匹配的合理性，否则影响到用户的使用方便与否。