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1、空气源热泵热水器系统优化及实验研究摘要：本文论述了空气源热泵热水器（ASHPWH）系统优化，包括其计算和测试。该系统由热泵机组，水箱和连接管组成。空气能通过逆卡诺循环在蒸发器中被吸收进入存储罐。盘管/冷凝器将冷凝制冷剂的热水侧。空气源热泵热水器使用螺旋式式压缩机把水从初始温度加热到设定温度（55 C）。毛细管长度，制冷剂的填充量，冷凝器盘管长度和系统匹配的问题便由此进行论述。从测试的结果可以看出，系统性能系数可明显改善。关键词：热泵；热水器；冷凝盘管；充注量；系统匹配；优化1. 引言目前国内家用热水器市场的主要产品为燃气热水器（GWH)、电热水器（EWH)和太阳热水器(SWH）,而热泵热水器作
2、为热水器的第四种，最近在市场上出现。相比三成型机，热泵热水器有以下几个优点，如节能，运行费用低，使用安全，这一切使其在家用热水方面有非常广阔的应用前景。空气源热泵热水器（ASHPWH），基于对朗肯循环的原理，吸收在较低的温度下空气的热量，通过热机的工作，吸收的热量和热能的消耗被转移到水箱较高温度的热源。该系统从环境中得到能量，可能是电力总消耗的3-4倍。然而，却贡献了45倍的电能。因此，空气源热泵热水器由于其独特的高效节能而成为用户的首选。20世纪50年代以来，学者对热泵热水器包括系统结构，热力学，工作流体，运行控制，数值模拟和经济分析进行了研究。冷凝器在环状流和U型管设计方面经历了两个阶段梅
3、等人对冷凝器在水箱进行了8次性能测试。当考虑COP用平均水温计算时，他们发现，U型管系统的性能通常是比这卡口式冷凝器系统更好的。系统COP和产热增加率环数的增加而增加 1 。从1991年起，关于冷凝器引起了一系列双罐热水系统的研究。初步研究表明，超过60种双罐有潜在的研究价值。通过不同的管道的连接方式和控制策略可以实现如热水供应的控制和优化功率控制的目标。连续试验表明，38种双罐热水系统效率高于其他结构的热泵热水器。双罐热水系统比同体积 2 单罐系统热损失较多。黄林还研究了双水箱热泵热水器。水箱体积为100 L.。结果表明，把水从42 C加热到至52 C 需要1020分钟，和所有的COP能够达
4、到23。与电热水器相比，该节能率为5070%，热水排放效率是0.912 3 。Hasegawa等提出了一种双级压缩联加热热泵供热水系统。以R12为例，它可以把水水从10 C直接加热到60 C.进出蒸发器出水温度分别为12 C和7 C，系统的COP为3.73 4 。姬等人结合热泵热水器与普通空调，实现了一种多功能家用热泵(MDHP)。该装置在气候温和的地区可以实现多功能和长时间的高效率操作。当制冷和加热的同时运行，COP和能效比平均可达3.5 5,6 。R12，R22是热泵热水器最常用的工作流体。随着臭氧层的保护方案，R22成为唯一还在使用传统的流体。在像中国这样的发展中国家，R22的截止使用日
5、期为2040年。直到现在，它仍被广泛使用。因此对R22系统性能研究做某种意义上改进仍然很有价值，这也是一种储蓄能源的手段。斯隆等人在水箱中部采用肋辊管，环境温度为24C，水温度为27 C，COP为2.4。梅等人也采用R22为制冷剂，结果是当水的温度时27 C，环境温度20 C和27 C ，COP分别为4和4.5 7 。从文献使用常规的工作流体，可以看到，当环境温度适中,冷凝温度不高，R22可以获得良好的热力学性能和效率。不过，当系统在高温区运行，例如，50C以上 ，压缩机的排气温度和压力都是很高的，尤其是在寒冷的冬天。压缩机的工作条件比普通空调热泵恶劣，严重影响系统的安全性和可靠性。因此寻找新
6、的高性能液是当务之急。为使空气源热泵热水器有效运行，已经进行了许多相关的研究。墨里森等人 8 阐述了一种空气源热泵热水器年度负荷周期评价方法。基姆等人 9 提出了一个热泵热水器驱动系统动态模型。Ding等人 10 和姚明等人 11 在除霜方面做了大量的研究用以提高空气源热泵热水器系统在冬天的工作。范等使用7500 W热泵热水器来研究其节能特性。考虑风机和水泵消耗功率，系统COP为3.3。只要考虑压缩机，COP便变成了4.18 12 。然而，就目前空气源热泵热水器而言制造商没有约定匹配热水泵和水箱的参数，主要是由于不同的工作条件包括地区，生活习惯和是否全年运行有关。热泵热水器系统由分户式热泵，水
7、箱和管道等连接而成。一些制造商使用空调热泵（室外机）直接，并用添加水箱来完善系统。显然，空气源热泵热水器工作条件随空调器不同而改变。空气源热泵热水器的热端温度渐渐地上升，但其冷却器侧是根据四季环境不断变化的。因此，有必要规范空气源热泵热水器的产品。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P和经济性有显著提高，希望对热泵
8、热水器今后的发展提供一些有价值的参考意见。2热泵热水器实验系统组成空气源热泵热水器测试系统如图1所示。它是由温度和湿度控制室，热泵，水箱，控制系统和测试系统所组成。一个数据记录器（Keithley 2700）和PC机是用来记录水箱中的水温。同时，在进口和出口处的水管温度，环境温度，饱和蒸发温度，和瞬态输入电功率作为文件自动存储在电脑中。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
9、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.1壳体；2翅片管式换热器；3轴流风扇；4气液分离器；5压缩机；6干燥过滤器；7阀门；8热力膨胀阀；9铜管；10壳体；11保温层；12内筒；13盘管式冷凝器；14恒温室；15进水管；16循环水泵；17混水阀；18三通阀；19出水管；20控制器；21电表；22计算机；23墩据监视；24数据采集器；25保温水箱；26循环求符；AH深度传感器；l、J水表图1实验装置
10、结构不意图3.空气源热泵热水器的制冷剂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，在这个实验系统，使用R22作为工质。显然，填充量与蒸发器，冷凝器和压缩机有关。如果，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；另一方面，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。另外，冬、夏季的环境温度不同（例如，上海10-35C），热泵工质流量不同，系统性能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
11、因素。我们的目标就是找到可能到最节能的方式。在实验中，选择一个750 W的热泵，25C恒定室温， 约150升的水箱和60米的b9.90.75毫米的冷凝盘管进行测试。水罐中的初始和终了温度分别15C和55 C。在测试中，我们选择电子氟利昂定量流量计，制冷量可由其液晶屏幕，直接读出。在为了保持压缩机最大额定功率，图2中的电流不应超过3.8 A，我们可以看到COP曲线与制冷剂充注量，最大的COP是制冷剂在灌浆达到1.5公斤时。理论上讲，在一个750 W在热泵中，制冷剂流量可以根据热负荷计算空气源热泵热水器性能参数。根据 13 ，总填注量等于各组件相加。即：mT =ma t mP t me t mc在
12、实验中，mT代表总充注量，ma ，mP ，me和 mc分别代表蓄能器充注量，液管充注量，蒸发器充注量和冷凝器充注量。表1的统计结果显示，在冬季，夏季和春季/秋季工作环境温度分别为5 C，30 C和25 C.可以看出，最佳填充量随气候变化有很大的不同。然而，为了安全，我们选择的春天或夏天的一个来保证压缩机不会在夏天承载太多的负荷。4. 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750W
13、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。计算过程如下：（1）系统运行参数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，材料取妇9O75mm的紫铜盘管为传热管。（2）换热面积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。因此，每一部分应该分开计算。该部分水箱的物理温度模型划分如图3所示。忽略铜管厚度和热电阻，过热部分的平均温度与热水温度相同，在加热热水温度TS =55 C。设置冷剂入口/出口温度和顶端/底水箱温度，在 入口温度 = 80，TR出口温度= 50 C，TW顶部 = 60C ，
14、TW.底部= 50 TW， 通过计算，得出各管段部分长度，这累计总长度=47.64米，如表2所示将相同的方法用于200L水箱、1125w的机组，理论计算管长为699m，这些数值与图4中的实验值较接近。5.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
15、方面，因毛细管的价格低廉，成本不会受很大影响.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。51充注量与热力膨胀阀开度实验仍采用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5所示，在某一充注量下，不同开度的系统P不同；其中，存在一个最佳开度P。也就是说，充注量一定的情况下，膨胀阀的开度对系统cDP影响很大。本文以不同开度的最高P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。图5：COP与R22充注量和热力膨胀阀的开度我们发现充注量和热力膨胀阀开启度有一些耦合的关系。虽然还没有找到相关的理论，但我们可以得到一些定性结论如下：（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。5.
