空气源热泵热水器的系统优化和实验性研究

空气源热泵热水器的系统优化和实验性研究摘要：这篇文章主要涉及空气源热泵热水器（以下简称ASHPWH）的系统优化计算和测试。该系统包括热泵、水箱、连接管道。工作原理：冷媒在蒸发器中吸收空气的热量经过朗肯循环，在冷凝器盘管中将热量释放到储水箱中的水中，使水温升高，达到制热水的目的。使用回旋式压缩机的热泵系统可以将水由初始温度加热到设定温度（55度）。本文对毛细管的长度、制冷剂的灌装量、冷凝盘管的长度、系统的匹配性进行了相应的讨论。根据实验结果，系统性能COP值能够得到显著地提高。关键词：热泵、热水器、冷凝盘管、灌装量、系统匹配性、优化1引言目前国内市场上畅销的热水器主要是燃气热水器、电热水器、和太阳能热水器。作为第四种热水器，热泵热水器最近开始出现在市场中。跟前三种热水器相比热泵热水器有几处优点，比如节能、较低的运行费用和安全，也正是这些优点让热泵热水器在国内热水器市场上有着不错的前景。以朗肯循环原理工作的空气源热泵热水器，从低温热源空气中吸收热量，通过冷媒将吸收的热量和热机的消耗功传递给高温热源储水箱。该系统从环境中吸收的能量大概需要消耗34倍甚至45倍的电能才能得到。因此，空气源热泵热水器以高效节能等优点，成为用户们的首选。自上世纪90年代以来，关于热泵热水器的结构、热力学性能、冷媒、操作控制、数字模拟和经济分析等方面的研究一直在进行。冷凝器的设计有两大风格，翅片型和环状、U型。Mei等人对8个水箱冷凝器的性能进行测试，当把COP值作为和衡量标准时，他们发现U型管式的冷凝器的性能通常比翅片是要好。系统COP值和热效率会随着循环数的增加而提高。1Hiller 从1991年开始领导一个团队对复式水箱的加热系统进行研究。基础研究表明超过60种复式水箱具有潜在的研究价值。不同的管道连接和控制方法可以达到不同的目的例如，优化控制热水供应和功率控制。连续的实验研究表明38种复式水箱热水结构的热效率高于其他结构。当然，在相同容积的情况下，复式水箱结构的热损失比单水箱结构要多2。Huang和Lin也研究的单水箱结构，容积为100升。结果显示水温由42摄氏度升到52摄氏度需要1020分钟，并且年度COP值达到2.03.0，和电热水器相比节约了5070%的能量，并且排水效率高达0.912.3Hasegawa等人提出了一个双级压缩级间加热热泵热水供应系统，使用R12做冷媒，能将水由10摄氏度一直加热到60摄氏度。蒸发器的进口温度和出口水温分别是12摄氏度和7摄氏度，系统的COP值为3.734.Ji等人结合热泵热水器和传统空调研制出一种多功能家用型的热泵。该设备能够实现多种功能，并能都在气候温和的地区实现长时间高效率的运行。当制冷和加热同时运行时COP值和EER值的平均水平能够达到3.55,6R12和R22是热泵热水器最常用的工作介质。但为了保护臭氧层，R22成了唯一一种仍然被使用传统冷媒。在一些发展中国家例如中国，R22的使用期限是2040年，现在，R22依旧广泛的被应用。因此，研究R22系统的性能改进仍然有一定的意义，同样也能够节约能源。Sloane等人在中间水箱使用肋扰乱管，当环境温度为24摄氏度，水温27摄氏度时，COP值为2.4。Mei等人也是用R22做冷媒进行试验，结果显示当水温为27摄氏度时，环境温度为20摄氏度和27摄氏度时，COP值分别为4.0和5.0。7从文献中可以看到，使用常规冷媒，且环境温度适中、冷凝温度不高时，R22具有很好的热力性能和效率。然而，当系统在高温区运行时，例如，50摄氏度以上，且压缩机排气温度和压力都很高，尤其在寒冷的冬天。压缩机的运行环境会很糟糕，这也严重影响了系统的安全性和可靠性。所以，找到一种新型的具有良好热力性能的冷媒是十分必要的。 很多研究都旨在提高空气源热泵热水器的效率。Morrison等人8 制作出一种评测空气源热泵热水器年循环负载的方法。Kim9等人提出一个靠热泵运转的热水器动态模型。Ding10和Yao11等人为了让空气源热泵热水器在冬天能够更好的工作，在除霜的问题上做了很多研究。Fan等人用一个7500W的热泵热水器来研究它的节能性。考虑电能消耗的话，风机和水泵系统的COP值是3.5，如果只考虑压缩机，COP值则为4.1812。然而，对于空气源热泵热水器来说，制造商没有商定的参数，热泵和水箱的匹配性也不佳，这主要是由于机器工作环境、区域不同，使用者生活习惯也不一样，而且是全年运行。热泵热水器系统包括室外热泵、水箱以及连接管道组成。一些商家这直接用室外热泵（空调室外机）加上水箱便完成整个系统的组装。很明显，空气源热泵热水器的工作环境和空调不一样。空气源热泵热水器的热端温度会逐渐上升，但是它的冷端温度会随着全年的气候发生变化。因此，规范空气源热泵热水器产品是十分必要的。为了提高系统性能（COP）、降低产品成本、优化运行环境，应该从系统组件着手。除了压缩机、冷凝器、蒸发器、热阀、毛细管和冷媒填充量，水箱和热泵的匹配对系统来说也很重要。本文研究了空气源热泵热水器的系统优化，包括计算和测试，以及制冷剂填充量冷凝器盘管长度和系统匹配的论述。由实验结果可以看出，经过系统优化，系统COP值得到明显的提高。我希望它能够为空气源热泵热水器未来的发展提出宝贵的建议。2 空气源热泵热水器实验系统空气源热泵热水器系统的实验系统如图1，它由温度和适度控制室、热泵、水箱、控制系统和测试系统组成。同时，水管进口和出口德尔水温、环境温度、饱和蒸发温度、瞬时功率这些数据会自动储存到电脑中。空气源热泵热水器系统运行时，冷媒在蒸发器中蒸发吸收空气的热量，再被压缩机压缩成高温高压的气体后流入冷凝器将热量放出以加热水箱中的水，冷媒通过毛细管或者膨胀阀后，变成低温低压的汽液混合物，其中的低温液体在蒸发器中蒸发吸收空气中的热量进行下一次循环。在实验中，温度控制器控制温度变化和运行模式，当水温到达设定值时，系统会自动停止，如果水温降到离设定值一定距离时，系统又会重新启动，继续加热直到是水温升到设定值。我们在一个加热过程中讨论的参数都是以统一预设温度、最终温度和混合水箱水温为前提的，然后以获得的热量和消耗的电能来计算COP值。图1：测试空气源热泵热水器系统性能实验图1 -壳体;2 -换热器;3 -风扇;4 储液器;5 压缩机; 6 - 过滤器;7 -阀门;8 -热力膨胀阀;9 -铜管;10 -外壳;11 -保温层;12 -内槽;13 -盘管冷凝器;14 - 房间温度和湿度控制;15 -进口水管;16 -循环水泵;17 -水混合阀;18-三通阀;19 -出口水管;20 -控制器;21 -安培表;22 -计算机;23 -数据审查;24 -数据记录器;25 -热水箱;26 -循环水管;A-H -温度传感器;I,J -水表3 空气源热泵热水器冷媒的填充量在完成热泵系统的泄露检查并抽真空后，冷媒应该随时填充进去。本实验以R22作为工作液，很明显填充量跟蒸发器、冷凝器和压缩机都有关系，如果填充数量太多，压缩机的负荷会加重，多余的冷媒会占用冷凝器的部分空间，这样会导致热效率下降。另一方面，如果填充数量不够的话，压缩机吸气压力和排气压力会有所降低，热量供应不足，难以满足用户的需求。综合这两个情况，我们会得出一个合适的填充量以使系统达到最佳的工作状态。加之，冬天和夏天气温相差很大（例如，上海冬天跟夏天的平均气温分别是-10摄氏度和35摄氏度），这也决定了冷媒的填充量也要有所变化。在同样的工作条件下，夏天可能比冬天需要更多的冷媒。以上这些因素都能影响冷媒的填充量，我们的目标就是，以节能为前提找到最适合的那个量。在实验中，选用一个750W的热泵，恒定室温为25摄氏度，150L水箱，ln冷凝盘管规格为9.90.75mm，长60m的冷凝盘管，水箱初始温度和最终温度分别为15摄氏度和55摄氏度，在测试过程中，使用数字冷媒配给流量计，在其屏幕上我们可以直接读出冷媒的数量。为了使压缩机保持额定功率，最大电流不应该超过3.8A。在图2 中，我们可以看到COP值与冷媒填充量的关系，并且能够得出最佳填充量为1.5kg.理论上来讲，热泵冷媒流量可以根据热负荷和空气源热泵热水器性能参数进行计算。根据13,总填充量等于各部分组件之和 这里的MT指总填充量Ma、MP、Me和 Mc分别是储液器充量、管道充量、蒸发器充量和冷凝器充量。图2： COP值与冷媒填充量关系曲线图 表1 是计算结果，冬季、夏季、春秋季节的设定温度分别是-5摄氏度、30摄氏度和25摄氏度。 表 1 我们可以看到，随着季节的不同，最佳填充量也不一样，然而为了安全，我们选择春秋的最佳值，以保证压缩机在夏天不会超载过多。4 空气源热泵热水器冷凝盘管长度冷凝器盘管长度应该匹配压缩机类型、系统负载和蒸发器。如果管道过短，压缩机吸排气温度会略高于额定值，两一方面，如果管道过长，会浪费材料。因此，计算出合适的冷凝盘管长度是很有必要的。选用750W热泵、150L水箱、R22作冷媒，如果最终温度设定为55摄氏度，计算过程如下：（1） 系统运行参数空气源热泵热水器热负荷为3375W，以春秋季节为例，冷凝温度为60摄氏度，蒸发温度是15摄氏度，过冷度为5摄氏度，冷凝盘管规格为9.90.75mm（2） 换热面积由于冷凝器中冷媒的相变，换热面积分为气体、汽液混合、液体三个阶段，因此，要分别计算每一个部分。水箱温度分布模型如图3.忽略铜管的厚度跟热阻，过热区的和热水去温度相同，当加热结束时，最终水温Ts=55摄氏度。冷媒进出口温度和水箱顶底不温度分别设定为T r,in=80摄氏度，Tr,out=50摄氏度，Tw,top=60摄氏度，Tw,bottom=50摄氏度。通过计算，我们得到各部分管道长度之和的最佳值为47.64m，数据如表 2 所示。图 3 ：水箱温度分布模型图 表 2 ：各部分管道长度 类似的，200L水箱和1125W热泵系统的计算结果是69.9m，这些数据和图4中所示的测试数据很接近。图 4：COP值和冷凝管道长度（a:150L 1HP b:200L 1.5HP）5 系统匹配性经过测试可知，在变化的环境下，不同的毛细管对热泵的性能会有影响。环境温度高时，短而粗硬的毛细管表现出更好的性能，相反，温度低时，细长的会更好。例如，在35摄氏度时，粗短毛细管系统性能比细长毛细管高21%；然而，在15摄氏度时，后者比前者高出3%。小型家用空气源热泵热水器使用复式水箱是一个简单、有效和廉价的选择。一方面，通过电磁阀的开闭来控制的毛细管，以适应工作环境的变化，另一方面，由于毛细管比较廉价，不会对总成本造成太大影响。然而，复式水箱不能够满足更高的要求，因为毛细管的直径很长度确定其压力差。所以它的能力几乎是恒定的，只能靠改变冷媒流量来调节水温。再次基础上，我们考虑在系统中使用热膨胀阀，利用蒸发器出口出冷媒过热这一特点来校准流量，进而取代复式水箱。5.1 冷媒流量跟热膨胀阀开启程度之间的关系使用750W热泵，在室外温度25摄氏度、150L水箱、60m冷凝盘管的情况下进行测试，初试和最终水温分别是15摄氏度和55摄氏度。图5 显示了在确定的冷媒填充量的情况下，系统COP值跟热膨胀阀的开启程度有关系，而且存在一个最佳值。换句话说，在同样填充量的情况下，热膨胀阀的开启程度对系统影响很大，这一点在试验中应该被充分被考虑到。耦合冷媒跟热膨胀阀在理论上的相关性虽然没有被发现，但我们可以得到一些如下的定性结论：（1）在一定填充量情况下，如果热膨胀阀开启程度太大，压差会变小，可能会导致冷媒在冷凝器盘管中堵塞。如果热膨胀阀开启程度太小，冷凝器出口温度太高，会导致传热不足。（2）在一定开放程度情况下，如果填充量太多，冷媒会积累在冷凝器底部，利用率降低，如果填充量太少，压缩机会处于欠负荷运转状态。5.2 系统稳定性在热泵运行过程中发现，随着睡会温升高，冷凝器的进气温度会稍有上升，出口温度有所波动，这种不稳定性表明热膨胀阀的不稳定和压缩机由于瞬时功率不同而产生波动，这都会导致系统的不稳定。为了解决这个问题，系统首次调整了填充量，进而我们看到波动减少同时COP值大大提高。然后改变热膨胀阀的开启程度，系统COP值达到最大值。但是，尽管这样，随着水温的提高波动是不可避免的。这表明，高温阶段比中文阶段和低温阶段需要跟多的冷媒。已给可行的方法是增加一个储存器，以满足压缩机的需要。图5 不同热膨胀阀开启程度下COP值和R22填充量的关系图从图6中可以看到，加一个储存器后，冷凝器的波动基本消失了。进口温度的稳定也会使压缩机输出功率稳定。在测试中，加入储存器的方法对系统很有效。图6 ：冷凝器出口温度和加热时间关系图5.3 水箱尺寸跟热泵性能的关系 水箱尺寸跟热泵性能应该匹配，如果一个1500W的热泵配一个60L的水箱，水温会迅速上升达到限定值，但这样会使成本增加。相反，一个小型热泵配一个大水箱，由于热流密度太小，加热速度太慢，不方便家庭使用。从空气源热泵热水器市场得到的可用数据，经过我们测试，750W、900W、1125W的热泵和60L、100L、200L的水箱相匹配，150L和750W、1125W和200L更适合家庭使用。6 结论 本篇文章提出了优化系统的方法并进行验证跟测试，在表3中表明了对现有系统（150L、1125W）的明显改进。（1） 冷媒的填充量在系统运行过程中起着非常重要的作用，系统不仅与气候条件相关而且与热膨胀阀的开启程度有关。尽管我们没有直接的计算结果，但我们得到了一些实证结论。未来的研究可以通过数字模拟系统来获得填充量跟其他参数的关系。（2） 冷凝盘管的长度跟系统合理性相关，以测试结果为基础，可以优化理论计算。（3） 压缩机功率波动表示系统运行不稳定，加入一个存储器时，冷凝器出口温度的曲线波动减弱，系统稳定性大大提高。（4） 家用空气源热泵热水器系统中，水箱跟热泵应该很好的匹配。表3 空气源热泵热水器在典型工作条件下的COP值致谢这部分工作是国家重点支持的，作者感谢高级工程师Mr.Xu Yixiong和Mr.Sun Yunkang对实验系统方面的帮助。参考文献1 B.D. 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