空调热水器系统的研究

对空调热水器系统的研究 空调热水器系统的研究摘要这篇文章介绍了空调热水(ACWH)系统的工作原理和基本特性。空调热水系统可以运行在五模式：加热水、空间冷却和加热水、空间加热和加热水、空间冷却、空间加热。不仅如此，系统既可提供更好的能源性能和提高设备的利用率，而且比热泵热水器和普通空调产生更少的热污染。五种模式用来测试环境温度从-7到 43，特别是结霜的情况。当它在水暖工作模式，可以在两分钟之内热水提供55的水，与普通空调冷凝压力是相同的。当转变为其他模式时，出口温度是常数。本文理论分析和实验研究了空调热水系统:原型是格力的空调实验室测试。测试数据表明，成形技术协议与国家标准的空调和热泵热水器。根据实验结果，分析了空调热水器的主要操作模式和一些重要的结论。结果表明，新系统可以通过多任务节约能源，而且能稳定与效率高工作在五个工作模式。与其他模型相比，新系统还包括空调机组和热水器，但用更少的组件和有更高的可靠性。基于常见的空调，这个系统可以提供一个可行的解决方案耦合空调和热水器。它必定能改变空调和热水器的市场。1 介绍热泵热水器(HPWH)自1950年以来一直使用，主要用于家庭应用。它从环境空气中吸收热量来获取热水。在过去的20年里，研究设计的热泵水加热器具有高可靠性和实用性， 基于环境保护和节约能源，许多制造商将提供这个生产。在南非， 商用热水器中HPWH已经渗透到市场份额的16%。因为高成本，它很难替代普通热水器。然而，如果我们可以给空调加上HPWH系统，可以作为空调和拥有热交换器，压缩机、四通阀、和毛细管等主要部件热水器的，不仅可以减少成本，还可以轻松实现多功能。在夏天，冷凝废热的利用，使它可以提供“免费”热水，也可以提高空调的性能系数(COP)。在春天和秋天不需要空调时，它可以工作在HPWH模式。今年对它的利用的增强，使它可以更有效和有望解决空调和热水的应用。在这里我们展示一个空调热水器(ACWH)系统，和性能分析。2 ACWH原则空调热水器系统的原理图如图1所示。系统可以提供五个操作模式。模式1只加热水，模式2可以作为空间冷却和水加热：模式3可以实现空间加热和加热水，其他两种模式和普通空调是一样的。所有这些模式之间的转换是通过电磁阀的开关控制和四通阀的开关控制。每个模式将显示如下：图1:空调热水器系统的原理图2.1 加热水模式系统可以运行在两个加热模式。一个是直接加热水：另一种是水加热水在绝热循环水箱。控制器可以根据水位传感器调整操作模式。水阀是放在热水出口，可以调整控制水流和保持冷凝压力不变。当自来水进入水制冷剂换热器(WRHE)将在两分钟内直接加热到50 - 55。如果需要，可以通过调整阀门设置出口水温。水制冷剂如图1所示，接通电源，当压缩机吸收低压制冷剂气体，排放高压气体高压气体与水制冷剂进行热交换(WRHE)、制冷剂被冷凝，水被直接加热。热交换后，液体制冷剂流经四通阀， 然后通过电子膨胀阀行节流为低温和低压液体和气体。制冷剂流向室外冷凝器蒸发，成为低压气体。当低压气体返回到压缩机，循环再次开始。在这种模式下，关闭阀1和打开阀2。当水加热时，室外风冷单元作为蒸发器，室内风扇不运行。提出了COPw的函数COPw = Qw / W = MCT (1) M是水的质量流量：C是水的比热： T是水制冷剂换热器(WRHE)出口和进口的水温差2.2 空气冷却和加热水(SCWH)模式在夏天，随着冷凝热的恢复，室内空气也冷却下来。和加热水模式相比，高温制冷剂直接在WRHE中冷却，然后通过室外风扇不运行的过冷的风冷冷凝器。它是由毛细管1节流为低温液体和气体，室内空气与制冷剂交换热。在这种模式下，阀1开放和阀2关闭。这种模式可以同时冷却空间和加热水。然而，它不需要恢复整个冷凝热因为这些冷凝热可以在风冷冷凝器中释放。总能力是冷却能力Qw和加热能力Qc的总和，然后总COPcw可以显示为方程COPcw =(QcQw)/ W (2)2.3 空间加热和加热水模式制冷剂流经WRHE、蒸发器、毛细管2、毛细管1，和风冷冷凝器。空间加热和加热水理论上可以实现。这种模式有时可能无法满足客户的期望，因此，它必须结合以上的模式和空间加热模式运作。如果需要，可以使用电加热器。2.4 空间冷却模式和空间加热模式在这两个模式，制冷剂不流经WRHE或水泵和关闭的进气阀，冷凝热通过户外或室内热交换器释放热量。实际上，它和普通空调一样，不再描述，夏天，空间冷却模式可以取而代之SCWH模式，可以在同一时间使用水冷和风冷热交换器。系统的性能将明显改善传热的强度。3 实验在空气焓差实验室进行实验研究，使用所需的供水温度和质量流量。实验室包括户外室，室内室和控制室。它由绝缘墙壁、空气处理设备、温湿度采集系统、风量测试设备、电气控制系统和计算机处理单元组成。冷却和加热能力可以在焓差实验室进行测试。空气处理设备提供了测试室控制干球和湿球温度、湿度。空调的室内单元被放置在一个室：室外单元和绝热储罐被放置在另一个室。衣架式热电偶被放置在每个温度测试点，压力由压力传感器进行了测试。所有的测试数据可以被收集和用计算机处理系统处理。表1:本研究实验测试条件3.1 原型设计原型包括室外单元、室内单元和绝热储罐。基于常见的空调，系统添加一个水制冷剂加热器换热器、储罐、多个电磁阀和水泵。冷凝压力几乎稳定在2.1 MPa，蒸发压力随环境温度增加而增加。储罐是一个绝缘油缸和水容量约为800 升。原型是基于设计的原理图，图1所示。3.2 实验测试条件在模式1中，环境温度是-7 - 43，流入水的温度是9 - 30。出口水温被调整水阀设置为55。其他四个模式只有在操作名义测试条件按照国家标准的空调和热泵热水器的实验测试条件下共享表1所示。4 结果本研究强调直接加热水。模式1测试在温度条件下，模式2只在如表1所示的标准测试条件。这一原型不同于常见的热泵热水器，它可以通过大温差传热在2分钟内提供热水。结合前两个模式实验结果讨论如下。4.1 热水输出在不同流入水和环境温度下热水输出的曲线如图2所示。如图2所示， 在较高的环境温度或流入水温度下热水输出往往更快。流入水温15和环境温度20的情况下它每小时可以提供大约400 升热水。从这个图中，我们可以看到热水输出与流入水温度和环境温度有关。当环境温度30和流入水温度是40时，热水输出约800 升。当环境温度-7和流入水温5时热水输出迅速减少到120升。在不同的条件下质量流量也不同，使热水输出相应的变化。因此，在较冷天气我们应根据最大的热水消费选择设备。图2:热水输出、流入水和环境温度4.2 系统参数的变化实验结果在变量流入水和环境温度时如图3 - 6所示。如图3，流入水温度的增加导致加热功率增加，和加热能力减少约100 200 w，所以COPw减少。相比之下，图3，图4显示了环境温度上升，加热能力显著提高，但功耗增加不大，因此，COPw增加。图5显示，随着流入水温上升，出口水温、流量和WRHE中出口制冷剂温度不显著增加，温度和进口制冷剂温度起初是常数，然后明显减少。如图6所示，因为出口水温度是恒定的，冷凝压力几乎稳定在2.1 MPa，而蒸发压力环境温度随上升而增加。图3:流入水温变化时加热能力、加热效率和COPw 的比较图4: 环境温度变化时加热能力、加热效率和COPw 的比较图5: 流入水温变化时的实验结果图6:压力和环境温度在模式2中，当室内空气温度冷却下来，冷凝温度是常数时，压缩率逐渐增加，甚至会超载，尤其在寒冷的天气。为了稳定和安全，有必要限制压缩率。当室温达到限制值时，系统将切换到分级模式，蒸发器转向户外气冷式热交换器，这样压缩比在操作分级模式期间可以被控制。一般来说，当管室内的温度低于2，冻结保护将是有效的，室内风扇不再运行。然后，压缩比降低，蒸发压力明显上升。在寒冷的天气，模式1中压缩比也因为结霜逐渐增加，所以重要的是要及时除霜，使放电温度和蒸发压力在控制范围内。4.3 大温差加热水在图7中，测量温度的结果在特性过程中已经显现。在操作过程中进气系统的制冷剂温度(Tr，i)是76C，和冷凝温度(Tk)约53C。出口制冷剂温度WRHE（Tr，o)保持42C不变。过冷度不低于10C。当流入水温(Tw，i)为15C，出口水温(Tw，o)可以达到55C。通过增大传热温差大，合理的加热效果是显著的。随着流量减少，很容易实现出口水温度较高甚至高于冷凝温度。为HPWH采用循环加热水模式，随着流入水温度升高，COPw和加热能力大幅下降，该系统将容易过载。然而，对于这种直接加热水模式，最大放电约2.1 Mpa的压力这是在安全的压缩机操作的范围内。图7: 模式1 在120环境温度条件下的温度特性过程4.4 性能系数图8显示的在加热水模式下环境温度下从1.8变化到5.5过程中的COPw。随着环境温度上升，COPw也增加。当环境温度是7，水加热COPw大约是1.8。在模式2中，总COPcw是 COPw和COPc的总和。加热和冷却能力是分别是29743 w和12198 w，这个系统的总COPcw大约是6.8。加热水的COPw高于4.0时， COPc达到2.8，预计将高于当出口热水温度低于55。当室内空气温度下降，总COPcw也减少。然后它变成了加热水模式，多出的制冷剂将移除运作在最佳水加热周期。另一方面，当在水箱满足有限的水位，室外风机运行， 热交换器冷凝热空气。所有这些表明， 所有这些表明，即使在低的环境温度下空条热水器系统可以高效率的运行和节约能源。图表8:加热水模式曲线5 结论根据实验结果，空调热水器系统可以在五个模式运行，也可以作为空调或热水器使用。在HPWH模式中， 在安全操作范围内冷水也可以直接加热到55。与传统的空调和热水器相比，模型可以及时提供热水，提高了系统的利用率。在加热水模式中COPw 最高达到5.5， 在模式2中COPcw常为6.8，预计在较高的COP的空调中这一值会更大。ACWH提供一个理想的同时解决热水供应和空气调节的策略。结果表明，新系统可以从原理入手来节约能源，能稳定与高效率的工作在几个工作模式。术语参考文献1Jie J.， Gang P.， Tin-tai C.，Wei H.， 2005，Performance of Multi-functional Domestic Heat-pump System， Applied Energy，