空气源热泵热水器系统的优化及实验研究

空气源热泵热水器系统的优化及实验研究摘要：本文论述了系统优化的空气源热泵热水器(ASHPWH)的计算和测试。ASHPWH系统包括一个热泵、水箱及连接管道。空气能量被吸收在蒸发器中通过工质循环。线圈管/冷凝器释放制冷剂的冷凝热的水侧。一个ASHPWH使用回转式压缩机加热水从初始温度的设定温度(55)。毛细管的长度、灌装制冷剂的量,冷凝器盘管长度和系统匹配。从测试的结果可以看出,它们可以明显提高cop。关键词：热泵热水器，冷凝盘管，灌装量，系统匹配优化1介绍现在的热水器产品在国内市场的水热水器主要是是燃气热水器（GWH），电热水器（EWH）和太阳能热水器（SWH），而热泵加热器（HPWH），作为第四种热水器，最近在市场上出现。与前三个相比，HPWH有几个优点，如节省能源，运行票价低，使用安全，而这一切带来了水加热在国内广阔的发展前景。空气源热泵热水器（ASHPWH），根据朗肯循环的原则上，可以从较低的温度下的空气中吸收热量，发动机工作所产生的热，所吸收的热量和消耗的能量被转移进入水箱转化为更高的温度下热源。从环境中系统获得能量，可能是它将消耗的电功率的3-4倍。它产生的热是电能的4-5倍。所以ASHPWH是首选的用户，由于它的优点，如效率高，节约能源。 自20世纪50年代以来，已进行研究包括结构，热力学，工作液体，操作控制，数值模拟和经济分析。冷凝器的设计经历了两个阶段，卡口式环状流和U型管。测试性能的8个冷凝器在水箱中。当考虑作为该函数的COP的意思是水的温度，它们U型管系统的性能通常是优于刺刀冷凝器系统。系统COP和产热率随着循环数目增加而增加。希勒从1991年带领一组人研究双水箱的水加热系统。初步研究显示，超过60种双罐有研究价值。不同管道连接和控制方法可以实现如热水供应和优化控制功率控制。连续测试表明，38种双罐热水系统的效率高于HPWH其它结构。当然，双罐热水系统的热损失比相同体积比单罐系统的要大。黄和林还研究双罐HPWH。水箱中的水体积为100 L结果表明，加热水从42 C至52 C，则需要10-20分钟，而年平均cop值达到2.0-3.0。与电气水相比，节能分数为50-70，和热水排出效率为0.912 。 Hasegawa等人提出了一种双级压缩和级联加热热水供应的热泵系统。使用R12，它可以加热水从10 C直接到60C.蒸发器的入口和出口水的温度分别为12 和7，系统的COP 为3.73。姬等一些人结合HPWH和常规空调实现了一个多功能家用热泵（MDHP）。该设备可以实现多种功能在气候温和的地区，经营时间长，高效率。当同时运行制冷和制热，平均COP和EER可以达到3.55,6。 R12，R22是HPWH最常使用的工作流体。由于臭氧层的保护，R22成为了唯一的传统的流体被用来使用。在发展中国家，像中国这样的国家，R22系的最后使用期限是2040年。到现在为止，它仍然被广泛使用。因此，做有一些提高R22系统的性能研究仍然有意义，这也是一种储蓄能源的手段，斯隆等人在中间使用带肋搅动管水箱，在24摄氏度的环境温度，水温度为27C，COP为2.4。梅等人还使用R22作为制冷剂，其结果是，当水的温度是27摄氏度，环境温度为20摄氏度和27摄氏度，COP可以分别为4.0和4.5 。从使用常规工作流体，它可以被看作的是，当环境温度适中和冷凝温度不高，R22可以得到精细热力学性能和效率。但是，系统运行在高的温度区域，对于例如，高于50摄氏度，排出温度和压力压缩机都非常高，尤其是在寒冷冬季。压缩机的工作状态比普通空调热泵更糟糕，从而严重影响系统的安全性和可靠性。因此迫切需要寻找新的更好的性能的流体。已进行了许多相关的研究，以使ASHPWH有效运行。 Morrison等人证明每年的负载周期的ASHPWH的评级。Kim等人提出了一种动态模型的热水器的热泵系统驱动。 Ding等人和姚明等人已经做了很多的除霜研究改善ASHPWH系统在冬天工作。使用一个7500瓦HPWH研究其节能。考虑到功率消耗由风扇和水泵，系统COP为3.3。如果只考虑压缩机，COP 为4.18 。 不过，就ASHPWH而言，制造商还没有商定的参数和匹配热泵和水箱，主要是由于不同地区，生活习惯和工作条件，以及全年运行情况。热泵热水器系统包括了室外水泵，水箱和连接管道等。一些制造商直接使用空调热泵（室外机），并且增加水箱在系统中。很明显，工作空调器和一个ASHPWH条件不同。一个ASHPWH在热侧的温度上升逐渐的，但它的冷却器侧改变根据全年气候。因此，它是标准化产品ASHPWH。 为了提高系统性能（COP），降低产品的成本在优化的运行条件下，系统组件应该先进行调查。除此之外，压缩机，冷凝器，蒸发器和热阀或毛细管，制冷剂填充量，匹配水箱和热泵单元之间也很重要为系统。本文论述了系统的优化空气源热泵热水器（ASHPWH）包括计算和测试。毛细管长度，制冷剂的填充量，冷凝器盘管长度和系统的匹配。从测试结果中可以看出，系统性能COP可明显改善。我们希望他们能提供一些未来发展ASHPWH的宝贵建议。2 ASHPWH实验系统测试系统的ASHPWH示于图中1。这是组成的一个温度和湿度受控的房间，热水泵，水箱，控制系统和测试系统。一数据记录器（吉时利2700）和PC是用来记录在水箱中的水的温度。此外，温度在入口和出口水管道，环境温度，饱和蒸发温度，并且瞬态电输入功率被自动存储在PC中为文件。期间ASHPWH系统运行中，工作流体从空气中吸收热，在蒸发器中蒸发，然后是压缩成高压和高温蒸汽，然后将其冷凝成液体和释放中的热量线圈冷凝器来加热水箱中的水。 “液体通过毛细管或热膨胀阀变成低的温度的气体 - 液体混合物和压力。低温液体中蒸发从空气中吸收热量后蒸发器。在实验中，将控制器设定的开始/结束的温度点和运行模式。当水的温度上升到结束点时，系统将自动停止。如果得到了一定的温度时，系统会重新启动补偿的水加热。我们讨论的参数只是在一个加热过程中，我们在该预设温度水箱中的水混合，以统一其初始温度和最终温度。 COP可以计算所获得的热量和消耗的电功率图1 素描实验系统的性能进行测试的ASHPWH。 1 - 壳体2 - 换热器;3 - 风扇;4 - 店;5 - 压缩机;6 - 过滤器;7 - 阀;8 - 9 - 热力膨胀阀;铜管;10 - 外壳11 - 隔热保温;12 - 罐内，13 - 冷凝器盘管;14 - 温度和湿度受控室，15 - 进水管;16 - 循环水泵，17 - 水混合阀，18 - 三通阀，19 - 出口水管;20 - 控制器;21 - 电流表，22 - 计算机，23 - 数据审查，24 - 数据记录仪;25 - 热水箱;26 - 循环水管道; A-H - 温度传感器，I，J-水表。Applied Thermal Engineering:应用热力工程 outdoor machine：室外机power supply： 电源 hot water:热水 cool water:冷水3 ASHPWH制冷剂填充量热泵系统泄漏的检查和抽真空，应填充的制冷剂量。在本实验系统，使用R22作为工作流体。显然，在填充量相关的蒸发器，冷凝器和压缩机。如果制冷剂填充量是太多了，压缩机的负载将被加剧，和余数制冷剂将占冷凝器用部分面积，其中加热效率将下降。另一方面，如果制冷剂是不够的，吸入和排出压力将低;热流太弱不能满足其额定能力。两个条件都不可以使热泵达到理想的工作状态。此外，在冬季和夏季，环境温度完全不同的（1035在上海）的制冷剂流量。工作在夏季可能需要更多的制冷剂的液体比冬季。所有这些都是影响制冷剂用量的因素。我们的目标是要找到最节能环保的。 在实验中，选择一个750瓦的热泵，恒定室温的温度保持在25， 150 L水箱和60 m 9.90.75毫米的冷凝盘管用于测试。开始和结束在水箱的水的温度别是15C至55C，分。在测试中，我们选择数字氟利昂定量流量计，从他们的LCD屏幕中，可以直接读取制冷剂的数量。在为了保持压缩机的额定功率内，最大电流应不超过3.8 A。如图2所示，（Filling quantity：灌装量）图2灌装量和COP我们可以看到的的COP曲线，与制冷剂填充数量，和最大COP在灌装制冷剂1.5公斤时达到。从理论上讲，在热泵中，制冷剂流速可以计算上的热负荷，也是ASHPWH性能参数。根据，质量守恒其中，MT是总填充量MA，MP，和MC，分别是蓄电池加注量，流体管充填量和冷凝器蒸发器灌装量Table 1：表一Theoretical calculation results of heat pump working fluid filling quantities: 热泵工作流体灌装量的理论计算结果Season:季节 Winter:冬季 Summer:夏季 Spring/autumn:春季/秋季Ambient temperature：环境温度 Filling quantity：灌装量表1中的计算结果，在冬季，春季和夏季/秋季工作组环境温度5 ，30 和25。可以看出，最好的填充量与气候变化有很大的不同。然而，为了安全方面，我们以春/秋压缩机选择一个，确保夏天加载太多。4 ASHPWH冷凝器盘管长度 冷凝器盘管的长度应符合压缩机的类型，系统负载和蒸发器面积。如果管道是短的，压缩机吸入/排出温度可能是有点高于额定。另一方面，如果管道太长，将有一定的长度未使用。因此，计算出一个适当的冷凝器盘管的长度是很重要的。对于选择了一个750 W热泵用150 L水R22作为制冷剂罐。如果设定的温度的热水是55时，计算过程如下：（1）系统运行参数ASHPWH的的热负荷是3375 W，例如，春天/秋天冷凝温度为60时，蒸发温度是15，和超强的散热是5C，使用的是铜管9.90.75毫米。（2）热交换面积由于冷凝器中的制冷剂的相变热交换面积分为气体，液体和两相部分。因此，计算每个节分开。温度分节计算物理模型示于图3。图 3水箱温度段的物理模型Super heat section：超热区 Two-phase section:两相区 Super cool section：超冷忽略铜管厚度和热电阻，年平均气温在过热作为热水的温度的部分是相同的，在加热端的Ts =55设置制冷剂进气口/出气口温度和顶部/底部的水箱温度Tr= 80C，通过计算，我们得到了各管长度，这加起来的总长度LT=47.64米，示于表2。Table 2：表二Pipe length of each section:每个部分的管长 Section：区Super heat：超热 Two-phase section:两相 Super cool：超冷Pipe length：管长 Total length：总长度同样地，在设定为200升的水槽和一个1125 W热泵，将计算出的配管长度69.9米。这些数据是靠近那些在测试中显示了这些。如图 4（Pipe length：管长）5系统匹配通过试验，发现，不同的毛细管使热泵的性能在各种不同环境。当环境温度高，则粗短的毛细管性能更好，当它是在低温，一个修长一个更好。例如，在35时，较短的毛细管系统的能力是21以上比长的毛细管，而在15，后者是3，高于前者。小型的家庭使用ASHPWH的采用双毛细管是一种简单有效和廉价的选择。一个方面，把电磁阀的开/关决定毛细管的工作，适应不断变化的工作条件;同时，总成本将不会有太大影响毛细管的低价格。然而，双毛细管不能满足更高的要求，因为一定的直径和长度确定了一定的压力差的毛细管。因此，它的能力几乎是恒定的，虽然水的温度改变了很多，这需要增加制冷剂流速。在此基础上，我们考虑使用热膨胀阀，使得在蒸发器中的使用的过热插座来调整流动的制冷剂，而不是双毛细管ASHPWH系统。5.1 制冷剂填充量和热之间的关系膨胀阀（TXV）开度 一个750 W空气源为25热泵测试150升水箱，冷凝盘管60米。最初的水的温度和最终温度分别是15摄氏度和55摄氏度，图5示出图 5 COP与R22的填充量相对于各种开放度，TXV一些填充量下，系统COP的开度不同，其中存在一个最佳的开度COP。也就是说，为了说，在相同的填充状态的开度的TXV影响系统的COP不少，这应该是优化实验研究。我们发现，有一些制冷剂的耦合填充量和热膨胀阀开度。理论相关性还没有被发现，但我们可以从中得到一些定性的结论如下：（1）在一定的填充量，如果TXV是开放的太多，压力差小，但它可能会导致制冷剂积聚在导轨部冷凝器盘管。如果的，TXV是不开放不够，冷凝器的出口温度将高，这意味着，热传递是不足。（2）在TXV一些开度，如果填充量是太多了，制冷剂积存在冷凝器的底部，并不会在功能充分。和压缩机可能低于额定运行加载的灌装量是不够的。5.2 系统的稳定性在热泵运行过程中，它发现该冷凝器入口温度将略有上升，但随着水温的出口会出现一些波动上升。这种不稳定表明吸力的不稳定的瞬态压缩机的TXV及波动输出功率，这表示造成系统的不稳定运行。为了解决这个问题，该系统被第一次调整到一个适当的填充量，从而我们可以看到波动摆动减少，COP大幅增加。然后膨胀阀的开度被改变，使整个系统的COP达到最大值。但当TXV调整，波动是不可避免的时，水被加热到高温步。它表明需要更多的制冷剂在高温步骤中，低温度的步骤。一种可能的解决方案是添加一个接收器，以确保有足够的供应压缩机。正如从图 6中的曲线看出，在一个接收器是冷凝器排出增加，波动基本上都消失了。稳定的吸入温度，使压缩机输出功率稳定。在测试中，接收机结算关闭系统，效果显着。5.3 水箱尺寸和热泵之间的关系机械性能水箱的大小应与热泵系统。如果1500 W机与一个60升的水罐，水的温度迅速上升并到达设置的限制（停止温度），但成本会增加。如果一个小的一个大的水热泵结合罐，将热流密度太小;加热速度速度会很慢，不适合家庭使用。从在市场上的提供的ASHPWH类型的数据，我们经过测试，750 W，900 W，1125 W的散热泵和60 L，100 L，150 L，200升的水箱，750瓦，150 L的匹配和1125 W和200 L更适合作住宅用途。图 6退出的冷凝器温度与加热时间的关系Condenser discharge temperature：电容器放电温度 Adding an accumulator ：添加一个蓄电池 Filling quantity adjusted：灌装量调整 Unadjusted：未调整的 Heating Time：加热时间6 结论与讨论本文提出的优化计算空气源热泵热水的加热器（ASHPWH）和施加相应的测试。对于现有的系统（150 L，1125 W），于表3中看到的改进是显而易见的。（1）的制冷剂填充量中起着重要的作用热泵系统的运行。它不仅关系到的气候条件，但也与耦合膨胀阀的开度。如果没有直接的计算结果断手，我们得到了一些实证结论。未来研究可以考虑一些数学方法通过模拟系统识别得到的关系，灌装量和灌装参数。（2）连接的冷凝盘管的长度与热泵系统设计的合理性。在测试结果的基础上，它可以被优化与理论计算。（3）压缩机功率波动表示系统运行不稳定。经过接收器添加，冷凝器曲线的出口温度波动减少，稳定性提高相当。（4）在住宅ASHPWH系统中，合适的匹配热泵容量和水箱的大小应该是正确匹配。Table 3:表三COP of ASHPWH under typical working conditions:在特殊工作条件下ASHPWH的能效比Season:季节 Winter:冬季 Summer:夏季 Spring/autumn:春季/秋季Ambient temperature：环境温度 COP:能效比参考文献1B.D.Sloane,R.C.Krise,D.D.Kent,Energy Utilization Systems,Inc.,Demonstration of a heat pump water heater, A subcontracted report, ORNL/Sub-7321/3, December, 1979.2Carl C. Hiller, Dual-tank water-heating system options, ASHTAE Transcations 102 Part 1 (1996) 10281037.3B.J. Huang, F.H. Lin, Compact and fast temperature-response heat pump water heater, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 97-AA-26 (1997) 4.4Hiroml Hasegawa et al., Development of two-stage compression and cascade heating heat pump system for hot water supply, ASHRAE Transactions 102 (1) (1996) 248256.5J. Ji et al., Performance simulation and experiment of an air conditioner incorporated with a water heater in cooling and hot water supply, Heating Ventilating and Air Conditioning 33 (2) (2003) 1923.6Jie Ji et al., Performance of multi-function domestic heat-pump system, Applied Thermal Energy 80 (2005) 307326.7Vince C. Mei et al., A study of a natural convection immersed condenser heat pump water heater, ASHRAE Transactions 109 Part 2 (2003) 38.8G.L. Morrison, T. Anderson, M.