空气源热泵热水系统补水方式对系统节能性的影响.doc

空气源热泵热水系统补水方式对机组制热性能系数的影响黎恢山（ 湖南亿利达实业有限公司 湖南长沙 410014）江乐新 楼静 张学文（ 中南大学 湖南长沙 410083）摘 要：实验测试了空气源热泵热水机组在环境干球温度为7.0，湿球温度为6.0，冷凝温度从15.0变化到60.0变工况下的COP值、制热量和输入功率，以及在相同环境温度，机组进水温度为50.0，出水温度为55.0，循环水流量为5.773m3/h的恒定工况下的数据。根据变工况的数据拟合出热泵COP值与冷凝温度、制热量与冷凝温度的相关多项式，根据定工况计算出热泵冷凝器的KA乘积值。通过拟合多项式及相关公式，分析了工程上常用的补水方式对机组制热性能系数的影响，为热泵系统补水方式的设计提供参考。关键词：热工学；补水方式；制热性能系数；空气源热泵热水系统The Influence of Water Supply Mode on Air Source Heat Pump Hot-Water Supply System Thermodynamic COPLi Huishan ，Jiang Lexin， Lou Jing and Zhang Xuewen（Hunan Ilida Industry CO., LTD Hunan Changsha 410014）Abstract：COP, heating capacity and input power were experimentally determined under variant conditions (DB: 7.0,WB: 6.0,condensation temperature: variating from 15.0 to 60.0 ). And datum were collected under invariant conditions (DB: 7.0,WB: 6.0,inlet water temperature : 50.0, outlet water temperature : 55.0,circulating water flux: 5.773m3/h).The polynomials of ASHP COP and condensation temperature, heating capacity and condensation temperature were fit based on the datum of variant conditions, and KA of condenser under invariant conditions was calculated. According to polynomials and interrelated formulations, the influence of several water supply modes in common use on the thermodynamic cop were analyzed, which provided a reference for water supply mode design in air-source heat pump Hot-Water Supply System.Keywords：Pyrology；Water supply mode； thermodynamic cop；air-source heat pump Hot-Water Supply System1 引言空气源热泵热水机组由于节能、安全而得到越来越多的重视1-3，但在应用过程中，有部分用户抱怨热泵系统达不到厂家所宣称的节能效果。究其可能原因，一是厂家或代理商过分夸大了系统的节能效果，还有一个原因是工程设计上技术处理不当引起了节能效果的下降，如主机安装环境、补水方式、电辅助加热装置的功率配比和控制、水泵选型和运行控制、系统保温等。在这些原因当中，系统的补水方式对系统的节能效果有着很大的影响，这是因为不同的补水方式对机组的制热性能系数的影响很大，但目前还没有相关的技术报道。本文就补水方式对机组的制热性能系数的影响进行了研究，为热泵热水工程的系统节能设计提供了依据。2.工程上常见的补水方式及分析对于空气源热泵热水机组，其制热性能系数决定于蒸发温度和冷凝温度。进出冷凝器的热水温度及进入蒸发器的空气温度一旦确定，热泵的冷凝温度和蒸发温度即被确定，其蒸发温度随空气温度的上升而上升，冷凝温度随热水进出温度的上升而上升，详细分析可参见文献4。热泵热水系统补水方式的不同，造成进出机组冷凝器的热水温度不同，也就造成机组的冷凝温度不同，从而影响到机组的制热性能系数。2.1 工程上常见的补水方式1）机组出水温度恒定的补水方式工程上称为直热式，这种补水方式又分成两种形式，即变流量的控制方式和定流量的控制方式，此方式下补水速率决定于主机产热量和补充水的水温。变流量的控制方式：系统简图如图1，机组进水都是补充的自来水，补水信号产生时，补水电磁阀打开，自来水直接补充到机组的进水管内，温控二通阀通过机组的出水温度控制补水流量。当机组出水温度偏高时，温控二通阀的开度变大，冷水流量变大，机组出水温度随之下降；当机组出水温度偏低时，温控二通阀的开度变小，冷水流量变小，机组出水温度随之上升，这样通过补充冷水的流量变化，使主机出水温度基本恒定在设定的温度。定流量的控制方式：系统简图如图2，补水信号产生时，补水电磁阀打开，混流温控三通阀通过机组出水温度控制回水冷热水的混比，使主机出水温度基本恒定在设定的温度，机组进水是由水箱热水和自来水混比而成。当机组出水温度偏高时，混流温控三通阀与自来水相接的阀口开度变大，与水箱相接的阀口开度变小，回水冷水流量变大，热水流量变小，总水量不变，机组出水温度随之下降；当机组出水温度偏低时，混流温控三通阀与自来水相接的阀口开度变小，与水箱相接的阀口开度变大，回水冷水流量变小，热水流量变大，总水量不变，机组出水温度随之上升。图1 变流量、恒定机组出水温度系统图 图2 定流量、恒定机组出水温度系统图2）水箱水温恒定的补水方式系统简图如图3，补水信号产生后，当水箱水温在允许补水控制温度以上时，补水进行，自来水补充到水箱底部。当补水较快，机组供热小于补水带入的冷量，水温逐渐下降到允许补水控制温度以下时，补水暂停，机组运行，将水温提升到控制温度以上，补水重新开始。这样不断循环，直到补水停止信号产生。此方式下补水速率应满足设计秒流量的供水要求，机组循环水流量不变。3）水箱水位恒定的补水方式 图3 水箱水温恒定的补水系统简图 系统简图类似图3，只是没有了温度控制信号，补水完全由水位控制，自来水直接补充到水箱底部，主机循环也在水箱底部。水位下降至补水位时，补水开始，水位上升到满水位时，补水停止。此方式下补水速率应满足设计秒流量的供水要求，机组循环水流量不变。4）集中补水方式系统简图类似图3，只是温度控制信号变为定时信号，补水由定时器和液位控制。适用于一天当中用水非常集中的场合（学校、机关、企业的集中澡堂等），每次用完水后一次性快速补水至水箱内，直到补满水，此方式下补水速率在考虑经济性的前提下可尽可能大，机组循环水流量不变。2.2 不同补水方式的节能性分析表1记录了某厂家生产的型号为IKRS13-1350空气源热泵热水机组在环境干球温度为7.0，湿球温度为6.0，循环水流量为5.773m3/h时，冷凝温度从15.0变化到60.0时的COP值、制热量和输入功率。表1 环境干球温度7.0，湿球温度6.0、不同冷凝温度下的COP值、制热量与输入功率冷凝温度()15202530354045505560COP值制热量 kW输入功率 kW7.8246.966.016.9645.816.586.1644.547.235.4443.117.924.7641.588.744.1339.969.683.5738.1610.693.0836.2711.782.6334.2913.042.2332.1314.41由数据可以看出，在蒸发温度一定时，热泵的COP值和制热量随冷凝温度的升高而减少，而输入功率随冷凝温度的升高而增加。采用数值法进行拟合，在MATLAB平台上运用最小二乘拟合，可以得到该热泵的COP值、制热量随冷凝温度变化的拟合多项式与曲线： （11） （12）图4 热泵COP值随冷凝温度的变化曲线 图5 热泵制热量随冷凝温度的变化曲线同时，对该热泵进行恒定工况测试，恒定工况为环境干球温度为7.0，湿球温度为6.0，机组进水温度为50.0，出水温度为55.0，循环水流量为5.773m3/h。此时机组的冷凝压力为表压2.17MPa，相应的冷凝温度为57.01，机组制热量为33.57kW。由公式（13）可计算出对数传热温差为3.99。 （13）式中，冷凝温度（），热水出水温度（），热水进水温度（），由公式（1-4） （14）可计算出冷凝器的KA乘积值为8410.0W/。根据得出的拟合曲线和冷凝器的KA乘积值，以及机组的循环水流量，对机组在不同补水方式下的COP值进行分析。在分析时设定系统运行条件为环境干球温度为7.0，湿球温度为6.0，自来水补水温度为7.0，水箱热水温度要求为55.0；在恒定机组循环水流量时，恒定流量为5.773m3/h；同时，设定机组在其适用温度环境下运行时机组冷凝器的KA乘积值不变。为了计算需要，引入公式（1-5） （15）2.2.1机组出水温度恒定的补水方式1）对于变流量、机组出水温度恒定的补水方式，机组进水温度为7.0，出水温度为55.0，先假定一个冷凝温度值tc，根据公式（13）、（14）计算出制热量Q(tc)，再通过公式（12）进行Q(tc)校核计算，取偏差小于3%，算得此条件下的冷凝温度为55.00。根据公式（11）计算得到机组在55.0的制热性能系数为2.63，这就是该种补水方式下机组的实际运行制热性能系数。2）对于定流量、机组出水温度恒定的补水方式，机组循环水流量不变，则机组恒定进水温度为50.0，恒定出水温度为55.0。此工况就是前面已经提及的恒定测试工况，机组的冷凝温度为57.01，对应的能效比为2.59。这就是该种补水方式下机组的实际运行制热性能系数。2.2.2水箱水温恒定的补水方式设允许补水控制温度为52.0，即水箱水温在52.0以上时，只要补水信号产生，就往水箱内补水，这就意味着主机工作时机组的进水温度始终在52.0以上，按进水温度52.0计算，先假定一个冷凝温度值tc，根据公式（12）和（15）计算出出水温度，由公式（13）计算出tm，再通过公式（14）进行tm校核计算，取偏差小于3%，算得此条件下的冷凝温度为58.83。根据公式（11）计算得到机组在58.83的制热性能系数为2.46，这就是该种补水方式下机组的最高实际运行制热性能系数。事实上水箱温度是在52.055.0之间波动，所以该种补水方式下机组的实际平均能效比低于2.46。2.2.3水箱水位恒定的补水方式该种补水方式机组的制热性能系数与用水的实际情况有关，具体如下。1）一天用水比较均匀的系统，补水也比较均匀，机组处于频繁间歇运行状态，即水温低于主机启动运行温度时（3.0回差设定时为52.0），主机运行，达到设定水温时（55.0），主机停止。由于用水比较均匀，补水也比较均匀，这种用水状况水箱底部的水温一直稳定在比较高的温度，机组运行时的冷凝温度也高，机组的制热性能系数相对较低，其极端现象与恒定水箱温度的随时补水方式相近。2）一天用水比较集中的系统，补水也比较集中，在集中补水时，水箱底部的水温比较低，机组的进水温度比较低，机组运行时的冷凝温度也低，机组的制热性能系数相对较高，其极端现象就是定时补水方式：用水非常集中，补水也非常快速和集中。2.2.4集中补水方式集中补水，补水速率较快，这样可简化理解为一箱冷水从7.0缓慢加热到55.0。在这一温度渐变的加热过程中，冷凝温度也是逐渐升高的，机组运行时的输入功率和COP值是逐渐变化的。根据拟合多项式（1-1）和拟合曲线图4，我们可以求出水温从7.0加热到55.0时（冷凝温度从16.72上升到61.55，算法同2.2.2）热泵的COP平均值。具体如下：由公式（16）： （16）通过MATLAB计算得出此工况下COP平均值为4.52。显然，采取这种补水方式时机组的实际运行制热性能系数是最高的。在此，对上述热泵系统在不同补水方式下机组的实际运行制热性能系数进行小结，具体见表2。表2 环境干球温度7.0、湿球温度6.0时不同补水方式下机组的实际运行制热性能系数不同补水方式机组的COP值机组出水温度恒定（出水温度55.0）、机组变流量变温差机组出水温度恒定（出水温度55.0）、机组定流量定温差水箱水温恒定（热水温度55.0，允许补水控制温度52.0）水箱水位恒定 集中补水方式（补水温度7.0，热水温度55.0）2.632.59低于2.46随用水实况变化，用水越集中，COP值越大4.523 结论1）通过实验数据对热泵COP值与冷凝温度、制热量与冷凝温度的相关多项式进行了拟合，指出在蒸发温度一定时，热泵系统的COP值和制热量随冷凝温度的升高而减少，而输入功率随冷凝温度的升高而增加。2）