茍秋平，吳揚(yáng)，朱伯永，鄧斌

（上海金龍制冷技術(shù)有限公司，上海 200135）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和居民生活水平的提高，人們對(duì)生活熱水的需求量也逐漸增大，由此帶來了更大的能源需求?？諝庠礋岜脽崴髯鳛樾乱淮鸁崴鳟a(chǎn)品，其相比傳統(tǒng)熱水器能效高出兩到三倍[1]，可以有效的降低熱水器的能耗，因而引起越來越多的專家和學(xué)者的關(guān)注。

空氣源熱泵熱水器的水箱主要分為內(nèi)盤管和外盤管兩種型式，文獻(xiàn)[2-3]對(duì)熱泵熱水器的內(nèi)盤管水箱水溫的分布進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)產(chǎn)生水溫分層和渦流等現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析；而外盤管水箱由于需要隔內(nèi)膽傳熱，傳熱效率較低，成本較高[4]，目前的研究還不多。

本文將針對(duì)外盤管效率低、成本高等的問題，通過采用不同換熱管材料及結(jié)構(gòu)，對(duì)空氣源熱泵熱水器外盤水箱的換熱和成本進(jìn)行對(duì)比研究。

1 計(jì)算模型

家用熱泵熱水器的外盤管水箱結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。制冷劑在換熱管（外盤管）內(nèi)流動(dòng)，通過管壁、水箱內(nèi)膽壁，與水箱中的水進(jìn)行換熱。

圖1 水箱外盤管示意圖

水箱在整個(gè)換熱過程的傳熱熱阻主要由五部分組成，依次為：換熱管內(nèi)的相變傳熱熱阻、換熱管管壁的導(dǎo)熱熱阻、換熱管和水箱的接觸熱阻、水箱內(nèi)膽壁的導(dǎo)熱熱阻、水箱內(nèi)水的自然對(duì)流熱阻[5]。

1）換熱管內(nèi)傳熱計(jì)算公式：

式中：

hr——管內(nèi)制冷劑冷凝換熱系數(shù)，W/m2K；

Ai——外盤管管內(nèi)壁換熱面積，m2；Ai=πdiL，di為管內(nèi)徑，m，L為管長(zhǎng)，m；

Tr——制冷劑溫度，計(jì)算時(shí)取制冷劑冷凝溫度，℃；

Tr,i——外盤管內(nèi)壁溫度，℃。

2）管壁導(dǎo)熱計(jì)算公式：

式中：

λ1——外盤管管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/mK；

do——管外徑，m；

Tt,o——外盤管外壁溫度，℃。

3）外盤管與內(nèi)膽之間換熱計(jì)算公式：

式中：

R——外盤管與水箱內(nèi)膽之間的導(dǎo)熱熱阻，K/W。

4）內(nèi)膽壁導(dǎo)熱計(jì)算公式：

式中：

λ2——外盤管內(nèi)膽壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/mK；

Di——水箱內(nèi)膽內(nèi)徑，單位m；

Do——水箱內(nèi)膽外徑，m；

Ttank,i——水箱內(nèi)膽內(nèi)壁溫度，℃；

Ttank,o——水箱內(nèi)膽外壁溫度，℃。

5）水箱內(nèi)水的自然對(duì)流計(jì)算公式：

式中：

hW——水側(cè)自然對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2K；

Ao——外盤管管外壁換熱面積，m2；

TW——水箱內(nèi)水溫，℃。

通過以上方程式的組合求解，可以方便地進(jìn)行外盤管水箱的設(shè)計(jì)及校核計(jì)算。

2 計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

本次測(cè)試是在上海金龍制冷技術(shù)有限公司熱泵綜合性能試驗(yàn)室進(jìn)行的。如圖2 所示，熱泵熱水器置于環(huán)境間，環(huán)境間外有空氣處理機(jī)組，以使環(huán)境間溫度穩(wěn)定在國(guó)標(biāo)要求的設(shè)定值。水箱盤管的進(jìn)出口壓差由設(shè)置在進(jìn)出口的壓力傳感器測(cè)得，熱泵系統(tǒng)消耗功率由功率變送器測(cè)量，熱泵的制熱量按國(guó)標(biāo)GB/T23137-2008 計(jì)算得到，測(cè)試工況為：干球溫度20℃，濕球溫度15℃；進(jìn)水溫度15℃，出水溫度55℃[6]。由于水箱中存在水溫分層現(xiàn)象，因此在水箱中至上而下均勻布置了4 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。鉑電阻溫度傳感器精度為±0.1℃，制冷劑壓力及壓差變送器測(cè)量精度為±0.5%，功率變送器測(cè)量精度為±0.5%，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室重復(fù)性誤差＜2%。

圖2 熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)室布置示意圖

按照國(guó)標(biāo)要求，一種容量為200 L，采用7.94 mm 內(nèi)螺紋銅管的外盤管水箱在本實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示，水箱實(shí)測(cè)制熱量和計(jì)算制熱量的最大偏差為0.5%。

為了驗(yàn)證本模型對(duì)采用微通道扁管水箱時(shí)計(jì)算的準(zhǔn)確性，針對(duì)一種同樣容量為200 L，25 mm 微通道扁管外盤管水箱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示，水箱實(shí)驗(yàn)制熱量和計(jì)算制熱量的最大偏差為2.1%。

綜上測(cè)試結(jié)果表明，無論圓管還是微通道扁管，本模型計(jì)算的外盤管水箱的制熱量與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值之間偏差最大為2.1%，具有較高的精度?？梢岳迷撃Ｐ蛠磉M(jìn)行外盤管水箱的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。

表1 7.94 mm 內(nèi)螺紋銅管外盤管水箱測(cè)試結(jié)果

表2 微通道扁管外盤管水箱實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3 采用不同換熱管的外盤管水箱的設(shè)計(jì)及成本對(duì)比分析

基于上述數(shù)學(xué)模型，在性能相當(dāng)?shù)那闆r下，采用外徑為9.52 mm 銅光管、9.52 mm 內(nèi)螺紋銅管、9.52 mm 304L 不銹鋼管以及5 mm 內(nèi)螺紋銅管、4 mm 內(nèi)螺紋銅管、25 mm 微通道鋁扁管分別進(jìn)行外盤管水箱的設(shè)計(jì)和成本對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 列出了6 種不同材質(zhì)或管徑的管材在外盤管換熱器中換熱性能和材料成本。從表中可知，不銹鋼外盤管成本相比9.52 銅管材料價(jià)格上有優(yōu)勢(shì)，但如采用4 mm 和5 mm 銅內(nèi)螺紋管，9.52 mm 系列的銅管及不銹鋼管均沒有優(yōu)勢(shì)。六種管材的比較中，鋁管扁管水箱材料成本最低。

表4 列出了各種管材制成的外盤管換熱器，考慮加工費(fèi)及換熱器加工成本后的價(jià)格對(duì)比。結(jié)果表明：4 mm 和5 mm 內(nèi)螺紋銅管水箱在各種管材外盤管水箱中優(yōu)勢(shì)明顯，微通道扁管水箱雖然材料成本低，考慮到其加工成本非常高，整體成本并不具有優(yōu)勢(shì)。

表3 不同材質(zhì)管材的設(shè)計(jì)結(jié)果和成本核算

表4 各種材質(zhì)管材制作成外盤管換熱器總價(jià)

4 結(jié)論

本文建立了熱泵熱水器外盤管水箱的數(shù)學(xué)模型，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明該模型是切實(shí)有效的。運(yùn)用該模型在保持換熱性能相同的情況下，設(shè)計(jì)了采用不同換熱管（9.52 mm 銅光管，9.52 mm 銅內(nèi)螺紋管，9.52 mm 304L 不銹鋼管，5 mm 銅管，4 mm 銅管，微通道扁管）的水箱，并進(jìn)行了成本對(duì)比分析研究，結(jié)果表明：

1)針對(duì)目前市場(chǎng)上采用的9.52 mm 管材外盤管水箱來說，不銹鋼管材具有優(yōu)勢(shì)；

2)小管徑銅管（管徑為4 mm 或5 mm）,微通道扁管水箱相對(duì)于其它換熱管水箱材料成本優(yōu)勢(shì)明顯；

3)考慮加工費(fèi)及換熱器加工成本后，小管徑銅管水箱在各種管材外盤管水箱中優(yōu)勢(shì)明顯，微通道扁管水箱雖然材料成本低，但其加工成本高，整體成本不具有優(yōu)勢(shì)；

4)采用小管徑銅管，是降低外盤管水箱成本，提高其效率的途徑和有效解決方法之一。

[1]Wu J,Yang Z,Wu Q,et al.Transient Behavior and Dynamic Performance of Cascade Heat Pump Water Heater with Thermal Storage System[J].Applied Energy,2012,91(1):187-196.

[2]王祥,劉穎,王芳,等.基于仿真的R417a 熱泵熱水器蓄熱水箱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].流體機(jī)械,2010,38(9):64-68.

[3]熊珍琴,王如竹,吳靜怡,等.基于 Fluent 軟件的熱泵熱水器水箱溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[C],制冷空調(diào)新技術(shù)進(jìn)展——第四屆全國(guó)制冷空調(diào)新技術(shù)研討會(huì)論文集.南京,2006:734-737.

[4]李凡,趙恒誼,唐壁奎,等.空氣源熱泵熱水器[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2010.

[5]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].第四版.北京:高等教育出版社,2007.

[6]GB/T 23137-2008,家用和類似用途熱泵熱水器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.