周岳,趙曉玥,唐貝茗,鄧建強(qiáng)

（西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710049）

采用自然對流換熱的空氣源熱泵熱水器實驗研究

周岳,趙曉玥,唐貝茗,鄧建強(qiáng)*

（西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710049）

本文設(shè)計加工了蒸發(fā)器與冷凝器均采用自然對流換熱的一體式空氣源熱泵熱水器，并通過實驗獲得了熱水器性能隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系、優(yōu)化的工質(zhì)充灌量和毛細(xì)管長度，評價了熱泵運行對室內(nèi)溫度的影響。研究表明，標(biāo)準(zhǔn)工況下該熱泵熱水器的能效比達(dá)到2.83；環(huán)境溫度為10 ℃時，150 L水箱中的水從10 ℃升到55 ℃，需要約450 min；而環(huán)境溫度為30 ℃時需要約210 min。觀察了蒸發(fā)器結(jié)霜現(xiàn)象，隨著熱泵運行蒸發(fā)溫度提升，霜會自行化解；對絲管式蒸發(fā)器存在的較明顯的壓力損失和冷凝水現(xiàn)象進(jìn)行了分析應(yīng)對。研究結(jié)果為此類熱泵熱水器的應(yīng)用提供了一定的理論分析與實驗依據(jù)。

一體式熱泵熱水器；自然對流；絲管式換熱器；實驗研究；壓力損失

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對舒適性的要求越來越高，家庭需要越來越多的生活熱水供應(yīng)。而熱泵熱水器以其節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，在該領(lǐng)域擁有廣闊的市場前景。目前的研究多致力于解決極端工況下熱泵熱水器不能運行或者不能高效運行的問題[1-2]，忽視了分體式熱泵熱水器存在安裝復(fù)雜、成本高、室外安裝危險等缺點，為此市場上已推出了室內(nèi)使用的一體式（或整體式）空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品（簡稱一體式熱泵熱水器）。有文獻(xiàn)報道一體式熱泵熱水器能效比COP達(dá)到電熱水器的（2.4～2.6）倍[3]。然而，現(xiàn)有的室內(nèi)一體式熱泵熱水器更多的是將原分體式熱泵熱水器進(jìn)行重新組裝，這在應(yīng)用中帶來了機(jī)組噪音對室內(nèi)聲音環(huán)境的影響以及機(jī)組運行對冬季室內(nèi)降溫的影響。

本文對蒸發(fā)器與冷凝器均采用自然對流換熱方式的一體式空氣源熱泵熱水器進(jìn)行低運行噪音設(shè)計并開展實驗研究，分析了對室內(nèi)溫度的影響，獲得了系統(tǒng)COP隨環(huán)境溫度、工質(zhì)充灌量及毛細(xì)管長度的變化關(guān)系，并對實驗中發(fā)現(xiàn)的壓力損失、結(jié)霜和冷凝水問題進(jìn)行了探討。

1 系統(tǒng)設(shè)計

選取了壓縮機(jī)額定功率為495 W的小型壓縮機(jī)，并匹配市場上常見的150 L的水箱容積。系統(tǒng)裝置布置如圖1。由于無風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、無循環(huán)水泵以及小功率壓縮機(jī)的使用，降低了整機(jī)運行噪音。

圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

熱泵熱水器具有突出的節(jié)能優(yōu)點，這也是它區(qū)別于其他熱水器的特點。其性能評價指標(biāo)主要通過循環(huán)性能系數(shù)即COP來表示，其定義如下：

式中：

W ——壓縮機(jī)所消耗的能量，kJ；

cP——水的比熱容，kJ/(kg·K)；

ρ——水的密度，kg/m3；

V ——水箱容積，m3；

t1——初始水溫，℃；

t2——終止水溫，℃。

實驗裝置中的蒸發(fā)器采用絲管式換熱器。絲管式換熱器被廣泛用于家用冰箱的冷凝器，是常見的自然對流空氣換熱式換熱器，由換熱管與換熱管兩側(cè)垂直點焊若干等距離的鋼絲所組成。由于絲管式換熱器空氣側(cè)的自然對流換熱系數(shù)較制冷劑側(cè)的強(qiáng)制對流換熱系數(shù)小的多，因此忽略制冷劑側(cè)對流換熱熱阻，同時需要考慮換熱器與周圍環(huán)境的輻射換熱。根據(jù)換熱管的壁面溫度不同將絲管式換熱器的換熱面積計算分成兩相區(qū)和過熱區(qū)，每一段分別計算輻射換熱系數(shù)和空氣側(cè)的對流換熱系數(shù)，相關(guān)計算參見文獻(xiàn)[4]。

由于外盤管水箱需要隔內(nèi)膽傳熱，且傳熱效率較低，成本較高[5]，因此本文采用沉浸式盤管換熱器作為冷凝器，系統(tǒng)水箱為承壓水箱。根據(jù)工質(zhì)在冷凝盤管中所處的過熱、兩相和過冷三種狀態(tài)，將冷凝盤管分成三段進(jìn)行計算[6]。因為水箱內(nèi)水分層，計算三段熱負(fù)荷Qi的比例為4.0︰18.4︰1.0，將加熱的水溫分成三段。

系統(tǒng)采用R134a作為熱泵工質(zhì)，通過理論計算和實驗相結(jié)合的方法確定最佳充灌量，采用平均密度與容積乘積法進(jìn)行工質(zhì)充灌量的理論計算[7-8]。

經(jīng)過計算，冷凝盤管長度為7.9 m，絲管式蒸發(fā)器換熱面積為2.86 m2，工質(zhì)充灌量為609.73 g。

2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要部件參數(shù)見表1。為了裝置緊湊美觀并減少壓力損失，將6片絲管式換熱器進(jìn)行組合作為系統(tǒng)的蒸發(fā)器。每兩片換熱器作為一組，每一組匹配一根毛細(xì)管，三組并聯(lián)以增大流通管徑面積。實驗裝置結(jié)構(gòu)示意與測量位置示意如圖2。

表1 系統(tǒng)主要部件參數(shù)

系統(tǒng)實驗在焓差實驗室進(jìn)行，實驗對不同環(huán)境溫度、工質(zhì)充灌量和毛細(xì)管長度進(jìn)行研究，之前先對工質(zhì)充灌量和毛細(xì)管長度的不同組合進(jìn)行了大量的探索，初步獲得了優(yōu)化結(jié)果后進(jìn)行正式記錄。實驗參照國標(biāo)《GB/T 23137-2008家用和類似用途熱泵熱水器》開展實驗，計算了水箱溫度從15 ℃上升到55 ℃的COP，記錄水箱溫度從10 ℃上升到55 ℃所消耗的時間與相關(guān)性能參數(shù)。

圖2 實驗裝置與測量位置示意圖

3 實驗結(jié)果與分析

1）工質(zhì)充灌量

調(diào)整環(huán)境溫度為20 ℃，毛細(xì)管長度為35 cm，調(diào)節(jié)工質(zhì)充灌量為300 g、375 g、450 g、525 g和600 g。如此測得各個工況下系統(tǒng)的性能。從圖3可以看到，系統(tǒng)的COP先隨著工質(zhì)充灌量的增加而提高，但當(dāng)超過450 g時，系統(tǒng)的COP開始下降。實驗看到，充灌量少時，工質(zhì)經(jīng)過蒸發(fā)器后的溫度發(fā)生明顯波動。之后工質(zhì)充灌量增多則壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度增加。工質(zhì)在450 g時，壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度維持在比較高的溫度。繼續(xù)增加充灌量，進(jìn)氣溫度維持穩(wěn)定甚至略有減少。

圖3 COP與工質(zhì)充灌量

2）毛細(xì)管長度

調(diào)整環(huán)境溫度為20 ℃，工質(zhì)充灌量為450 g，調(diào)節(jié)毛細(xì)管長度為25 cm、30 cm、35 cm、40 cm、和45 cm。如此測得各個工況下系統(tǒng)的性能。從圖4可以看到，隨著毛細(xì)管長度增加，系統(tǒng)的COP開始提高，但是當(dāng)毛細(xì)管長度超過一定界限后，系統(tǒng)的COP開始下降。這主要是因為當(dāng)毛細(xì)管過短時，蒸發(fā)溫度較高，蒸發(fā)器的換熱溫差小，吸熱量較少，冷凝器的散熱量也較低。毛細(xì)管長度過大，會造成系統(tǒng)壓縮機(jī)進(jìn)排氣壓差增加、使壓縮機(jī)功耗變大。

圖4 系統(tǒng)COP隨毛細(xì)管長度的變化

3）環(huán)境溫度

調(diào)整毛細(xì)管長度為35 cm，工質(zhì)充灌量為450 g，調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)干球/濕球溫度為（10/8、15/11、20/15、25/19和30/24）℃。如此測得各個工況下系統(tǒng)的性能。

圖5給出了系統(tǒng)COP隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系。可以看出，隨著環(huán)境溫度的提高，系統(tǒng)的COP逐漸提高。當(dāng)環(huán)境溫度從10 ℃提高到30 ℃時，系統(tǒng)的能效從1.9提高到3.4，提高了78.94%。期間當(dāng)環(huán)境溫度從15 ℃升到20 ℃時，系統(tǒng)的COP有較大地提升，原因在于15 ℃環(huán)境下系統(tǒng)運行前期會結(jié)霜，影響系統(tǒng)的蒸發(fā)器換熱性能，而系統(tǒng)在20 ℃環(huán)境中不發(fā)生結(jié)霜，因此此處COP會有較大地提升。

圖5 系統(tǒng)COP隨環(huán)境溫度的變化

圖6為不同環(huán)境溫度下，水箱內(nèi)水溫從10 ℃上升到55 ℃所消耗的時間。當(dāng)環(huán)境溫度從10 ℃升高到30 ℃時，系統(tǒng)的加熱時間從450 min縮短至210 min。

圖6 不同環(huán)境溫度下的加熱時間

圖7給出了不同環(huán)境溫度下壓縮機(jī)功率隨水箱溫度的變化關(guān)系。隨著環(huán)境溫度和水溫的升高，壓縮機(jī)的功率變大。這是由于壓比的增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)功率增加。相同水溫時，高環(huán)境溫度下壓縮機(jī)功率要比較低環(huán)境溫度下的壓縮機(jī)功率高。實驗觀測到，隨著水箱水溫的升高，壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度、排氣壓力都迅速提高。這是由于隨著熱水溫度的提高，壓縮機(jī)排出的工質(zhì)與熱水之間傳熱效率降低，冷凝盤管中的氣態(tài)工質(zhì)增多，盤管中的壓力提高，即壓縮機(jī)的背壓提高，這將導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣壓力提高。工質(zhì)經(jīng)過毛細(xì)管節(jié)流后，蒸發(fā)器的進(jìn)口壓力也提高。

圖7 不同環(huán)境溫度下壓縮機(jī)功率隨水溫的變化

標(biāo)準(zhǔn)工況下，本裝置的COP為2.83，距離國標(biāo)《GB 29541-2013熱泵熱水機(jī)(器)能效限定值及能效等級》要求還有一定距離，下一步可在解決蒸發(fā)器壓力損失方面進(jìn)行優(yōu)化從而提高系統(tǒng)性能。計算發(fā)現(xiàn)，10 ℃環(huán)境中系統(tǒng)運行時吸熱量為490 W，30 ℃環(huán)境中系統(tǒng)吸熱量為1,584 W。而男性成人靜坐且有輕微活動時散熱量為125 W，相對于房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱，該裝置冬天（10 ℃）運行時對室內(nèi)溫度的影響很小，不會對人們的熱舒適性造成顯著影響。而夏天（30 ℃）運行時，又可以產(chǎn)生局部制冷效果。另外一方面，從熱量平衡的角度來看，熱水在建筑物內(nèi)使用，最終的熱量還是會回到建筑物中，因此總的來看，系統(tǒng)對建筑物溫度基本沒有影響。

4 存在的問題

1）蒸發(fā)器壓力損失

圖8顯示了系統(tǒng)運行過程中蒸發(fā)器進(jìn)口、出口的壓力變化?？梢钥吹焦べ|(zhì)經(jīng)過蒸發(fā)器時存在明顯壓降，且隨著蒸發(fā)壓力的升高而增大，從0.023 MPa增大至0.054 MPa，蒸發(fā)器的平均壓降為0.041 MPa。研究觀測出蒸發(fā)器的進(jìn)口溫度高于蒸發(fā)器的出口溫度，兩者的差距隨時間呈增大的趨勢。

圖8 蒸發(fā)器進(jìn)口、出口壓力對比

后續(xù)研究應(yīng)適當(dāng)?shù)財U(kuò)大蒸發(fā)器的換熱管徑，降低工質(zhì)在蒸發(fā)器中的壓力損失，同時減小彎管，增大單片絲管換熱器的換熱面積，使得僅需一片換熱器即可滿足裝置的蒸發(fā)換熱需要，這樣還可免去目前對六片換熱器進(jìn)行并聯(lián)的繁瑣焊接加工。

2）結(jié)霜

實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度低于15 ℃時，系統(tǒng)運行初期蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度會低于0 ℃，蒸發(fā)器上會結(jié)霜。圖9是環(huán)境溫度為10 ℃，結(jié)霜最嚴(yán)重時的現(xiàn)象，此時系統(tǒng)運行約70 min，蒸發(fā)器上約有1/4部分結(jié)霜。此后隨著蒸發(fā)溫度的提高，當(dāng)蒸發(fā)器進(jìn)口溫度大于0 ℃，蒸發(fā)器開始自動化霜。系統(tǒng)運行約150 min時，系統(tǒng)自動化霜完畢。

圖9 系統(tǒng)蒸發(fā)器結(jié)霜

絲管換熱器的換熱管間隔較大，周圍空氣流動為混合流動，有研究表明絲管式換熱器周圍空氣處于湍流狀態(tài)[9]。因此對于絲管式蒸發(fā)器而言，其周圍的空氣換熱要比純自然對流強(qiáng)。實驗發(fā)現(xiàn)在5 ℃環(huán)境中，當(dāng)結(jié)霜非常嚴(yán)重時（所有換熱管都結(jié)滿霜），只需停機(jī)10 min，霜可自行化掉。因此對于本裝置而言，如果結(jié)霜非常嚴(yán)重時，可以采取停機(jī)幾分鐘，待其自動化霜。

3）冷凝水

由于蒸發(fā)溫度低于空氣的露點溫度，因此空氣中的水蒸氣會在蒸發(fā)器表面凝結(jié)為冷凝水，如圖10。對于本裝置而言，可以設(shè)計一個小水箱收集冷凝水，然后用小型循環(huán)水泵將冷凝水均勻噴灑到蒸發(fā)器上，以提高蒸發(fā)器的換熱作用。當(dāng)水箱的冷凝水要溢出時，可向用戶發(fā)出提醒排出冷凝水[10]。

圖10 蒸發(fā)器冷凝水

5 結(jié)論

對匹配小功率壓縮機(jī)的雙自然對流式空氣源熱泵熱水器進(jìn)行設(shè)計并開展實驗研究，得到以下結(jié)論。

1）該雙自然對流式空氣源熱泵熱水器可以在10 ℃～30 ℃的室內(nèi)使用，并當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度為20 ℃時COP能夠到達(dá)2.83。

2）存在一個最佳的工質(zhì)充灌量與毛細(xì)管長度使COP達(dá)到最高，對于本裝置而言，充灌量為450 g，毛細(xì)管長度為35 cm時，標(biāo)況下系統(tǒng)COP達(dá)到最高。

3）由于蒸發(fā)器的管徑較小，工質(zhì)在流經(jīng)蒸發(fā)器時存在壓降，平均壓降占蒸發(fā)壓力的10%，還存在冷凝水和結(jié)霜問題，未來需要開展優(yōu)化。

4）采用低噪音設(shè)計，并對室內(nèi)使用的溫度影響作了分析，系統(tǒng)對家庭室內(nèi)熱環(huán)境的影響可以忽略。

[1] 黃娟, 李紹斌. 變頻雙級增焓熱泵技術(shù)在空氣源熱泵熱水器上的應(yīng)用[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(1): 49-54.

[2] 王如竹, 張川, 翟曉強(qiáng). 關(guān)于住宅用空氣源熱泵空調(diào)、供暖與熱水設(shè)計要素的思考[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(1): 32-41.

[3] 郝吉波, 王志華, 姜宇光, 等. 空氣源熱泵熱水器性能分析[J]. 制冷與空調(diào), 2013, 13(1): 59-62.

[4] 吳業(yè)正. 小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

[5] 茍秋平, 吳揚, 朱伯永, 等. 采用不同換熱管的熱泵熱水器外盤管水箱的成本分析[J]. 制冷技術(shù), 2013, 33(2): 42-44.

[6] 張潔, 張良俊, 王如竹, 等. 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化計算及實驗研究[J]. 太陽能學(xué)報, 2007, 28(3): 286-290.

[7] 王建栓, 張于峰, 張志紅. 天然制冷劑充注量的計算與試驗[J]. 流體機(jī)械, 2003, 31(1): 44-47.

[8] 黨超鑌, 楊春信. 蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)制冷劑充灌量計算模型[C]// 熱力學(xué)分析與節(jié)能論文集. 北京: 科學(xué)出版社, 1997: 156-164.

[9] 成耀龍, 徐明仿, 吳業(yè)正. 絲管式冷凝器周圍空氣溫度分布的實驗研究及仿真[J]. 制冷學(xué)報, 2006, 27(2): 6-9.

[10] 吳東興, 金蘇敏, 徐家新. 空調(diào)冷凝水節(jié)能分析與利用[J]. 流體機(jī)械, 2005, 32(11): 66-68.

Experimental Study on Air Source Heat Pump Water Heater with Natural Convection Heat Transfer

ZHOU Yue, ZHAO Xiao-yue, TANG Bei-ming, DENG Jian-qiang*
(School of Chemical Engineering and Technology, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, Shaanxi 710049, China)

An integrated air source heat pump water heater with natural convection heat transfer evaporator and condenser was designed and fabricated. Experimental studies were carried out to get the variation of water heater performance with ambient temperature, the optimal working fluid charge and capillary length. The influence of the operation of heat pump on the indoor temperature was analyzed. The experimental results showed that the coefficient of performance (COP) of the heat pump water heater system is 2.83 under the standard test conditions. At an ambient temperature of 10 ℃, it took about 450 min to raise the water temperature in the 150 L water tank from 10 ℃ to 55 ℃ and about 210 min from 30 ℃ to 55 ℃. Frost was observed in the experiments and it melted as the evaporation temperature increased. In addition, obvious pressure loss and water condensation phenomena in the evaporator were analyzed. This study offers the theoretical and experimental reference for further application of this type heat pump water heater.

Integrated heat pump water heater; Natural convection; Wire tube heat exchanger; Experimental study; Pressure loss

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.103

*鄧建強(qiáng)（1974-），男，副教授、博導(dǎo)，工學(xué)博士。研究方向：高效化工機(jī)械。聯(lián)系地址：西安市咸寧西路28號，郵編：710049。聯(lián)系電話：029-82663413。E-mail：dengjq@mail.xjtu.edu.cn。