袁朝陽(yáng)，陶樂(lè)仁，虞中旸，黃理浩

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

1 前言

不同于電熱水器、燃?xì)鉄崴骱吞?yáng)能熱水器，空氣源熱泵熱水器作為新興的節(jié)能型熱水器，因具有節(jié)能、環(huán)保、方便等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多用戶的青睞［1］。有研究指出其耗能約為普通電熱水器的38%，相對(duì)燃?xì)鉄崴鞴?jié)省約35%，太陽(yáng)能熱水器節(jié)省33%［2，3］。空氣源熱泵熱水器是冷媒從外界環(huán)境的空氣中吸取熱量，通過(guò)壓縮機(jī)做功，將熱量供給較高溫度的熱源—儲(chǔ)熱水箱的一種逆卡諾循環(huán)裝置［4］。

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響較為明顯。胡韓瑩等對(duì)外盤管空氣源熱泵熱水器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明環(huán)境溫度降低，COP相應(yīng)降低，達(dá)不到節(jié)能的效果，熱水出口水溫設(shè)置過(guò)高也會(huì)大大削弱系統(tǒng)的節(jié)能效果［5］。董振宇等給出了空氣源熱泵熱水器最適宜的工作溫度范圍在7～35℃左右，冷凝溫度基本不變的情況下,制熱量及COP隨環(huán)境溫度變化較為明顯,環(huán)境溫度降低時(shí)系統(tǒng)的壓比增加，排氣溫度升高，吸氣過(guò)熱度減?。?］。系統(tǒng)耗功隨著進(jìn)水溫度的升高而增大，制熱量和COP隨著進(jìn)水溫度的升高而降低［7～9］。本文利用循環(huán)加熱式空氣源熱泵熱水器試驗(yàn)臺(tái)，模擬秋季氣溫多變的運(yùn)行工況，分析不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)運(yùn)行性能的變化趨勢(shì)，為優(yōu)化系統(tǒng)控制方案提供一些參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)原理與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

空氣源熱泵熱水器試驗(yàn)裝置原理如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由制冷劑循環(huán)和水循環(huán)兩部分組成。

圖1 試驗(yàn)裝置原理

壓縮機(jī)選用自帶氣液分離器的上海某電器有限公司型號(hào)為WHP的R134a熱泵熱水器專用壓縮機(jī)，理論排氣量18.0 ml/rev，定頻50 Hz，功率565 W。制冷劑質(zhì)量流量由科氏力流量計(jì)測(cè)量，精度±0.1%。電子膨脹閥開(kāi)度通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)。蒸發(fā)器為換熱管徑φ9.52 mm×0.28 mm的紫銅管，正三角形排列，并配置額定風(fēng)量530 m3/h的YWY型外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機(jī)。冷凝器選用TY1222型套管換熱器，原始銅管外徑φ16 mm，換熱面積0.61 m2。循環(huán)水泵采用RS-15/6型屏蔽泵，輸入功率為93 W/67 W/46 W可調(diào)。儲(chǔ)水箱為100 L外殼噴涂保溫承壓水箱，內(nèi)膽304不銹鋼，中間保溫層采用環(huán)保型聚氨酯發(fā)泡劑。水流量計(jì)采用LZB-W（F）型浮子流量計(jì)，量程1.8～18 L/min，測(cè)量精度±2.5%。

試驗(yàn)裝置中共布置了16個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)和4個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖1所示。溫度由T型熱電偶測(cè)量，壓力采用JYB-KH絕對(duì)壓力傳感器測(cè)量。試驗(yàn)前，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵功率來(lái)控制水流量，充分混合系統(tǒng)內(nèi)的水，避免影響換熱效果；然后手動(dòng)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)開(kāi)度，控制電子膨脹閥在較小開(kāi)度，避免開(kāi)機(jī)時(shí)大量液態(tài)制冷劑涌入壓縮機(jī)；最后通過(guò)小型的封閉空間不斷向蒸發(fā)器正面吹入恒溫的一次性風(fēng)，開(kāi)始試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在模擬的秋季工況下進(jìn)行，具體參數(shù)如表1所示。干球溫度由蒸發(fā)器入口處的熱電偶測(cè)得，相對(duì)濕度由溫濕度計(jì)測(cè)得，二者所測(cè)數(shù)值代入濕空氣焓濕圖查詢軟件即可得到各個(gè)工況下的濕球溫度和露點(diǎn)溫度。不同環(huán)境溫度試驗(yàn)過(guò)程中露點(diǎn)溫度均在蒸發(fā)溫度以上。

表1 試驗(yàn)工況

儲(chǔ)水箱內(nèi)熱水初始溫度為22℃，循環(huán)加熱至55℃。系統(tǒng)工作過(guò)程中，熱水吸收的熱量包括3部分: 制冷劑過(guò)熱氣體的過(guò)熱焓值、冷凝潛熱和制冷劑過(guò)冷段的傳熱。單個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度不變，水箱初始水溫由輔助電加熱調(diào)節(jié)置設(shè)定水溫，膨脹閥開(kāi)度設(shè)置為10%，水流量設(shè)置為11 L/min，開(kāi)機(jī)3 min待壓縮機(jī)穩(wěn)定后開(kāi)始采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3 計(jì)算公式

由于采用的是循環(huán)加熱的方式制取熱水，空氣源熱泵熱水器運(yùn)行時(shí)，隨著入口水溫的不斷升高，系統(tǒng)的運(yùn)行工況一直是在變化的，因此系統(tǒng)COP分為瞬時(shí)COPt和平均COPa，系統(tǒng)耗功也分為瞬時(shí)耗功P（即系統(tǒng)功率）和總耗功W。試驗(yàn)中可測(cè)量壓縮機(jī)吸氣溫度Tsuc，排氣溫度Td，電子膨脹閥前溫度Tv，制冷劑質(zhì)量流量qm，蒸發(fā)壓力Pe，系統(tǒng)功率 P，冷凝器進(jìn)、出水溫度 Tw,in，Tw,out。通過(guò)Refprop9.0物性軟件可以得到制冷劑蒸發(fā)壓力下的蒸發(fā)溫度Te，排氣焓值hd，閥前焓值hv。然后通過(guò)下列計(jì)算得到系統(tǒng)COP：

式中 Tsh——過(guò)熱度

式中 Qh——制熱量，W

式中 Pp，Pf，Pc——水泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的功率，W

式中 Mw——水箱中水的總體積，L，Mw=100 L

cw—— 循環(huán)水比熱容，kJ/（kg·℃）,取cw=4.18 kJ/（kg·℃）

Tw，end——終止水溫，℃，Tw，end=55 ℃

Tw，set——初始水溫，℃，Tw，set=22 ℃

2.4 誤差分析

由于測(cè)量器材精度的原因，每項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果都會(huì)存在一定的誤差。本文采用Qzturk［10］的誤差分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。假設(shè)參數(shù)R是由N個(gè)測(cè)量參數(shù)計(jì)算得到的，即：

則各個(gè)相關(guān)量的測(cè)量誤差傳遞到參數(shù)R上的總誤差δR為：

計(jì)算得到的瞬時(shí)COPt和平均COPa的誤差分別為5.3%和4.7%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2反映了不同環(huán)境溫度下制熱量的變化趨勢(shì)，環(huán)境溫度為22℃時(shí)，制熱量隨著水溫的升高而增大；而在其他環(huán)境溫度下，制熱量均是先增大后減小。系統(tǒng)運(yùn)行前期，環(huán)境溫度低時(shí)制熱量大，后期環(huán)境溫度低時(shí)制熱量也隨之降低。圖3是質(zhì)量流量隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)圖，對(duì)比圖2與圖3可發(fā)現(xiàn)，制熱量Qh和質(zhì)量流量qm的變化趨勢(shì)基本一致——質(zhì)量流量越大制熱量越大。在圖3中，環(huán)境溫度低時(shí)質(zhì)量流量也低，這是由于環(huán)境溫度降低，蒸發(fā)溫度下降，蒸發(fā)壓力降低，壓縮機(jī)吸氣比容υ隨之增大，由于質(zhì)量流量（qv為體積流量），過(guò)熱狀態(tài)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)容積效率η變化不大［11］，所以循環(huán)過(guò)程中質(zhì)量流量降低。

圖2 不同環(huán)境溫度下制熱量變化趨勢(shì)

圖3 不同環(huán)境溫度下質(zhì)量流量變化趨勢(shì)

從圖3中還可看出，同一環(huán)境溫度下，質(zhì)量流量隨著過(guò)熱度的降低而增大（過(guò)熱度大于0 ℃時(shí)），這是由于冷凝器側(cè)入口水溫越高，蒸發(fā)壓力越大，制冷劑蒸汽比體積越低，制冷劑密度越大，所以質(zhì)量流量越大；而當(dāng)過(guò)熱度降到0 ℃時(shí)，壓縮機(jī)的余隙容積中吸入了少量液態(tài)制冷劑，導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)的膨脹比體積增大，容積效率降低，工作性能變差，質(zhì)量流量開(kāi)始逐漸降低［12］。

從圖4可以看出，同一環(huán)境溫度下，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度Tsh不斷下降，直至壓縮機(jī)出現(xiàn)濕壓縮。同時(shí)，環(huán)境溫度越低，開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)的起始過(guò)熱度越低，過(guò)熱度降低幅度越大，壓縮機(jī)會(huì)更早地進(jìn)入濕壓縮狀態(tài)。環(huán)境溫度為20，18，16和14 ℃時(shí)，系統(tǒng)過(guò)熱度均在不斷下降最終到達(dá)0 ℃；環(huán)境溫度為22 ℃時(shí)，過(guò)熱度雖然也在不斷下降，但壓縮機(jī)一直處于吸氣過(guò)熱狀態(tài)，過(guò)熱度最低約為2.6 ℃。這是由于環(huán)境溫度較高時(shí)，制冷劑從空氣中可吸收更多的熱量，蒸發(fā)器側(cè)的制冷量大，故蒸發(fā)器出口過(guò)熱度會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而升高，過(guò)熱度降到0 ℃的時(shí)間也會(huì)隨之延長(zhǎng)。在加熱初期，環(huán)境溫度越低制熱量越大，說(shuō)明吸氣過(guò)熱時(shí)過(guò)熱度越小冷凝器側(cè)制冷劑與水的換熱效果越好，這也說(shuō)明了為什么在相同的環(huán)境溫度下隨著過(guò)熱度的降低系統(tǒng)的制熱量是逐漸增大的。

圖4 不同環(huán)境溫度下過(guò)熱度變化趨勢(shì)

圖5 示出了系統(tǒng)功率隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)。由式（3）可知，系統(tǒng)功率是風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵和壓縮機(jī)功率之和。運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵的功率基本不變，系統(tǒng)功率的變化是由壓縮機(jī)功率變化引起的。在圖5中，系統(tǒng)功率隨著水箱平均水溫的增大而增大，環(huán)境溫度越低功率越大，由于環(huán)境溫度降低蒸發(fā)壓力也會(huì)降低，而冷凝壓力是受循環(huán)水溫影響的，隨著冷凝器入口水溫的不斷升高冷凝壓力不斷上升，在相同的水溫下，不同環(huán)境溫度下的冷凝壓力基本不變，所以環(huán)境溫度越低壓縮機(jī)壓比越大，如圖6中所示壓縮機(jī)壓比隨著環(huán)境溫度的降低在不斷增大，壓比增大導(dǎo)致壓縮機(jī)功率上升。

圖5 不同環(huán)境溫度下功率變化曲線

并且，在相同環(huán)境溫度下，系統(tǒng)的耗功和壓比均隨著水溫的升高而增大，這是由于加熱過(guò)程中冷凝壓力隨著水溫的升高而升高，雖然冷凝壓力的升高使蒸發(fā)溫度也會(huì)相應(yīng)地升高，但受環(huán)境溫度的限制蒸發(fā)溫度升高的幅度有限，最終壓縮機(jī)壓比是逐漸升高的。另外功率和壓比都是在蒸發(fā)器出口過(guò)熱度為0 ℃時(shí)升高幅度變大，這也說(shuō)明濕壓縮會(huì)增加系統(tǒng)功率,降低壓縮機(jī)工作性能。

圖6 不同環(huán)境溫度下壓比變化曲線

結(jié)合圖7、8可以看出，壓縮機(jī)的吸氣溫度和排氣溫度均隨著環(huán)境溫度的降低而降低，且二者都與蒸發(fā)器出口過(guò)熱度有關(guān)。

圖7 不同環(huán)境溫度下吸氣溫度變化曲線

圖8 不同環(huán)境溫度下排氣溫度變化曲線

在過(guò)熱度降到0 ℃之前，隨著水箱平均水溫的升高，吸氣溫度在不斷減小，這是由于過(guò)熱度在不斷減小，而蒸發(fā)溫度在不斷上升導(dǎo)致的；過(guò)熱度降到0 ℃以后，壓縮機(jī)吸氣溫度等于蒸發(fā)溫度，而蒸發(fā)溫度隨水箱平均水溫的上升而上升，所以吸氣溫度在此時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)不斷上升。在過(guò)熱度降到0 ℃之前，隨著水箱平均水溫的升高，排氣溫度在不斷增大，但增大的幅度卻在減緩，當(dāng)過(guò)熱度在0 ℃以后排氣溫度下降，下降到冷凝溫度附近后會(huì)隨著冷凝溫度的上升而上升。過(guò)熱度為0℃時(shí)壓縮機(jī)開(kāi)始濕壓縮，可有效降低系統(tǒng)的排氣溫度［13］。

圖9示出了不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)瞬時(shí)能效比COPt的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，瞬時(shí)能效比COPt均隨著水箱平均水溫的上升而降低，環(huán)境溫度越低，相同水溫下的瞬時(shí)能效比COPt也越小。由式（4）可知，瞬時(shí)能效比COPt是與制熱量Qh和功率P密切相關(guān)的。結(jié)合圖2和圖5分析系統(tǒng)的瞬時(shí)能效比COPt可以看出，環(huán)境溫度為22℃時(shí)，系統(tǒng)制熱量從1746.7 W上升到2361.3 W，增大了35.2%，系統(tǒng)功率從509.8 W上升到837.6 W，增大了64.3%，制熱量雖然會(huì)隨著過(guò)熱度的降低而增大，但增大幅度僅為功率的一半，所以COPt最終會(huì)隨著水溫的升高而降低。當(dāng)環(huán)境溫度低于22 ℃時(shí)，系統(tǒng)功率不斷增大，且在運(yùn)行后期過(guò)熱度為0 ℃時(shí)功率增加的幅度變大，制熱量雖在吸氣過(guò)熱時(shí)不斷增大，但在過(guò)熱度為0 ℃時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn)并開(kāi)始下降，瞬時(shí)能效比COPt進(jìn)一步降低，系統(tǒng)的制熱效率會(huì)下降得更加明顯。

圖9 不同環(huán)境溫度下瞬時(shí)能效比變化曲線

圖10 示出了在不同環(huán)境溫度下，將水從22℃加熱到55 ℃時(shí)，加熱時(shí)間t和系統(tǒng)的平均能效比COPa與環(huán)境溫度的關(guān)系。從圖中可以看出，平均能效比COPa隨著環(huán)境溫度的降低而降低，這是由于環(huán)境溫度越低瞬時(shí)能效比COPt越低，整個(gè)加熱過(guò)程中平均能效比COPa也就越小。COPa降低系統(tǒng)制熱效果變差，加熱熱水的時(shí)間延長(zhǎng)，因此系統(tǒng)的加熱時(shí)間隨著環(huán)境溫度的降低而升高。

圖10 加熱時(shí)間和平均能效比隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

（1）系統(tǒng)的制熱量受過(guò)熱度變化的影響，而蒸發(fā)器出口過(guò)熱度的大小與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度越低過(guò)熱度越小。在吸氣過(guò)熱的狀態(tài)下，隨著過(guò)熱度的降低制熱量在不斷增大，當(dāng)過(guò)熱度為0℃時(shí)，制熱量開(kāi)始減小，如能合理控制吸氣飽和時(shí)的狀態(tài),可實(shí)現(xiàn)讓系統(tǒng)在較低環(huán)境下也能獲得較高的制熱量。

（2）系統(tǒng)的功率與壓縮機(jī)壓比有關(guān)，隨著冷凝器入口水溫的升高，冷凝壓力增大，在蒸發(fā)溫度增大幅度不大的情況下，壓比是不斷增大的。同時(shí)環(huán)境溫度越低, 系統(tǒng)的壓比越大、排氣溫度越高、過(guò)熱度越小，壓縮機(jī)更易濕壓縮加劇功率的增長(zhǎng)，但能有效降低排氣溫度。

（3）隨著環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)的平均能效比COPa是逐漸降低的，環(huán)境溫度越低系統(tǒng)制熱效果越差，水溫被加熱到55 ℃的時(shí)間也越長(zhǎng)。

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