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空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究
文獻(xiàn)翻譯
題 目 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化
及實(shí)驗(yàn)研究
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究
摘要：本文論述了空氣源熱泵熱水器（ASHPWH）系統(tǒng)優(yōu)化，包括其計(jì)算和測(cè)試。該系統(tǒng)由熱泵機(jī)組，水箱和連接管組成?？諝饽芡ㄟ^逆卡諾循環(huán)在蒸發(fā)器中被吸收進(jìn)入存儲(chǔ)罐。盤管/冷凝器將冷凝制冷劑的熱水側(cè)?？諝庠礋岜脽崴魇褂寐菪绞綁嚎s機(jī)把水從初始溫度加熱到設(shè)定溫度（55 C）。毛細(xì)管長(zhǎng)度，制冷劑的填充量，冷凝器盤管長(zhǎng)度和系統(tǒng)匹配的問題便由此進(jìn)行論述。從測(cè)試的結(jié)果可以看出，系統(tǒng)性能系數(shù)可明顯改善。
關(guān)鍵詞：熱泵；熱水器；冷凝盤管；充注量；系統(tǒng)匹配；優(yōu)化
1. 引言
目前國(guó)內(nèi)家用熱水器市場(chǎng)的主要產(chǎn)品為燃?xì)鉄崴鳎℅WH)、電熱水器（EWH)和太陽(yáng)熱水器(SWH）,而熱泵熱水器作為熱水器的第四種，最近在市場(chǎng)上出現(xiàn)。相比三成型機(jī)，熱泵熱水器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用低，使用安全，這一切使其在家用熱水方面有非常廣闊的應(yīng)用前景。
空氣源熱泵熱水器（ASHPWH），基于對(duì)朗肯循環(huán)的原理，吸收在較低的溫度下空氣的熱量，通過熱機(jī)的工作，吸收的熱量和熱能的消耗被轉(zhuǎn)移到水箱–較高溫度的熱源。該系統(tǒng)從環(huán)境中得到能量，可能是電力總消耗的3-4倍。然而，卻貢獻(xiàn)了4–5倍的電能。因此，空氣源熱泵熱水器由于其獨(dú)特的高效節(jié)能而成為用戶的首選。
20世紀(jì)50年代以來，學(xué)者對(duì)熱泵熱水器包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，熱力學(xué)，工作流體，運(yùn)行控制，數(shù)值模擬和經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)行了研究。
冷凝器在環(huán)狀流和U型管設(shè)計(jì)方面經(jīng)歷了兩個(gè)階段梅等人對(duì)冷凝器在水箱進(jìn)行了8次性能測(cè)試。當(dāng)考慮COP用平均水溫計(jì)算時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，U型管系統(tǒng)的性能通常是比這卡口式冷凝器系統(tǒng)更好的。系統(tǒng)COP和產(chǎn)熱增加率環(huán)數(shù)的增加而增加[ 1 ]。
從1991年起，關(guān)于冷凝器引起了一系列雙罐熱水系統(tǒng)的研究。初步研究表明，超過60種雙罐有潛在的研究?jī)r(jià)值。通過不同的管道的連接方式和控制策略可以實(shí)現(xiàn)如熱水供應(yīng)的控制和優(yōu)化功率控制的目標(biāo)。連續(xù)試驗(yàn)表明，38種雙罐熱水系統(tǒng)效率高于其他結(jié)構(gòu)的熱泵熱水器。雙罐熱水系統(tǒng)比同體積[ 2 ]單罐系統(tǒng)熱損失較多。黃林還研究了雙水箱熱泵熱水器。水箱體積為100 L.。結(jié)果表明，把水從42 C加熱到至52 C 需要10–20分鐘，和所有的COP能夠達(dá)到2–3。與電熱水器相比，該節(jié)能率為50–70%，熱水排放效率是0.912 [ 3 ]。
Hasegawa等提出了一種雙級(jí)壓縮聯(lián)加熱熱泵供熱水系統(tǒng)。以R12為例，它可以把水水從10 C直接加熱到60 C.進(jìn)出蒸發(fā)器出水溫度分別為12 C和7 C，系統(tǒng)的COP為3.73 [ 4 ]。姬等人結(jié)合熱泵熱水器與普通空調(diào)，實(shí)現(xiàn)了一種多功能家用熱泵(MDHP)。該裝置在氣候溫和的地區(qū)可以實(shí)現(xiàn)多功能和長(zhǎng)時(shí)間的高效率操作。當(dāng)制冷和加熱的同時(shí)運(yùn)行，COP和能效比平均可達(dá)3.5 [ 5,6 ]。
R12，R22是熱泵熱水器最常用的工作流體。隨著臭氧層的保護(hù)方案，R22成為唯一還在使用傳統(tǒng)的流體。在像中國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家，R22的截止使用日期為2040年。直到現(xiàn)在，它仍被廣泛使用。因此對(duì)R22系統(tǒng)性能研究做某種意義上改進(jìn)仍然很有價(jià)值，這也是一種儲(chǔ)蓄能源的手段。斯隆等人在水箱中部采用肋輥管，環(huán)境溫度為24C，水溫度為27 C，COP為2.4。梅等人也采用R22為制冷劑，結(jié)果是當(dāng)水的溫度時(shí)27 C，環(huán)境溫度20 C和27 C ，COP分別為4和4.5[ 7 ]。從文獻(xiàn)使用常規(guī)的工作流體，可以看到，當(dāng)環(huán)境溫度適中,冷凝溫度不高，R22可以獲得良好的熱力學(xué)性能和效率。不過，當(dāng)系統(tǒng)在高溫區(qū)運(yùn)行，例如，50C以上 ，壓縮機(jī)的排氣溫度和壓力都是很高的，尤其是在寒冷的冬天。壓縮機(jī)的工作條件比普通空調(diào)熱泵惡劣，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此尋找新的高性能液是當(dāng)務(wù)之急。
為使空氣源熱泵熱水器有效運(yùn)行，已經(jīng)進(jìn)行了許多相關(guān)的研究。墨里森等人[ 8 ]闡述了一種空氣源熱泵熱水器年度負(fù)荷周期評(píng)價(jià)方法?；返热薣 9 ]提出了一個(gè)熱泵熱水器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。Ding等人[ 10 ]和姚明等人[ 11 ]在除霜方面做了大量的研究用以提高空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)在冬天的工作。范等使用7500 W熱泵熱水器來研究其節(jié)能特性?？紤]風(fēng)機(jī)和水泵消耗功率，系統(tǒng)COP為3.3。只要考慮壓縮機(jī)，COP便變成了4.18 [ 12 ]。
然而，就目前空氣源熱泵熱水器而言制造商沒有約定匹配熱水泵和水箱的參數(shù)，主要是由于不同的工作條件包括地區(qū)，生活習(xí)慣和是否全年運(yùn)行有關(guān)。熱泵熱水器系統(tǒng)由分戶式熱泵，水箱和管道等連接而成。一些制造商使用空調(diào)熱泵（室外機(jī)）直接，并用添加水箱來完善系統(tǒng)。顯然，空氣源熱泵熱水器工作條件隨空調(diào)器不同而改變?？諝庠礋岜脽崴鞯臒岫藴囟葷u漸地上升，但其冷卻器側(cè)是根據(jù)四季環(huán)境不斷變化的。因此，有必要規(guī)范空氣源熱泵熱水器的產(chǎn)品。
為了提高系統(tǒng)性能、降低產(chǎn)品成本、優(yōu)化運(yùn)行工況，應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)組成部件人手進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、熱力膨脹閥之外，充注量、水箱容量與機(jī)組的匹配也相當(dāng)重要。本文對(duì)現(xiàn)有空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)部件提出優(yōu)化并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。分別對(duì)充注量、冷凝盤管長(zhǎng)度以及系統(tǒng)匹配問題加以討論，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見，其系統(tǒng)性能∞P和經(jīng)濟(jì)性有顯著提高，希望對(duì)熱泵熱水器今后的發(fā)展提供一些有價(jià)值的參考意見。
2熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成
空氣源熱泵熱水器測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。它是由溫度和濕度控制室，熱泵，水箱，控制系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)所組成。一個(gè)數(shù)據(jù)記錄器（Keithley 2700）和PC機(jī)是用來記錄水箱中的水溫。同時(shí)，在進(jìn)口和出口處的水管溫度，環(huán)境溫度，飽和蒸發(fā)溫度，和瞬態(tài)輸入電功率作為文件自動(dòng)存儲(chǔ)在電腦中。
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，液體工質(zhì)從空氣中吸熱，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，然后經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的蒸氣，高壓蒸氣在冷凝器放熱而凝結(jié)成液體從而加熱水箱中的水，高壓高溫的液體經(jīng)過毛細(xì)管或熱力膨脹閥節(jié)流后成為低溫低壓的氣液混合物，重新進(jìn)入蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)從而完成一個(gè)循環(huán)。實(shí)驗(yàn)中由控制器設(shè)定啟／停機(jī)溫度和運(yùn)行模式，水溫升至設(shè)定溫度后自動(dòng)停機(jī)，水溫降到一定溫度時(shí)，則開機(jī)進(jìn)行補(bǔ)溫。本實(shí)驗(yàn)僅討論一個(gè)加熱過程中的參數(shù)變化情況，在加熱開始前和結(jié)束后開啟循環(huán)水泵，將水?dāng)噭蚝蟮玫匠跏己徒K了水溫，在此基礎(chǔ)上根據(jù)得熱量與耗電量的比值算出COP.
1．殼體；2．翅片管式換熱器；3．軸流風(fēng)扇；4．氣液分離器；5．壓
縮機(jī)；6．干燥過濾器；7．閥門；8．熱力膨脹閥；9．銅管；10．殼
體；11．保溫層；12．內(nèi)筒；13．盤管式冷凝器；14．恒溫室；15．進(jìn)
水管；16．循環(huán)水泵；17．混水閥；18．三通閥；19．出水管；20．控
制器；21．電表；22．計(jì)算機(jī)；23墩據(jù)監(jiān)視；24．?dāng)?shù)據(jù)采集器；
25．保溫水箱；26．循環(huán)求符；A～H．深度傳感器；l、J．水表
圖1實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)不意圖
3.空氣源熱泵熱水器的制冷劑充注量
在對(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了打壓檢漏、抽真空后，就要加入熱泵工質(zhì)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使用R22作為工質(zhì)。顯然，填充量與蒸發(fā)器，冷凝器和壓縮機(jī)有關(guān)。如果，熱泵工質(zhì)充注量過多，則壓縮機(jī)負(fù)載加重，并且過量的熱泵工質(zhì)會(huì)占去冷凝器的一部分面積，使制熱效率下降；另一方面，若充注量過少，則壓縮機(jī)進(jìn)、回氣壓力偏低，熱流密度變小，難以滿足其額定的制熱量。這兩種情況均不能使熱泵設(shè)備達(dá)到理想的工作狀態(tài)。另外，冬、夏季的環(huán)境溫度不同（例如，上海10-35C），熱泵工質(zhì)流量不同，系統(tǒng)性能及最佳充注量亦不同，一般來說，夏季相對(duì)需求量多，冬季需求量少一些。這些都是熱泵工質(zhì)充注量難以確定的影響因素。我們的目標(biāo)就是找到可能到最節(jié)能的方式。
在實(shí)驗(yàn)中，選擇一個(gè)750 W的熱泵，25C恒定室溫， 約150升的水箱和60米的b9.9·0.75毫米的冷凝盤管進(jìn)行測(cè)試。水罐中的初始和終了溫度分別15C和55 C。在測(cè)試中，我們選擇電子氟利昂定量流量計(jì)，制冷量可由其液晶屏幕，直接讀出。在為了保持壓縮機(jī)最大額定功率，圖2中的電流不應(yīng)超過3.8 A，我們可以看到COP曲線與制冷劑充注量，最大的COP是制冷劑在灌漿達(dá)到1.5公斤時(shí)。
理論上講，在一個(gè)750 W在熱泵中，制冷劑流量可以根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算空氣源熱泵熱水器性能參數(shù)。根據(jù)[ 13 ]，總填注量等于各組件相加。
即：mT =ma t mP t me t mc
在實(shí)驗(yàn)中，mT代表總充注量，ma ，mP ，me和 mc分別代表蓄能器充注量，液管充注量，蒸發(fā)器充注量和冷凝器充注量。
表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在冬季，夏季和春季/秋季工作環(huán)境溫度分別為5 C，30 C和25 C.可以看出，最佳填充量隨氣候變化有很大的不同。然而，為了安全，我們選擇的春天或夏天的一個(gè)來保證壓縮機(jī)不會(huì)在夏天承載太多的負(fù)荷。
4. 冷凝盤管長(zhǎng)度
冷凝盤管的長(zhǎng)度應(yīng)和壓縮機(jī)型號(hào)、系統(tǒng)的負(fù)荷、蒸發(fā)器面積相匹配。冷凝盤管長(zhǎng)度過短則容易造成壓縮機(jī)吸、排氣溫度較高而過載，壓縮機(jī)壽命縮短；太長(zhǎng)則有相當(dāng)一部分長(zhǎng)度沒有被利用而造成浪費(fèi)。因此，計(jì)算一個(gè)合理的長(zhǎng)度是冷凝器設(shè)計(jì)的當(dāng)務(wù)之急。
本文以150L水箱的750W熱泵外機(jī)為例，計(jì)算了以R22作為熱泵工質(zhì)，熱水設(shè)定溫度為55℃時(shí)熱泵系統(tǒng)所需的冷凝盤管長(zhǎng)度。計(jì)算過程如下：
（1）系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)
熱泵系統(tǒng)冷凝負(fù)荷為3375w，以春秋季為例，冷凝溫度60℃，蒸發(fā)溫度15℃，過冷度／過熱度5℃，材料取婦．9×O．75mm的紫銅盤管為傳熱管。
（2）換熱面積
由于熱泵工質(zhì)在冷凝器內(nèi)的相變過程，換熱區(qū)分為氣體、兩相和液體區(qū)。因此，每一部分應(yīng)該分開計(jì)算。該部分水箱的物理溫度模型劃分如圖3所示。
忽略銅管厚度和熱電阻，過熱部分的平均溫度與熱水溫度相同，在加熱熱水溫度TS =55 C。設(shè)置冷劑入口/出口溫度和頂端/底水箱溫度，在 入口溫度 = 80，TR出口溫度= 50 C，TW頂部 = 60C ，TW.底部= 50 TW， 通過計(jì)算，得出各管段部分長(zhǎng)度，這累計(jì)總長(zhǎng)度=47.64米，如表2所示
將相同的方法用于200L水箱、1125w的機(jī)組，理論計(jì)算管長(zhǎng)為69．9m，這些數(shù)值與圖4中的實(shí)驗(yàn)值較接近。
5.系統(tǒng)匹配問題
通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用不同的毛細(xì)管，熱泵系統(tǒng)在各種環(huán)境下的性能差別較大。環(huán)境溫度較高時(shí)，粗而短的毛細(xì)管性能更好；環(huán)境溫度較低時(shí)，細(xì)而長(zhǎng)的毛細(xì)管性能更好。在35℃的環(huán)境溫度下，短毛細(xì)管系統(tǒng)性能比長(zhǎng)毛細(xì)管性能高21％，而在15℃時(shí)，長(zhǎng)毛細(xì)管系統(tǒng)性能比短毛細(xì)管高3％。
小型家用熱泵熱水器采用雙毛細(xì)管是一個(gè)簡(jiǎn)單、有效、便宜的改進(jìn)方法。一方面，由電磁閥的開啟，閉合選擇合適的毛細(xì)管，可以適應(yīng)高／低溫工況；另一方面，因毛細(xì)管的價(jià)格低廉，成本不會(huì)受很大影響.
但即使是雙毛細(xì)管，其中某一根的內(nèi)徑和長(zhǎng)度是不變的，所以其前后壓差也不會(huì)隨水溫而改變很大，即同一根毛細(xì)管的制冷能力在運(yùn)行中幾乎不變。但是熱泵熱水器的熱水～側(cè)是不斷升溫的，這就需要工質(zhì)流量隨之變大，以滿足制熱量需求，因此我們考慮用熱力膨脹閥代替雙毛細(xì)管，利用蒸發(fā)器出口的過熱度調(diào)節(jié)制冷劑流量。
5．1充注量與熱力膨脹閥開度
實(shí)驗(yàn)仍采用750w的熱泵主機(jī)，恒溫室環(huán)境溫度為25℃，采用150L水箱內(nèi)置60m冷凝盤管，水箱中水的初始和終了溫度分別為15和55℃。圖5所示，在某一充注量下，不同開度的系統(tǒng)∞P不同；其中，存在一個(gè)最佳開度∞P。也就是說，充注量一定的情況下，膨脹閥的開度對(duì)系統(tǒng)cDP影響很大。本文以不同開度的最高∞P點(diǎn)說明情況，研究中仍存在一個(gè)膨脹閥開度對(duì)系統(tǒng)COP優(yōu)化的問題，有待大量、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步輔以論證。
圖5：COP與R22充注量和熱力膨脹閥的開度
我們發(fā)現(xiàn)充注量和熱力膨脹閥開啟度有一些耦合的關(guān)系。雖然還沒有找到相關(guān)的理論，但我們可以得到一些定性結(jié)論如下：
（1）一定的充注量下，熱力膨脹閥開度過大，壓差小，但是容易引起冷凝盤管末端積液；熱力膨脹閥開度過小，則冷凝器出口溫度高，換熱不充分；
（2）一定的開度下，充注量過多，工質(zhì)聚積在冷凝器底部，沒有發(fā)揮作用；充注量過少，則壓縮機(jī)不在全負(fù)荷下運(yùn)行。
5.2系統(tǒng)的穩(wěn)定性
在熱泵運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)冷凝器進(jìn)口溫度平緩上升，但是出口溫度隨著水溫的升高，逐漸呈現(xiàn)小幅振蕩的趨勢(shì)。這種不穩(wěn)定導(dǎo)致了熱力膨脹閥進(jìn)氣的不穩(wěn)定，使得壓縮機(jī)瞬時(shí)功率上下波動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。
為了解決這個(gè)問題，首先將系統(tǒng)調(diào)整到合適的充注量，此時(shí)振蕩幅度明顯減小，coP也有顯著提高；然后調(diào)節(jié)熱力膨脹閥開度，使系統(tǒng)整體∞P達(dá)到最佳值。然而無論怎樣調(diào)節(jié)閥門開度，加熱到高溫區(qū)后，最終仍會(huì)出現(xiàn)振蕩區(qū)域，說明高溫區(qū)所需的充注量大于中、低溫區(qū)，但是由于吸氣不足，高溫區(qū)運(yùn)行的壓縮機(jī)工作不穩(wěn)定，功率波動(dòng)，影響運(yùn)行性能。比較好的解決方法是增加一個(gè)儲(chǔ)液器，保證壓縮機(jī)的供液。
由圖6中曲線看出，增加儲(chǔ)液器后，冷凝器出口溫度振蕩基本被消除，由于吸氣溫度穩(wěn)定，壓縮機(jī)的功率平穩(wěn)；實(shí)驗(yàn)中儲(chǔ)液器起到了穩(wěn)定系統(tǒng)的作用，效果是明顯的。
圖6冷凝器出口溫度
5.3水箱尺寸和熱泵性能之間的關(guān)系
水箱容積的大小與機(jī)組尤其是壓縮機(jī)要匹配，大壓縮機(jī)帶小水箱，如一個(gè)1500瓦壓縮機(jī)機(jī)結(jié)合一個(gè)60升的水箱，雖然升溫很快，較短時(shí)間就能達(dá)到設(shè)定溫度，但會(huì)造成資源浪費(fèi)；小壓縮機(jī)帶大水箱，則熱流密度太小，加熱速率慢，家庭使用很不方便。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，就現(xiàn)有的750 W，900 W，1125 W和60、100、150、200L水箱而言，750W機(jī)配150L，1125W配200L水箱較適合日常生活用水所需。
6.結(jié)果與討論
本文討論的是優(yōu)化計(jì)算空氣源熱泵熱水器（ASHPWH）和相應(yīng)的測(cè)試?，F(xiàn)有的系統(tǒng)（150升，1125 W），如表3其改善是明顯的。
1)充注量在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中起重要作用。它不僅與運(yùn)行的氣候條件有關(guān)，還和膨脹閥的開度有耦合關(guān)系。雖然不易直接計(jì)算得出，但能得出一些經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)論。今后的研究中，可以考慮用一些數(shù)學(xué)方法進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別，以便找出充注量和其他參數(shù)的關(guān)系；
2)冷凝器盤管的長(zhǎng)度關(guān)系到熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性與經(jīng)濟(jì)性，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，可以對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化；
3)壓縮機(jī)功率的波動(dòng)顯示了系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，加裝了儲(chǔ)液器后，冷凝器出口溫度曲線波動(dòng)明顯變小，穩(wěn)定性有明顯提高；
4)家庭用空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中，應(yīng)注意水箱容積與壓縮機(jī)匹配的合理性。
表3 典型工作條件下系統(tǒng)的COP
2. 鳴謝
這項(xiàng)工作的一部分是由國(guó)家重點(diǎn)支持的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，合同號(hào)G2000026309。作者感謝高級(jí)工程師徐先生和孫先生運(yùn)康雄對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的幫助。
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