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題 目： 空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)性研究
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空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)性研究
J. Zhang, R.Z. Wang*, J.Y. Wu
摘要：
這篇文章主要涉及空氣源熱泵熱水器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASHPWH）的系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算和測(cè)試。該系統(tǒng)包括熱泵、水箱、連接管道。工作原理：冷媒在蒸發(fā)器中吸收空氣的熱量經(jīng)過(guò)朗肯循環(huán)，在冷凝器盤(pán)管中將熱量釋放到儲(chǔ)水箱中的水中，使水溫升高，達(dá)到制熱水的目的。使用回旋式壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)可以將水由初始溫度加熱到設(shè)定溫度（55度）。本文對(duì)毛細(xì)管的長(zhǎng)度、制冷劑的灌裝量、冷凝盤(pán)管的長(zhǎng)度、系統(tǒng)的匹配性進(jìn)行了相應(yīng)的討論。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)性能COP值能夠得到顯著地提高。
關(guān)鍵詞：熱泵、熱水器、冷凝盤(pán)管、灌裝量、系統(tǒng)匹配性、優(yōu)化
1引言
目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上暢銷(xiāo)的熱水器主要是燃?xì)鉄崴?、電熱水器、和太?yáng)能熱水器。作為第四種熱水器，熱泵熱水器最近開(kāi)始出現(xiàn)在市場(chǎng)中。跟前三種熱水器相比熱泵熱水器有幾處優(yōu)點(diǎn)，比如節(jié)能、較低的運(yùn)行費(fèi)用和安全，也正是這些優(yōu)點(diǎn)讓熱泵熱水器在國(guó)內(nèi)熱水器市場(chǎng)上有著不錯(cuò)的前景。以朗肯循環(huán)原理工作的空氣源熱泵熱水器，從低溫?zé)嵩纯諝庵形諢崃浚ㄟ^(guò)冷媒將吸收的熱量和熱機(jī)的消耗功傳遞給高溫?zé)嵩磧?chǔ)水箱。該系統(tǒng)從環(huán)境中吸收的能量大概需要消耗3—4倍甚至4—5倍的電能才能得到。因此，空氣源熱泵熱水器以高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，成為用戶們的首選。
自上世紀(jì)90年代以來(lái)，關(guān)于熱泵熱水器的結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性能、冷媒、操作控制、數(shù)字模擬和經(jīng)濟(jì)分析等方面的研究一直在進(jìn)行。
冷凝器的設(shè)計(jì)有兩大風(fēng)格，翅片型和環(huán)狀、U型。Mei等人對(duì)8個(gè)水箱冷凝器的性能進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)把COP值作為和衡量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)U型管式的冷凝器的性能通常比翅片是要好。系統(tǒng)COP值和熱效率會(huì)隨著循環(huán)數(shù)的增加而提高。[1]
Hiller 從1991年開(kāi)始領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)復(fù)式水箱的加熱系統(tǒng)進(jìn)行研究?；A(chǔ)研究表明超過(guò)60種復(fù)式水箱具有潛在的研究?jī)r(jià)值。不同的管道連接和控制方法可以達(dá)到不同的目的例如，優(yōu)化控制熱水供應(yīng)和功率控制。連續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究表明38種復(fù)式水箱熱水結(jié)構(gòu)的熱效率高于其他結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，在相同容積的情況下，復(fù)式水箱結(jié)構(gòu)的熱損失比單水箱結(jié)構(gòu)要多[2]。Huang和Lin也研究的單水箱結(jié)構(gòu)，容積為100升。結(jié)果顯示水溫由42攝氏度升到52攝氏度需要10—20分鐘，并且年度COP值達(dá)到2.0—3.0，和電熱水器相比節(jié)約了50—70%的能量，并且排水效率高達(dá)0.912.[3]
Hasegawa等人提出了一個(gè)雙級(jí)壓縮級(jí)間加熱熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)，使用R12做冷媒，能將水由10攝氏度一直加熱到60攝氏度。蒸發(fā)器的進(jìn)口溫度和出口水溫分別是12攝氏度和7攝氏度，系統(tǒng)的COP值為3.73[4].Ji等人結(jié)合熱泵熱水器和傳統(tǒng)空調(diào)研制出一種多功能家用型的熱泵。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，并能都在氣候溫和的地區(qū)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間高效率的運(yùn)行。當(dāng)制冷和加熱同時(shí)運(yùn)行時(shí)COP值和EER值的平均水平能夠達(dá)到3.5[5,6]
R12和R22是熱泵熱水器最常用的工作介質(zhì)。但為了保護(hù)臭氧層，R22成了唯一一種仍然被使用傳統(tǒng)冷媒。在一些發(fā)展中國(guó)家例如中國(guó)，R22的使用期限是2040年，現(xiàn)在，R22依舊廣泛的被應(yīng)用。因此，研究R22系統(tǒng)的性能改進(jìn)仍然有一定的意義，同樣也能夠節(jié)約能源。Sloane等人在中間水箱使用肋擾亂管，當(dāng)環(huán)境溫度為24攝氏度，水溫27攝氏度時(shí)，COP值為2.4。Mei等人也是用R22做冷媒進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示當(dāng)水溫為27攝氏度時(shí)，環(huán)境溫度為20攝氏度和27攝氏度時(shí)，COP值分別為4.0和5.0。[7]從文獻(xiàn)中可以看到，使用常規(guī)冷媒，且環(huán)境溫度適中、冷凝溫度不高時(shí)，R22具有很好的熱力性能和效率。然而，當(dāng)系統(tǒng)在高溫區(qū)運(yùn)行時(shí)，例如，50攝氏度以上，且壓縮機(jī)排氣溫度和壓力都很高，尤其在寒冷的冬天。壓縮機(jī)的運(yùn)行環(huán)境會(huì)很糟糕，這也嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全性和可靠性。所以，找到一種新型的具有良好熱力性能的冷媒是十分必要的。
很多研究都旨在提高空氣源熱泵熱水器的效率。Morrison等人[8] 制作出一種評(píng)測(cè)空氣源熱泵熱水器年循環(huán)負(fù)載的方法。Kim[9]等人提出一個(gè)靠熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)的熱水器動(dòng)態(tài)模型。Ding[10]和Yao[11]等人為了讓空氣源熱泵熱水器在冬天能夠更好的工作，在除霜的問(wèn)題上做了很多研究。Fan等人用一個(gè)7500W的熱泵熱水器來(lái)研究它的節(jié)能性?？紤]電能消耗的話，風(fēng)機(jī)和水泵系統(tǒng)的COP值是3.5，如果只考慮壓縮機(jī)，COP值則為4.18[12]。
然而，對(duì)于空氣源熱泵熱水器來(lái)說(shuō)，制造商沒(méi)有商定的參數(shù)，熱泵和水箱的匹配性也不佳，這主要是由于機(jī)器工作環(huán)境、區(qū)域不同，使用者生活習(xí)慣也不一樣，而且是全年運(yùn)行。熱泵熱水器系統(tǒng)包括室外熱泵、水箱以及連接管道組成。一些商家這直接用室外熱泵（空調(diào)室外機(jī)）加上水箱便完成整個(gè)系統(tǒng)的組裝。很明顯，空氣源熱泵熱水器的工作環(huán)境和空調(diào)不一樣?？諝庠礋岜脽崴鞯臒岫藴囟葧?huì)逐漸上升，但是它的冷端溫度會(huì)隨著全年的氣候發(fā)生變化。因此，規(guī)范空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品是十分必要的。
為了提高系統(tǒng)性能（COP）、降低產(chǎn)品成本、優(yōu)化運(yùn)行環(huán)境，應(yīng)該從系統(tǒng)組件著手。除了壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、熱閥、毛細(xì)管和冷媒填充量，水箱和熱泵的匹配對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也很重要。本文研究了空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)優(yōu)化，包括計(jì)算和測(cè)試，以及制冷劑填充量冷凝器盤(pán)管長(zhǎng)度和系統(tǒng)匹配的論述。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，系統(tǒng)COP值得到明顯的提高。我希望它能夠?yàn)榭諝庠礋岜脽崴魑磥?lái)的發(fā)展提出寶貴的建議。
2 空氣源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1，它由溫度和適度控制室、熱泵、水箱、控制系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)組成。同時(shí)，水管進(jìn)口和出口德?tīng)査疁亍h(huán)境溫度、飽和蒸發(fā)溫度、瞬時(shí)功率這些數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)儲(chǔ)存到電腦中?？諝庠礋岜脽崴飨到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)，冷媒在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收空氣的熱量，再被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的氣體后流入冷凝器將熱量放出以加熱水箱中的水，冷媒通過(guò)毛細(xì)管或者膨脹閥后，變成低溫低壓的汽液混合物，其中的低溫液體在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收空氣中的熱量進(jìn)行下一次循環(huán)。在實(shí)驗(yàn)中，溫度控制器控制溫度變化和運(yùn)行模式，當(dāng)水溫到達(dá)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止，如果水溫降到離設(shè)定值一定距離時(shí)，系統(tǒng)又會(huì)重新啟動(dòng)，繼續(xù)加熱直到是水溫升到設(shè)定值。我們?cè)谝粋€(gè)加熱過(guò)程中討論的參數(shù)都是以統(tǒng)一預(yù)設(shè)溫度、最終溫度和混合水箱水溫為前提的，然后以獲得的熱量和消耗的電能來(lái)計(jì)算COP值。
圖1：測(cè)試空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)圖
1 -殼體;2 -換熱器;3 -風(fēng)扇;4 –儲(chǔ)液器;5 –壓縮機(jī); 6 - 過(guò)濾器;7 -閥門(mén);8 -熱力膨脹閥;9 -銅管;10 -外殼;11 -保溫層;12 -內(nèi)槽;13 -盤(pán)管冷凝器;14 - 房間溫度和濕度控制;15 -進(jìn)口水管;16 -循環(huán)水泵;17 -水混合閥;18-三通閥;19 -出口水管;20 -控制器;21 -安培表;22 -計(jì)算機(jī);23 -數(shù)據(jù)審查;24 -數(shù)據(jù)記錄器;25 -熱水箱;26 -循環(huán)水管;A-H -溫度傳感器;I,J -水表
3 空氣源熱泵熱水器冷媒的填充量
在完成熱泵系統(tǒng)的泄露檢查并抽真空后，冷媒應(yīng)該隨時(shí)填充進(jìn)去。本實(shí)驗(yàn)以R22作為工作液，很明顯填充量跟蒸發(fā)器、冷凝器和壓縮機(jī)都有關(guān)系，如果填充數(shù)量太多，壓縮機(jī)的負(fù)荷會(huì)加重，多余的冷媒會(huì)占用冷凝器的部分空間，這樣會(huì)導(dǎo)致熱效率下降。另一方面，如果填充數(shù)量不夠的話，壓縮機(jī)吸氣壓力和排氣壓力會(huì)有所降低，熱量供應(yīng)不足，難以滿足用戶的需求。綜合這兩個(gè)情況，我們會(huì)得出一個(gè)合適的填充量以使系統(tǒng)達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。加之，冬天和夏天氣溫相差很大（例如，上海冬天跟夏天的平均氣溫分別是-10攝氏度和35攝氏度），這也決定了冷媒的填充量也要有所變化。在同樣的工作條件下，夏天可能比冬天需要更多的冷媒。以上這些因素都能影響冷媒的填充量，我們的目標(biāo)就是，以節(jié)能為前提找到最適合的那個(gè)量。
在實(shí)驗(yàn)中，選用一個(gè)750W的熱泵，恒定室溫為25攝氏度，150L水箱，ln冷凝盤(pán)管規(guī)格為Ф9.9×0.75mm，長(zhǎng)60m的冷凝盤(pán)管，水箱初始溫度和最終溫度分別為15攝氏度和55攝氏度，在測(cè)試過(guò)程中，使用數(shù)字冷媒配給流量計(jì)，在其屏幕上我們可以直接讀出冷媒的數(shù)量。為了使壓縮機(jī)保持額定功率，最大電流不應(yīng)該超過(guò)3.8A。在圖2 中，我們可以看到COP值與冷媒填充量的關(guān)系，并且能夠得出最佳填充量為1.5kg.
理論上來(lái)講，熱泵冷媒流量可以根據(jù)熱負(fù)荷和空氣源熱泵熱水器性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)[13],總填充量等于各部分組件之和
這里的MT指總填充量Ma、MP、Me和 Mc分別是儲(chǔ)液器充量、管道充量、蒸發(fā)器充量和冷凝器充量。
圖2： COP值與冷媒填充量關(guān)系曲線圖
表1 是計(jì)算結(jié)果，冬季、夏季、春秋季節(jié)的設(shè)定溫度分別是-5攝氏度、30攝氏度和25攝氏度。
表 1
我們可以看到，隨著季節(jié)的不同，最佳填充量也不一樣，然而為了安全，我們選擇春秋的最佳值，以保證壓縮機(jī)在夏天不會(huì)超載過(guò)多。
4 空氣源熱泵熱水器冷凝盤(pán)管長(zhǎng)度
冷凝器盤(pán)管長(zhǎng)度應(yīng)該匹配壓縮機(jī)類(lèi)型、系統(tǒng)負(fù)載和蒸發(fā)器。如果管道過(guò)短，壓縮機(jī)吸排氣溫度會(huì)略高于額定值，兩一方面，如果管道過(guò)長(zhǎng)，會(huì)浪費(fèi)材料。因此，計(jì)算出合適的冷凝盤(pán)管長(zhǎng)度是很有必要的。
選用750W熱泵、150L水箱、R22作冷媒，如果最終溫度設(shè)定為55攝氏度，計(jì)算過(guò)程如下：
（1） 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)
空氣源熱泵熱水器熱負(fù)荷為3375W，以春秋季節(jié)為例，冷凝溫度為60攝氏度，蒸發(fā)溫度是15攝氏度，過(guò)冷度為5攝氏度，冷凝盤(pán)管規(guī)格為Ф9.9×0.75mm
（2） 換熱面積
由于冷凝器中冷媒的相變，換熱面積分為氣體、汽液混合、液體三個(gè)階段，因此，要分別計(jì)算每一個(gè)部分。水箱溫度分布模型如圖3.忽略銅管的厚度跟熱阻，過(guò)熱區(qū)的和熱水去溫度相同，當(dāng)加熱結(jié)束時(shí)，最終水溫Ts=55攝氏度。冷媒進(jìn)出口溫度和水箱頂?shù)撞粶囟确謩e設(shè)定為T(mén) r,in=80攝氏度，Tr,out=50攝氏度，Tw,top=60攝氏度，Tw,bottom=50攝氏度。通過(guò)計(jì)算，我們得到各部分管道長(zhǎng)度之和的最佳值為47.64m，數(shù)據(jù)如表 2 所示。
圖 3 ：水箱溫度分布模型圖
表 2 ：各部分管道長(zhǎng)度
類(lèi)似的，200L水箱和1125W熱泵系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果是69.9m，這些數(shù)據(jù)和圖4中所示的測(cè)試數(shù)據(jù)很接近。
圖 4：COP值和冷凝管道長(zhǎng)度（a:150L 1HP b:200L 1.5HP）
5 系統(tǒng)匹配性
經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，在變化的環(huán)境下，不同的毛細(xì)管對(duì)熱泵的性能會(huì)有影響。環(huán)境溫度高時(shí)，短而粗硬的毛細(xì)管表現(xiàn)出更好的性能，相反，溫度低時(shí)，細(xì)長(zhǎng)的會(huì)更好。例如，在35攝氏度時(shí)，粗短毛細(xì)管系統(tǒng)性能比細(xì)長(zhǎng)毛細(xì)管高21%；然而，在15攝氏度時(shí)，后者比前者高出3%。
小型家用空氣源熱泵熱水器使用復(fù)式水箱是一個(gè)簡(jiǎn)單、有效和廉價(jià)的選擇。
一方面，通過(guò)電磁閥的開(kāi)閉來(lái)控制的毛細(xì)管，以適應(yīng)工作環(huán)境的變化，另一方面，由于毛細(xì)管比較廉價(jià)，不會(huì)對(duì)總成本造成太大影響。
然而，復(fù)式水箱不能夠滿足更高的要求，因?yàn)槊?xì)管的直徑很長(zhǎng)度確定其壓力差。所以它的能力幾乎是恒定的，只能靠改變冷媒流量來(lái)調(diào)節(jié)水溫。再次基礎(chǔ)上，我們考慮在系統(tǒng)中使用熱膨脹閥，利用蒸發(fā)器出口出冷媒過(guò)熱這一特點(diǎn)來(lái)校準(zhǔn)流量，進(jìn)而取代復(fù)式水箱。
5.1 冷媒流量跟熱膨脹閥開(kāi)啟程度之間的關(guān)系
使用750W熱泵，在室外溫度25攝氏度、150L水箱、60m冷凝盤(pán)管的情況下進(jìn)行測(cè)試，初試和最終水溫分別是15攝氏度和55攝氏度。圖5 顯示了在確定的冷媒填充量的情況下，系統(tǒng)COP值跟熱膨脹閥的開(kāi)啟程度有關(guān)系，而且存在一個(gè)最佳值。換句話說(shuō)，在同樣填充量的情況下，熱膨脹閥的開(kāi)啟程度對(duì)系統(tǒng)影響很大，這一點(diǎn)在試驗(yàn)中應(yīng)該被充分被考慮到。
耦合冷媒跟熱膨脹閥在理論上的相關(guān)性雖然沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，但我們可以得到一些如下的定性結(jié)論：
（1）在一定填充量情況下，如果熱膨脹閥開(kāi)啟程度太大，壓差會(huì)變小，可能會(huì)導(dǎo)致冷媒在冷凝器盤(pán)管中堵塞。如果熱膨脹閥開(kāi)啟程度太小，冷凝器出口溫度太高，會(huì)導(dǎo)致傳熱不足。
（2）在一定開(kāi)放程度情況下，如果填充量太多，冷媒會(huì)積累在冷凝器底部，利用率降低，如果填充量太少，壓縮機(jī)會(huì)處于欠負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
5.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性
在熱泵運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著睡會(huì)溫升高，冷凝器的進(jìn)氣溫度會(huì)稍有上升，出口溫度有所波動(dòng)，這種不穩(wěn)定性表明熱膨脹閥的不穩(wěn)定和壓縮機(jī)由于瞬時(shí)功率不同而產(chǎn)生波動(dòng)，這都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)首次調(diào)整了填充量，進(jìn)而我們看到波動(dòng)減少同時(shí)COP值大大提高。然后改變熱膨脹閥的開(kāi)啟程度，系統(tǒng)COP值達(dá)到最大值。但是，盡管這樣，隨著水溫的提高波動(dòng)是不可避免的。這表明，高溫階段比中文階段和低溫階段需要跟多的冷媒。已給可行的方法是增加一個(gè)儲(chǔ)存器，以滿足壓縮機(jī)的需要。
圖5 不同熱膨脹閥開(kāi)啟程度下COP值和R22填充量的關(guān)系圖
從圖6中可以看到，加一個(gè)儲(chǔ)存器后，冷凝器的波動(dòng)基本消失了。進(jìn)口溫度的穩(wěn)定也會(huì)使壓縮機(jī)輸出功率穩(wěn)定。在測(cè)試中，加入儲(chǔ)存器的方法對(duì)系統(tǒng)很有效。
圖6 ：冷凝器出口溫度和加熱時(shí)間關(guān)系圖
5.3 水箱尺寸跟熱泵性能的關(guān)系
水箱尺寸跟熱泵性能應(yīng)該匹配，如果一個(gè)1500W的熱泵配一個(gè)60L的水箱，水溫會(huì)迅速上升達(dá)到限定值，但這樣會(huì)使成本增加。相反，一個(gè)小型熱泵配一個(gè)大水箱，由于熱流密度太小，加熱速度太慢，不方便家庭使用。從空氣源熱泵熱水器市場(chǎng)得到的可用數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)我們測(cè)試，750W、900W、1125W的熱泵和60L、100L、200L的水箱相匹配，150L和750W、1125W和200L更適合家庭使用。
6 結(jié)論
本篇文章提出了優(yōu)化系統(tǒng)的方法并進(jìn)行驗(yàn)證跟測(cè)試，在表3中表明了對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)（150L、1125W）的明顯改進(jìn)。
（1） 冷媒的填充量在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中起著非常重要的作用，系統(tǒng)不僅與氣候條件相關(guān)而且與熱膨脹閥的開(kāi)啟程度有關(guān)。盡管我們沒(méi)有直接的計(jì)算結(jié)果，但我們得到了一些實(shí)證結(jié)論。未來(lái)的研究可以通過(guò)數(shù)字模擬系統(tǒng)來(lái)獲得填充量跟其他參數(shù)的關(guān)系。
（2） 冷凝盤(pán)管的長(zhǎng)度跟系統(tǒng)合理性相關(guān)，以測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，可以優(yōu)化理論計(jì)算。
（3） 壓縮機(jī)功率波動(dòng)表示系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，加入一個(gè)存儲(chǔ)器時(shí)，冷凝器出口溫度的曲線波動(dòng)減弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。
（4） 家用空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中，水箱跟熱泵應(yīng)該很好的匹配。
表3 空氣源熱泵熱水器在典型工作條件下的COP值
致謝
這部分工作是國(guó)家重點(diǎn)支持的，作者感謝高級(jí)工程師Mr.Xu Yixiong和Mr.Sun Yunkang對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方面的幫助。
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