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題 目： 空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)優(yōu)化和實驗性研究
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空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)優(yōu)化和實驗性研究
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（以下簡稱ASHPWH）的系統(tǒng)優(yōu)化計算和測試。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)過朗肯循環(huán)，在冷凝器盤管中將熱量釋放到儲水箱中的水中，使水溫升高，達到制熱水的目的。使用回旋式壓縮機的熱泵系統(tǒng)可以將水由初始溫度加熱到設(shè)定溫度（55度）。本文對毛細(xì)管的長度、制冷劑的灌裝量、冷凝盤管的長度、系統(tǒng)的匹配性進行了相應(yīng)的討論。根據(jù)實驗結(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、冷凝盤管、灌裝量、系統(tǒng)匹配性、優(yōu)化
1引言
目前國內(nèi)市場上暢銷的熱水器主要是燃?xì)鉄崴?、電熱水器、和太陽能熱水器。作為第四種熱水器，熱泵熱水器最近開始出現(xiàn)在市場中。跟前三種熱水器相比熱泵熱水器有幾處優(yōu)點，比如節(jié)能、較低的運行費用和安全，也正是這些優(yōu)點讓熱泵熱水器在國內(nèi)熱水器市場上有著不錯的前景。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^冷媒將吸收的熱量和熱機的消耗功傳遞給高溫?zé)嵩磧λ?。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，成為用戶們的首選。
自上世紀(jì)90年代以來，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)濟分析等方面的研究一直在進行。
冷凝器的設(shè)計有兩大風(fēng)格，翅片型和環(huán)狀、U型。Mei等人對8個水箱冷凝器的性能進行測試，當(dāng)把COP值作為和衡量標(biāo)準(zhǔn)時，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值和熱效率會隨著循環(huán)數(shù)的增加而提高。[1]
Hiller 從1991年開始領(lǐng)導(dǎo)一個團隊對復(fù)式水箱的加熱系統(tǒng)進行研究。基礎(chǔ)研究表明超過60種復(fù)式水箱具有潛在的研究價值。不同的管道連接和控制方法可以達到不同的目的例如，優(yōu)化控制熱水供應(yīng)和功率控制。連續(xù)的實驗研究表明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0.912.[3]
Hasegawa等人提出了一個雙級壓縮級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)實現(xiàn)長時間高效率的運行。當(dāng)制冷和加熱同時運行時COP值和EER值的平均水平能夠達到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)展中國家例如中國，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，COP值為2.4。Mei等人也是用R22做冷媒進行試驗，結(jié)果顯示當(dāng)水溫為27攝氏度時，環(huán)境溫度為20攝氏度和27攝氏度時，COP值分別為4.0和5.0。[7]從文獻中可以看到，使用常規(guī)冷媒，且環(huán)境溫度適中、冷凝溫度不高時，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)運行時，例如，50攝氏度以上，且壓縮機排氣溫度和壓力都很高，尤其在寒冷的冬天。壓縮機的運行環(huán)境會很糟糕，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] 制作出一種評測空氣源熱泵熱水器年循環(huán)負(fù)載的方法。Kim[9]等人提出一個靠熱泵運轉(zhuǎn)的熱水器動態(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，在除霜的問題上做了很多研究。Fan等人用一個7500W的熱泵熱水器來研究它的節(jié)能性?？紤]電能消耗的話，風(fēng)機和水泵系統(tǒng)的COP值是3.5，如果只考慮壓縮機，COP值則為4.18[12]。
然而，對于空氣源熱泵熱水器來說，制造商沒有商定的參數(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）加上水箱便完成整個系統(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饾u上升，但是它的冷端溫度會隨著全年的氣候發(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)化運行環(huán)境，應(yīng)該從系統(tǒng)組件著手。除了壓縮機、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系統(tǒng)來說也很重要。本文研究了空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)優(yōu)化，包括計算和測試，以及制冷劑填充量冷凝器盤管長度和系統(tǒng)匹配的論述。由實驗結(jié)果可以看出，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，系統(tǒng)COP值得到明顯的提高。我希望它能夠為空氣源熱泵熱水器未來的發(fā)展提出寶貴的建議。
2 空氣源熱泵熱水器實驗系統(tǒng)
空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)如圖1，它由溫度和適度控制室、熱泵、水箱、控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成。同時，水管進口和出口德爾水溫、環(huán)境溫度、飽和蒸發(fā)溫度、瞬時功率這些數(shù)據(jù)會自動儲存到電腦中?？諝庠礋岜脽崴飨到y(tǒng)運行時，冷媒在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收空氣的熱量，再被壓縮機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行下一次循環(huán)。在實驗中，溫度控制器控制溫度變化和運行模式，當(dāng)水溫到達設(shè)定值時，系統(tǒng)會自動停止，如果水溫降到離設(shè)定值一定距離時，系統(tǒng)又會重新啟動，繼續(xù)加熱直到是水溫升到設(shè)定值。我們在一個加熱過程中討論的參數(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計算COP值。
圖1：測試空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能實驗圖
1 -殼體;2 -換熱器;3 -風(fēng)扇;4 –儲液器;5 –壓縮機; 6 - 過濾器;7 -閥門;8 -熱力膨脹閥;9 -銅管;10 -外殼;11 -保溫層;12 -內(nèi)槽;13 -盤管冷凝器;14 - 房間溫度和濕度控制;15 -進口水管;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 -計算機;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)該隨時填充進去。本實驗以R22作為工作液，很明顯填充量跟蒸發(fā)器、冷凝器和壓縮機都有關(guān)系，如果填充數(shù)量太多，壓縮機的負(fù)荷會加重，多余的冷媒會占用冷凝器的部分空間，這樣會導(dǎo)致熱效率下降。另一方面，如果填充數(shù)量不夠的話，壓縮機吸氣壓力和排氣壓力會有所降低，熱量供應(yīng)不足，難以滿足用戶的需求。綜合這兩個情況，我們會得出一個合適的填充量以使系統(tǒng)達到最佳的工作狀態(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量。
在實驗中，選用一個750W的熱泵，恒定室溫為25攝氏度，150L水箱，ln冷凝盤管規(guī)格為Ф9.9×0.75mm，長60m的冷凝盤管，水箱初始溫度和最終溫度分別為15攝氏度和55攝氏度，在測試過程中，使用數(shù)字冷媒配給流量計，在其屏幕上我們可以直接讀出冷媒的數(shù)量。為了使壓縮機保持額定功率，最大電流不應(yīng)該超過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)進行計算。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，以保證壓縮機在夏天不會超載過多。
4 空氣源熱泵熱水器冷凝盤管長度
冷凝器盤管長度應(yīng)該匹配壓縮機類型、系統(tǒng)負(fù)載和蒸發(fā)器。如果管道過短，壓縮機吸排氣溫度會略高于額定值，兩一方面，如果管道過長，會浪費材料。因此，計算出合適的冷凝盤管長度是很有必要的。
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，計算過程如下：
（1） 系統(tǒng)運行參數(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，過冷度為5攝氏度，冷凝盤管規(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、液體三個階段，因此，要分別計算每一個部分。水箱溫度分布模型如圖3.忽略銅管的厚度跟熱阻，過熱區(qū)的和熱水去溫度相同，當(dāng)加熱結(jié)束時，最終水溫Ts=55攝氏度。冷媒進出口溫度和水箱頂?shù)撞粶囟确謩e設(shè)定為T r,in=80攝氏度，Tr,out=50攝氏度，Tw,top=60攝氏度，Tw,bottom=50攝氏度。通過計算，我們得到各部分管道長度之和的最佳值為47.64m，數(shù)據(jù)如表 2 所示。
圖 3 ：水箱溫度分布模型圖
表 2 ：各部分管道長度
類似的，200L水箱和1125W熱泵系統(tǒng)的計算結(jié)果是69.9m，這些數(shù)據(jù)和圖4中所示的測試數(shù)據(jù)很接近。
圖 4：COP值和冷凝管道長度（a:150L 1HP b:200L 1.5HP）
5 系統(tǒng)匹配性
經(jīng)過測試可知，在變化的環(huán)境下，不同的毛細(xì)管對熱泵的性能會有影響。環(huán)境溫度高時，短而粗硬的毛細(xì)管表現(xiàn)出更好的性能，相反，溫度低時，細(xì)長的會更好。例如，在35攝氏度時，粗短毛細(xì)管系統(tǒng)性能比細(xì)長毛細(xì)管高21%；然而，在15攝氏度時，后者比前者高出3%。
小型家用空氣源熱泵熱水器使用復(fù)式水箱是一個簡單、有效和廉價的選擇。
一方面，通過電磁閥的開閉來控制的毛細(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，不會對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，因為毛細(xì)管的直徑很長度確定其壓力差。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)器出口出冷媒過熱這一特點來校準(zhǔn)流量，進而取代復(fù)式水箱。
5.1 冷媒流量跟熱膨脹閥開啟程度之間的關(guān)系
使用750W熱泵，在室外溫度25攝氏度、150L水箱、60m冷凝盤管的情況下進行測試，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值跟熱膨脹閥的開啟程度有關(guān)系，而且存在一個最佳值。換句話說，在同樣填充量的情況下，熱膨脹閥的開啟程度對系統(tǒng)影響很大，這一點在試驗中應(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，如果熱膨脹閥開啟程度太大，壓差會變小，可能會導(dǎo)致冷媒在冷凝器盤管中堵塞。如果熱膨脹閥開啟程度太小，冷凝器出口溫度太高，會導(dǎo)致傳熱不足。
（2）在一定開放程度情況下，如果填充量太多，冷媒會積累在冷凝器底部，利用率降低，如果填充量太少，壓縮機會處于欠負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。
5.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性
在熱泵運行過程中發(fā)現(xiàn)，隨著睡會溫升高，冷凝器的進氣溫度會稍有上升，出口溫度有所波動，這種不穩(wěn)定性表明熱膨脹閥的不穩(wěn)定和壓縮機由于瞬時功率不同而產(chǎn)生波動，這都會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了解決這個問題，系統(tǒng)首次調(diào)整了填充量，進而我們看到波動減少同時COP值大大提高。然后改變熱膨脹閥的開啟程度，系統(tǒng)COP值達到最大值。但是，盡管這樣，隨著水溫的提高波動是不可避免的。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儲存器，以滿足壓縮機的需要。
圖5 不同熱膨脹閥開啟程度下COP值和R22填充量的關(guān)系圖
從圖6中可以看到，加一個儲存器后，冷凝器的波動基本消失了。進口溫度的穩(wěn)定也會使壓縮機輸出功率穩(wěn)定。在測試中，加入儲存器的方法對系統(tǒng)很有效。
圖6 ：冷凝器出口溫度和加熱時間關(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1500W的熱泵配一個60L的水箱，水溫會迅速上升達到限定值，但這樣會使成本增加。相反，一個小型熱泵配一個大水箱，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得到的可用數(shù)據(jù)，經(jīng)過我們測試，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)的方法并進行驗證跟測試，在表3中表明了對現(xiàn)有系統(tǒng)（150L、1125W）的明顯改進。
（1） 冷媒的填充量在系統(tǒng)運行過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啟程度有關(guān)。盡管我們沒有直接的計算結(jié)果，但我們得到了一些實證結(jié)論。未來的研究可以通過數(shù)字模擬系統(tǒng)來獲得填充量跟其他參數(shù)的關(guān)系。
（2） 冷凝盤管的長度跟系統(tǒng)合理性相關(guān)，以測試結(jié)果為基礎(chǔ)，可以優(yōu)化理論計算。
（3） 壓縮機功率波動表示系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，加入一個存儲器時，冷凝器出口溫度的曲線波動減弱，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
這部分工作是國家重點支持的，作者感謝高級工程師Mr.Xu Yixiong和Mr.Sun Yunkang對實驗系統(tǒng)方面的幫助。
參考文獻
[1] B.D. Sloane, R.C. Krise, D.D. Kent, Energy Utilization Systems,Inc., Demonstration of a heat pump water heater, A subcontractedreport, ORNL/Sub-7321/3, December, 1979.
[2] Carl C. Hiller, Dual-tank water-heating system options, ASHTAETranscations 102 Part 1 (1996) 1028–1037.
[3] B.J. Huang, F.H. Lin, Compact and fast temperature-response heatpump water heater, American Society of Mechanical Engineers(Paper) 97-AA-26 (1997) 4.
[4] Hiroml Hasegawa et al., Development of two-stage compression andcascade heating heat pump system for hot water supply, ASHRAETransactions 102 (1) (1996) 248–256.
[5] J. Ji et al., Performance simulation and experiment of an airconditioner incorporated with a water heater in cooling and hotwater supply, Heating Ventilating and Air Conditioning 33 (2) (2003)19–23.
[6] Jie Ji et al., Performance of multi-function domestic heat-pumpsystem, Applied Thermal Energy 80 (2005) 307–326.
[7] Vince C. Mei et al., A study of a natural convection immersedcondenser heat pump water heater, ASHRAE Transactions 109 Part2 (2003) 3–8.
[8] G.L. Morrison, T. Anderson, M. Behnia, Seasonal performancerating of heat pump water heaters, Solar Energy 76 (2004) 147–152.
[9] Minsung Kim, Min Soo Kim, Jae Dong Chung, Transient thermal behavior of a water heater system driven by a heater pump,International Journal of Refrigeration 27 (2004) 415–421.
[10] Yanjun Ding, Qinhu Chai, Guoyuan Ma, Yi Jiang, Experimentalstudy of an improved air source heat pump, Energy Conversion and Management 45 (2004) 2393–2403.
[11] Yang Yao, Yiqiang Jiang, Shiming Deng, Zuiliang Ma, International Journal of Energy Research 47 (2004) 3745–3756.
[12] Y.Y. Fan, Experimental study on a heat pump technology in solar thermal utilization, Acta Energiae Solaris Sinica 23 (5) (2002) 580–585.
[13] Y.H. Kuang, R.Z. Wang, L.Q. Yu, Experimental study on solar assisted heat pump system for heat supply, Energy Conversion and Management 44 (7) (2003) 1089–1098.