空氣源熱泵熱水器的優(yōu)化策略及性能分析

1、空氣源熱泵熱水器的優(yōu)化策略及性能分析摘要：隨著人民生活水平的提高，空氣源熱泵熱水器得到了廣泛的應(yīng)用，然而 在使用的過程當(dāng)中，空氣源熱泵熱水器本身的設(shè)計(jì)缺陷突顯了出來。本文根據(jù)空 氣源熱泵熱水器的技術(shù)原理，并提出了幾點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議，以期改進(jìn)空氣源熱 泵熱水器的熱系統(tǒng)，減少能耗，提高使用性能。關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；熱水器；性能優(yōu)化1空氣源熱泵熱水器的工作原理與運(yùn)行特性1.1工作原理空氣源熱泵熱水器是創(chuàng)新一代的熱水設(shè)備，是一種高效集熱并轉(zhuǎn)移熱量的裝 置，由壓縮機(jī)、電子膨脹閥、干燥過濾器、四通閥、蒸發(fā)器等部件組成。空氣源 熱泵熱水器成功地運(yùn)用了逆卡諾原理。壓縮機(jī)從蒸發(fā)器中吸入低溫低壓氣體制冷 劑，通過

2、做功將制冷劑壓縮成高溫高壓氣體；高溫高壓氣體進(jìn)入冷凝器，在冷凝 器中被冷凝成低溫液體而釋放出大量的熱量；水吸收高溫高壓氣體冷凝過程中釋 放出的熱量，溫度不斷上升。1.2運(yùn)行特性從空氣源熱泵熱水器提供熱量方面分析，它的制熱量隨著制冷劑流量的增大 而增大，整個(gè)系統(tǒng)的輸入功率逐漸增大，同時(shí)，使得制冷系數(shù)先增大后減小。通 過空氣源熱泵熱水器的這一制冷特性，可知，制冷劑的充注量并不是越大越好， 而是存在一個(gè)使系統(tǒng)性能最高的最佳制冷劑充注量。另外，進(jìn)水溫度對(duì)空氣源熱 泵熱水器的影響并不大，但制冷系統(tǒng)卻隨著進(jìn)水溫度的增加而不斷減小，同時(shí)， 進(jìn)水溫度高時(shí)排水溫度也會(huì)相應(yīng)提高，對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行不利。因此，就需要控

3、制 好空氣源熱泵熱水器的進(jìn)水溫度，使其在試用中達(dá)到最佳效果。2空氣源熱泵熱水器性能實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化實(shí)例分析2.1實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)空氣源熱泵熱水器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括兩部分：分別為制冷劑循 環(huán)部分以及水循環(huán)部分。圖1實(shí)驗(yàn)裝置原理圖制冷劑循環(huán)部分，包括：壓縮機(jī)、質(zhì)量流量計(jì)、高壓儲(chǔ)液器等。制冷循環(huán)部 分的主要作用是有效地處理壓縮機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)的過熱現(xiàn)象。壓縮機(jī)的吸氣口本 身配備了氣液分離器，一旦壓縮機(jī)開始吸進(jìn)液態(tài)制冷劑，由于剛吸入時(shí)制冷劑含 量較少，所以會(huì)在非常短的時(shí)間內(nèi)將機(jī)體散發(fā)的熱量迅速吸收，同時(shí)制冷劑的熱 量也會(huì)在這一過程中即刻蒸發(fā)，所以即便處于長時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)也不會(huì)對(duì)壓縮機(jī) 的使用性能造成任何不良

4、影響。水系統(tǒng)循環(huán)部分，包括：電加熱箱、循環(huán)水泵等。其中，電加熱箱可以在一 定程度上對(duì)初始水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體加熱的程度由調(diào)壓調(diào)功器進(jìn)行操控。利用浮 子流量計(jì)測出循環(huán)水流量qv的實(shí)際值。在進(jìn)行加熱的過程中，熱水注入到儲(chǔ)水 箱上方的入水口，然后再從下方的出水口進(jìn)行回水，通過不斷的循環(huán)實(shí)現(xiàn)加熱。 在循環(huán)過程中，水和制冷劑呈反方向的流動(dòng)，同時(shí)表現(xiàn)為逆流換熱的狀態(tài)。通過 智能數(shù)顯功率表進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，將測量出的總耗功設(shè)為Wt。P代表壓力，T代 表溫度測點(diǎn)。2.2實(shí)驗(yàn)方法在實(shí)驗(yàn)正式開始前，需要對(duì)循環(huán)水泵的運(yùn)行功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證水的流 量維持在11L/min,然后對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的水進(jìn)行混合，使水循環(huán)內(nèi)的初始水溫

5、相同。 將蒸發(fā)器入風(fēng)時(shí)的初始溫度設(shè)置為15C。本次實(shí)驗(yàn)需要在兩個(gè)不同的工況下分開 進(jìn)行，工況1：只對(duì)電子膨脹閥開度做出改變，其他因素不發(fā)生變化；工況2： 只對(duì)加熱水箱內(nèi)的初始水溫做出改變，其他因素不發(fā)生變化。系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行時(shí)的 水溫設(shè)為tw，系統(tǒng)終止時(shí)的水溫設(shè)為tend，將tw和tend都設(shè)置為55C。2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析電子膨脹閥開度產(chǎn)生的影響閥開度對(duì)COP產(chǎn)生的影響：在不同工況的膨脹閥開度下，COP都呈現(xiàn)出降低 的趨勢，但兩種下降趨勢具有顯著的差異，導(dǎo)致COP在加熱期間發(fā)生交叉現(xiàn)象。 在加熱溫度進(jìn)行到2030C時(shí)，閥開度和COP呈正比例變化，COP隨閥開度的 增加而不斷擴(kuò)大。但當(dāng)加熱進(jìn)行到45

6、55C時(shí)，閥開度和COP呈反比例變化， COP隨著閥開度的增加而不斷變小。閥開度對(duì)制熱量產(chǎn)生的影響：在不同工況的 膨脹閥開度下，制熱量都呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，交叉區(qū)間和COP相同。在 進(jìn)行加熱的初期，閥開度和制冷劑的質(zhì)量、流量呈正比例變化。與此同時(shí)，系統(tǒng) 制熱量也開始擴(kuò)大。另外，隨著閥開度的不斷加大，蒸發(fā)溫度上升，吸排氣壓比 不斷降低，系統(tǒng)耗功下開始下降。所以，在進(jìn)行加熱的初期，閥開度和COP呈正 比例變化。閥開度對(duì)過熱度產(chǎn)生的影響：在持續(xù)加熱的情況下，過熱度一直呈現(xiàn) 下降的趨勢，直到溫度降為0C，此時(shí)壓縮機(jī)啟動(dòng)吸氣帶液。隨著閥開度的不斷 擴(kuò)大，當(dāng)過熱度將為0C時(shí)，水箱內(nèi)的平均水溫會(huì)不斷下

7、降。因?yàn)殚y開度的擴(kuò)大 會(huì)導(dǎo)致制冷劑的質(zhì)量、流量不斷增加。在這種情況下，蒸發(fā)溫度的上漲致使制冷 劑與空氣二者之間的換熱溫差下降。因此，如果水箱內(nèi)的平均溫度保持一致，則 閥開度和過熱度呈反比例變化。初始水溫產(chǎn)生的影響在膨脹閥開度和初始水溫均不相同的情況下，COP均保持在加熱的過程中不 斷降低的趨勢。在初始加熱時(shí)期，COP呈現(xiàn)出比較緩慢的下降趨勢，但是在加熱 后期，壓縮機(jī)吸氣帶液不斷增大，系統(tǒng)整體性能出現(xiàn)惡化，導(dǎo)致COP呈現(xiàn)出快速 下降的趨勢。在膨脹閥開度不同的情況下，制冷劑的質(zhì)量、流量均和閥開度呈現(xiàn) 正比例變化趨勢，便于換熱器進(jìn)行換熱，COP也隨著增加。但質(zhì)量、流量的增加 致使水箱過熱度不斷降低，

8、于是當(dāng)系統(tǒng)在進(jìn)入后期運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)吸氣帶液擴(kuò)大， 使得COP呈現(xiàn)出快速降低的趨勢。在初始水溫不同的情況下，因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)后需 要短暫的預(yù)熱”，所以在初始加熱階段，水箱溫度保持一致的情況下，處于低水 溫系統(tǒng)下的COP即使在加熱期間呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢，但依舊高于剛啟動(dòng)時(shí)系 統(tǒng)下的COP，導(dǎo)致低溫下的系統(tǒng)COP較大。而且隨著持續(xù)加熱，處于低溫下的系 統(tǒng)會(huì)先下降至0C，導(dǎo)致COP在進(jìn)入加熱后期時(shí)下降幅度持續(xù)上漲，從而低于高 溫下的系統(tǒng)COP。3空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能優(yōu)化在環(huán)境溫度相對(duì)較高的夏季，空氣源熱泵熱水器冷媒為制冷劑R134a，其所 呈現(xiàn)出的系統(tǒng)能效比相對(duì)較高，同時(shí)所產(chǎn)生的排氣溫度相對(duì)較低，但

9、是如果擁有 過高的環(huán)境溫度，那么會(huì)極大的增加吸氣過熱度，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致有效換熱面積明顯 降低，最終會(huì)對(duì)換熱性能產(chǎn)生不利影響。第二，對(duì)熱水進(jìn)行加溫處理，當(dāng)其從30攝氏度上升值55攝氏度以后，線性 增加的現(xiàn)象產(chǎn)生于功耗中，具體增長倍數(shù)為1.6 ；此時(shí)隨之增大的還有壓比，導(dǎo) 致一定的安全隱患產(chǎn)生于系統(tǒng)中，并且加劇了壓縮機(jī)的震動(dòng)現(xiàn)象，并降低溶劑效 率，在這一過程中，穩(wěn)定性在系統(tǒng)運(yùn)行中明顯降低；如果始終保持45攝氏度左右的循環(huán)水進(jìn)水溫度，那么將產(chǎn)生最佳系統(tǒng)利用率。第三，制冷劑流量在系統(tǒng)循環(huán)中要想得到有效的調(diào)節(jié)，就可以對(duì)電子膨脹閥 進(jìn)行應(yīng)用，此時(shí)過熱度在蒸發(fā)器出口處能夠得到精確的控制，在這種情況下，變 工況情況下系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行可以得到高效解決，而系統(tǒng)能效比也將有效提升。 然而，小范圍的震蕩會(huì)在穩(wěn)定的過熱度和蒸發(fā)溫度中形成，同時(shí)如果產(chǎn)生較大的 閥開度，這以震蕩問題就會(huì)更加嚴(yán)重；必須確保能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定且安全的壓縮機(jī)運(yùn) 行狀態(tài)，只有這樣才能夠在任何負(fù)荷狀態(tài)下產(chǎn)生較高的運(yùn)行效率。4結(jié)語空氣源熱泵熱水器可以具有很多優(yōu)良特性，如：節(jié)能環(huán)保、清潔度高、高效 安全等。因此，對(duì)空氣源熱