空气源热泵热水器的系统优化和实验性研究

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1、空气源热泵热水器的系统优化和实验性研究摘要：这篇文章主要涉及空气源热泵热水器（以下简称ASHPWH）的系统优化计算和测试。该系统包括热泵、水箱、连接管道。工作原理：冷媒在蒸发器中吸收空气的热量经过朗肯循环，在冷凝器盘管中将热量释放到储水箱中的水中，使水温升高，达到制热水的目的。使用回旋式压缩机的热泵系统可以将水由初始温度加热到设定温度（55度）。本文对毛细管的长度、制冷剂的灌装量、冷凝盘管的长度、系统的匹配性进行了相应的讨论。根据实验结果，系统性能COP值能够得到显著地提高。关键词：热泵、热水器、冷凝盘管、灌装量、系统匹配性、优化1引言目前国内市场上畅销的热水器主要是燃气热水器、电热水器、和太

2、阳能热水器。作为第四种热水器，热泵热水器最近开始出现在市场中。跟前三种热水器相比热泵热水器有几处优点，比如节能、较低的运行费用和安全，也正是这些优点让热泵热水器在国内热水器市场上有着不错的前景。以朗肯循环原理工作的空气源热泵热水器，从低温热源空气中吸收热量，通过冷媒将吸收的热量和热机的消耗功传递给高温热源储水箱。该系统从环境中吸收的能量大概需要消耗3—4倍甚至4—5倍的电能才能得到。因此，空气源热泵热水器以高效节能等优点，成为用户们的首选。自上世纪90年代以来，关于热泵热水器的结构、热力学性能、冷媒、操作控制、数字模拟和经济分析等方面的研究一直在进行。冷凝器的设计有两大风格，翅片型和环状、U型

3、。Mei等人对8个水箱冷凝器的性能进行测试，当把COP值作为和衡量标准时，他们发现U型管式的冷凝器的性能通常比翅片是要好。系统COP值和热效率会随着循环数的增加而提高。[1]Hiller从1991年开始领导一个团队对复式水箱的加热系统进行研究。基础研究表明超过60种复式水箱具有潜在的研究价值。不同的管道连接和控制方法可以达到不同的目的例如，优化控制热水供应和功率控制。连续的实验研究表明38种复式水箱热水结构的热效率高于其他结构。当然，在相同容积的情况下，复式水箱结构的热损失比单水箱结构要多[2]。Huang和Lin也研究的单水箱结构，容积为100升。结果显示水温由42摄氏度升到52摄氏度需要1

4、0—20分钟，并且年度COP值达到2.0—3.0，和电热水器相比节约了50—70%的能量，并且排水效率高达0.912.[3]Hasegawa等人提出了一个双级压缩级间加热热泵热水供应系统，使用R12做冷媒，能将水由10摄氏度一直加热到60摄氏度。蒸发器的进口温度和出口水温分别是12摄氏度和7摄氏度，系统的COP值为3.73[4].Ji等人结合热泵热水器和传统空调研制出一种多功能家用型的热泵。该设备能够实现多种功能，并能都在气候温和的地区实现长时间高效率的运行。当制冷和加热同时运行时COP值和EER值的平均水平能够达到3.5[5,6]R12和R22是热泵热水器最常用的工作介质。但为了保护臭氧层，

5、R22成了唯一一种仍然被使用传统冷媒。在一些发展中国家例如中国，R22的使用期限是2040年，现在，R22依旧广泛的被应用。因此，研究R22系统的性能改进仍然有一定的意义，同样也能够节约能源。Sloane等人在中间水箱使用肋扰乱管，当环境温度为24摄氏度，水温27摄氏度时，COP值为2.4。Mei等人也是用R22做冷媒进行试验，结果显示当水温为27摄氏度时，环境温度为20摄氏度和27摄氏度时，COP值分别为4.0和5.0。[7]从文献中可以看到，使用常规冷媒，且环境温度适中、冷凝温度不高时，R22具有很好的热力性能和效率。然而，当系统在高温区运行时，例如，50摄氏度以上，且压缩机排气温度和压力

6、都很高，尤其在寒冷的冬天。压缩机的运行环境会很糟糕，这也严重影响了系统的安全性和可靠性。所以，找到一种新型的具有良好热力性能的冷媒是十分必要的。很多研究都旨在提高空气源热泵热水器的效率。Morrison等人[8]制作出一种评测空气源热泵热水器年循环负载的方法。Kim[9]等人提出一个靠热泵运转的热水器动态模型。Ding[10]和Yao[11]等人为了让空气源热泵热水器在冬天能够更好的工作，在除霜的问题上做了很多研究。Fan等人用一个7500W的热泵热水器来研究它的节能性。考虑电能消耗的话，风机和水泵系统的COP值是3.5，如果只考虑压缩机，COP值则为4.18[12]。然而，对于空气源热泵热水

7、器来说，制造商没有商定的参数，热泵和水箱的匹配性也不佳，这主要是由于机器工作环境、区域不同，使用者生活习惯也不一样，而且是全年运行。热泵热水器系统包括室外热泵、水箱以及连接管道组成。一些商家这直接用室外热泵（空调室外机）加上水箱便完成整个系统的组装。很明显，空气源热泵热水器的工作环境和空调不一样。空气源热泵热水器的热端温度会逐渐上升，但是它的冷端温度会随着全年的气候发生变化。因此，规范空气源热泵热