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【摘 要】空气源热泵热水器是一种新型的热水器，具有节能、环保的特点，但它也存在着受环境温度影响较大和系统效率不高、运行不稳定等问题。为了更好的检验空气源热泵热水器综合性能和优化系统，本文结合具体实验，就空气源热泵热水器综合性能进行了研究，找到了影响空气源热泵热水器运行性能的因素，为空气源热泵热水器的优化提供了依据。
【关键词】空气源热泵热水器；不同环境温度；性能；影响因素
【中图分类号】TM925.32【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0026-02
随着全球能量消耗的不断增加，节能已成为全球面临的问题，在这种环境下，空气源热泵热水器作为一种节能设备得到了广泛应用。空气源热泵热水器也称 “热泵热水器”“空气能热水器”等。空气源热泵热水器中的热泵能把空气中的低温热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，加热水温。这种空气源热泵热水器具有高效节能的特点，其耗电量是同等容量电热水器的1/4，是燃气热水器的1/3。空气源热泵热水器的初期投资是煤气、天然气、电热水器的三至五倍，但其日常运行成本较低。
空气源热泵热水器由压缩机、蒸发器、热力膨胀阀（或其他节流机构）、冷凝器、水箱以及控制器等部件组成，如图1所示。
基于空气源热泵热水器性能优化，系统研究了制冷剂充注量、冷凝盘管长度、水箱容积、膨胀阀开度和水箱设定温度等对热泵热水器性能的影响。分析了电子膨胀阀开度对热泵热水器性能的影响，建立了热泵热水器的动态性能数值模型，指出在不同加热时段切换膨胀阀开度可以实现系统性能的提高。Farouk Fardoun等建立了空气源热泵热水器系统的准动态模型用以预测系统动态运行特性。
目前热泵热水器多采用制冷工质R22，但随着环保要求的不断提高，热泵热水器面临着制冷剂的替代问题。当环境温度比较适度并且冷凝温度不是很高时，R22制冷剂有很好的热力性能。但是当热泵系统在高温环境中运行时，压缩机排气温度和排气压力都将被很大程度提高，严重影响了热泵系统的安全性；VinceC.Mei等研究了用R407C替代R22在热泵热水器中的应用，结果表明采用R407C的热泵热水器热水加热功率明显高于R22系统，但R407C系统的耗能也有所增加，使得输出高水温时系统COP低于R22系统的。而工质R134a的特性使得其更有利于热泵热水器的安全可靠运行。因此笔者选用R134a作为热泵工质，对热泵热水器的系统性能进行实验和仿真研究，以期对其今后的发展提供可行的优化措施。
1 热泵热水器实验装置
空气源热泵热水器的运行性能实验在焓差试验室内进行的。本实验样机采用NPS—KD50/150型一体式静态加热式空气源热泵热水器，制冷剂采用R134a，水箱标定容量为150L。压缩机采用三菱电机（广州）滚动转子式压缩机，型号为RB174GHAC，额定转速是2860/3400r/min（50/60Hz），理论排气量为17.4cm，单汽缸，输入功率850W；蒸发器采用风冷式平直翅片管换热器，4个支路，3排管布置，冷凝器的冷凝盘管环绕布置在水箱内胆外壁上，管长为4.6×104mm，节流机构选择热力膨胀阀。
2 实验结果分析
3种工况下均将水箱中的水从15℃加热到55℃时停止测试。从图2可以看出，环境温度一定时，压缩机的吸气压力和排气压力均随时间的增加而不断增大，但排气压力增大的速度要比吸气压力快得多，导致压缩机的压比不断增加，压缩机消耗功率不断增大。
图3所示分别为不同环境温度下系统制热量和COP的变化情况，系统的制热量和COP变化呈现相似的趋势。从图3可以看出，系统平均C0P随着环境温度的升高不断增加，主要原因在于随着环境温度的升高，系统蒸发温度会不断提高，制冷剂从空气中吸入的热量迅速增加，而压缩机的平均消耗功率变化不大，从而使得系统C0P得到提高。
通过以上分析可以发现，环境温度对空气源热泵热水器的性能有很大的影响，热泵热水器在高中温工况可以较高效率运行，但存在压缩机过载的可能；而在低温下运行时其工作性能降低且不稳定。空气源热泵热水器在严寒或寒冷地区的节能效果不明显。
3 热泵热水器仿真与影响因素分析
为了分析R134a空气源热泵热水器的特性，分别对热泵系统各个部件建立数学模型，其中压缩机和膨胀阀采用集总参数模型，蒸发器采用分布参数模型，冷凝盘管和水箱被看作螺旋套管换热器，建立集总参数模型，制冷剂分为单相区和两相区，分别选用不同的经验关联式计算换热系数，管内蒸发换热系数采用RinYun准则关联式计算，管内冷凝换热系数采用YuandKoymaa准则关联式计算，蒸发换热过程两相流压降采用Hara—guchi准则关联式计算，空气侧换热系数采用WangC.C.准则关联式计算。将压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀数学模型通过质量、能量和动量的耦合关系联立起来求解。具体流程可参考董玉军对空气源热泵冷热水机组性能的仿真过程。
以名义工况为例，用仿真模型结果与实验数据结果进行比较。从中可以看出大部分仿真值与实验值接近，误差都在10以内，这表明所建立的空气源热泵热水器的仿真程序中所选用的换热关联式比较合理，程序的精度可以满足设计要求。在系统仿真研究系统性能的影响因素时，需要选取一个基准条件。笔者所选取的具体参数是：制冷剂R134a，室外干球温度20℃，室外湿球温度15℃，蒸发器风机风速2.3m/s，水箱进水温度15℃，冷凝器换热面积0.2m。，蒸发器过热度5℃，冷凝器过冷度10℃。仿真主要研究不同参数对系统性能的影响。
3.1蒸发器入口空气流速对系统性能的影响
在研究空气流速对系统性能的影响时，选取了7个不同的空气流速，分别是：1.5m/s，2.0m/S，3.0m/s，4.0m/s，5.0m/s，6.0m/s，7.0m/s。
从中可以看出，水箱吸热量和压缩机输入功率都随着空气流速的增加而呈增大的趋势，当空气流速大于3m/s后，功率和吸热量的变化趋于平稳。这是因为开始随着蒸发器入口空气流速的增加，蒸发器的进空气量增大，蒸发器的换热效果得到提高，系统的制热量增大；但随着空气流速继续增加，过热度过大减少了蒸发器的有效换热面积，且无效过热增大压缩机吸气比容，减小压缩机制冷剂流量，系统性能逐渐趋于稳定。同时，过高的吸气温度影响压缩机的使用寿命。综合考虑，系统存在一个最佳空气流量。空气流量的增加必定会提高系统开发和运行的成本，因此在选择风机时需要特别注意风机的空气流速和空气流量的选取。
3.2 制冷剂流量对系统性能的影响
在研究制冷剂流量对系统性能的影响时，选取了8种不同的流量，分别是：10g/s，11g/s，12g/s，13g/s，14g/s，15g/s，16g/s和17g/s，。
从中可以看出，压缩机输入功率随制冷剂流量的增加不断增大，而水箱吸热量在质量流量较小时，随着制冷剂流量的增加不断增大，但随着制冷剂流量的继续增加，水箱吸热量的变化趋于稳定。这是因为，小流量时，随着制冷剂流量的增加，换热管内换热系数增大，蒸发器和冷凝盘管的换热量增大，但随着制冷剂流量的继续增大，过大的制冷剂流量不能保证合适的过热度和制冷剂压降，系统性能逐渐趋于稳定，从而使得系统的COP呈现先升高后降低的趋势，即制冷剂流量存在最佳值，使热泵热水器的性能系数达到最高，在本模拟中使COP达到最大的制冷剂质量流量在14～15g/s范围内。
4 结束语
总之，随着我国对节能政策的进一步落实，空气源热泵热水器必将得到快速的发展。通过优化系统提高运行性能，进一步完善空气源热泵热水器性能，不断降低成本，将有效促进空气源热泵热水器市场占有率的提高，达到节能环保、提高人们生活水平的目的。因此，本文对空气源热泵热水器综合性能的研究具有一定的现实意义。
参考文献
[1] 周建勋.基于空气源热泵的热水器性能提高对策研究[J].科技风， 2011年 第7期
[2] 陈振豪；吴静怡；陆平；熊珍琴；王彩莉.空气源热泵热水器季节性能实验及优化运行研究[J].能源技术，2005年03期
【关键词】空气源热泵热水器；不同环境温度；性能；影响因素
【中图分类号】TM925.32【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0026-02
随着全球能量消耗的不断增加，节能已成为全球面临的问题，在这种环境下，空气源热泵热水器作为一种节能设备得到了广泛应用。空气源热泵热水器也称 “热泵热水器”“空气能热水器”等。空气源热泵热水器中的热泵能把空气中的低温热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，加热水温。这种空气源热泵热水器具有高效节能的特点，其耗电量是同等容量电热水器的1/4，是燃气热水器的1/3。空气源热泵热水器的初期投资是煤气、天然气、电热水器的三至五倍，但其日常运行成本较低。
空气源热泵热水器由压缩机、蒸发器、热力膨胀阀（或其他节流机构）、冷凝器、水箱以及控制器等部件组成，如图1所示。
基于空气源热泵热水器性能优化，系统研究了制冷剂充注量、冷凝盘管长度、水箱容积、膨胀阀开度和水箱设定温度等对热泵热水器性能的影响。分析了电子膨胀阀开度对热泵热水器性能的影响，建立了热泵热水器的动态性能数值模型，指出在不同加热时段切换膨胀阀开度可以实现系统性能的提高。Farouk Fardoun等建立了空气源热泵热水器系统的准动态模型用以预测系统动态运行特性。
目前热泵热水器多采用制冷工质R22，但随着环保要求的不断提高，热泵热水器面临着制冷剂的替代问题。当环境温度比较适度并且冷凝温度不是很高时，R22制冷剂有很好的热力性能。但是当热泵系统在高温环境中运行时，压缩机排气温度和排气压力都将被很大程度提高，严重影响了热泵系统的安全性；VinceC.Mei等研究了用R407C替代R22在热泵热水器中的应用，结果表明采用R407C的热泵热水器热水加热功率明显高于R22系统，但R407C系统的耗能也有所增加，使得输出高水温时系统COP低于R22系统的。而工质R134a的特性使得其更有利于热泵热水器的安全可靠运行。因此笔者选用R134a作为热泵工质，对热泵热水器的系统性能进行实验和仿真研究，以期对其今后的发展提供可行的优化措施。
1 热泵热水器实验装置
空气源热泵热水器的运行性能实验在焓差试验室内进行的。本实验样机采用NPS—KD50/150型一体式静态加热式空气源热泵热水器，制冷剂采用R134a，水箱标定容量为150L。压缩机采用三菱电机（广州）滚动转子式压缩机，型号为RB174GHAC，额定转速是2860/3400r/min（50/60Hz），理论排气量为17.4cm，单汽缸，输入功率850W；蒸发器采用风冷式平直翅片管换热器，4个支路，3排管布置，冷凝器的冷凝盘管环绕布置在水箱内胆外壁上，管长为4.6×104mm，节流机构选择热力膨胀阀。
2 实验结果分析
3种工况下均将水箱中的水从15℃加热到55℃时停止测试。从图2可以看出，环境温度一定时，压缩机的吸气压力和排气压力均随时间的增加而不断增大，但排气压力增大的速度要比吸气压力快得多，导致压缩机的压比不断增加，压缩机消耗功率不断增大。
图3所示分别为不同环境温度下系统制热量和COP的变化情况，系统的制热量和COP变化呈现相似的趋势。从图3可以看出，系统平均C0P随着环境温度的升高不断增加，主要原因在于随着环境温度的升高，系统蒸发温度会不断提高，制冷剂从空气中吸入的热量迅速增加，而压缩机的平均消耗功率变化不大，从而使得系统C0P得到提高。
通过以上分析可以发现，环境温度对空气源热泵热水器的性能有很大的影响，热泵热水器在高中温工况可以较高效率运行，但存在压缩机过载的可能；而在低温下运行时其工作性能降低且不稳定。空气源热泵热水器在严寒或寒冷地区的节能效果不明显。
3 热泵热水器仿真与影响因素分析
为了分析R134a空气源热泵热水器的特性，分别对热泵系统各个部件建立数学模型，其中压缩机和膨胀阀采用集总参数模型，蒸发器采用分布参数模型，冷凝盘管和水箱被看作螺旋套管换热器，建立集总参数模型，制冷剂分为单相区和两相区，分别选用不同的经验关联式计算换热系数，管内蒸发换热系数采用RinYun准则关联式计算，管内冷凝换热系数采用YuandKoymaa准则关联式计算，蒸发换热过程两相流压降采用Hara—guchi准则关联式计算，空气侧换热系数采用WangC.C.准则关联式计算。将压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀数学模型通过质量、能量和动量的耦合关系联立起来求解。具体流程可参考董玉军对空气源热泵冷热水机组性能的仿真过程。
以名义工况为例，用仿真模型结果与实验数据结果进行比较。从中可以看出大部分仿真值与实验值接近，误差都在10以内，这表明所建立的空气源热泵热水器的仿真程序中所选用的换热关联式比较合理，程序的精度可以满足设计要求。在系统仿真研究系统性能的影响因素时，需要选取一个基准条件。笔者所选取的具体参数是：制冷剂R134a，室外干球温度20℃，室外湿球温度15℃，蒸发器风机风速2.3m/s，水箱进水温度15℃，冷凝器换热面积0.2m。，蒸发器过热度5℃，冷凝器过冷度10℃。仿真主要研究不同参数对系统性能的影响。
3.1蒸发器入口空气流速对系统性能的影响
在研究空气流速对系统性能的影响时，选取了7个不同的空气流速，分别是：1.5m/s，2.0m/S，3.0m/s，4.0m/s，5.0m/s，6.0m/s，7.0m/s。
从中可以看出，水箱吸热量和压缩机输入功率都随着空气流速的增加而呈增大的趋势，当空气流速大于3m/s后，功率和吸热量的变化趋于平稳。这是因为开始随着蒸发器入口空气流速的增加，蒸发器的进空气量增大，蒸发器的换热效果得到提高，系统的制热量增大；但随着空气流速继续增加，过热度过大减少了蒸发器的有效换热面积，且无效过热增大压缩机吸气比容，减小压缩机制冷剂流量，系统性能逐渐趋于稳定。同时，过高的吸气温度影响压缩机的使用寿命。综合考虑，系统存在一个最佳空气流量。空气流量的增加必定会提高系统开发和运行的成本，因此在选择风机时需要特别注意风机的空气流速和空气流量的选取。
3.2 制冷剂流量对系统性能的影响
在研究制冷剂流量对系统性能的影响时，选取了8种不同的流量，分别是：10g/s，11g/s，12g/s，13g/s，14g/s，15g/s，16g/s和17g/s，。
从中可以看出，压缩机输入功率随制冷剂流量的增加不断增大，而水箱吸热量在质量流量较小时，随着制冷剂流量的增加不断增大，但随着制冷剂流量的继续增加，水箱吸热量的变化趋于稳定。这是因为，小流量时，随着制冷剂流量的增加，换热管内换热系数增大，蒸发器和冷凝盘管的换热量增大，但随着制冷剂流量的继续增大，过大的制冷剂流量不能保证合适的过热度和制冷剂压降，系统性能逐渐趋于稳定，从而使得系统的COP呈现先升高后降低的趋势，即制冷剂流量存在最佳值，使热泵热水器的性能系数达到最高，在本模拟中使COP达到最大的制冷剂质量流量在14～15g/s范围内。
4 结束语
总之，随着我国对节能政策的进一步落实，空气源热泵热水器必将得到快速的发展。通过优化系统提高运行性能，进一步完善空气源热泵热水器性能，不断降低成本，将有效促进空气源热泵热水器市场占有率的提高，达到节能环保、提高人们生活水平的目的。因此，本文对空气源热泵热水器综合性能的研究具有一定的现实意义。
参考文献
[1] 周建勋.基于空气源热泵的热水器性能提高对策研究[J].科技风， 2011年 第7期
[2] 陈振豪；吴静怡；陆平；熊珍琴；王彩莉.空气源热泵热水器季节性能实验及优化运行研究[J].能源技术，2005年03期