空气源热泵热水器系统优化的实验研究

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1、空气源热泵热水器系统优化的实验研究空气源热泵热水器系统优化的实验研究摘要：本文对空气源热泵热水器（ASHPWH）进行了系统优化测试和计算。ASHPWH系统主要由热泵、水箱以及连接管道组成。空气中的能量被蒸发器吸收然后经由朗肯循环泵到储存罐，之后将由线圈管/冷凝器排放的制冷剂冷凝热量传递到水侧。在涡旋压缩机的ASHPWH系统里，加热的水从初始温度升到设定温度（55℃）的过程中，我们需要讨论毛细管长度、制冷剂充注量量、冷凝器盘管的长度和系统匹配的数量关系。通过测试，从结果中可以看到系统的性能COP明显改善。2

2、006爱思唯尔有限公司保留所有权利关键词：热泵，热水器，冷凝盘管，充注量，系统匹配，优化空气源热泵热水器系统优化的实验研究1引言目前国内市场流行的热水器产品是燃气热水器（吉瓦），电热水器（EWH）和太阳能热水器，而热泵热水器（HPWH），作为第四种热水器，是最近出现在市场上的。与前三种热水器相比，HPWH有几个优点特别值得一提，例如节能、低运行费用以及使用安全等,从这些优点中可以预见它在国内的市场前景十分光明。空气源热泵热水器（ASHPWH）基于朗肯循环原理，可以从较低温度的空气中吸收热量，然后通过热机将

3、从空气中吸收的热量与热机消耗的能量转移到水箱——更高的温度热源。空气源热泵热水器系统的能量主要从环境中得到，也就是说，它得到的能量与耗电能相比，可能是电能的3~4倍。总的来说，该系统有助于节省4~5倍的电能。空气源热泵热水器的高效、节能的优点受到广泛用户的喜爱。自20世纪50年代起，我们已经完成HPWHS包括结构、热力学、工作流体、操作控制、数值模拟以及经济分析的各种研究。冷凝器环型流程的设计经历了两个阶段：直管式和U型管。Mei等人在一个水箱中测试了8种冷凝器，当将平均水温视为冷凝COP的函数时，他们发

4、现U形管系统的性能要比卡口式与环状流系统好，而且系统的COP、热量生成速率随着环路数的增加而有所提高[1]。希特勒从1991年开始带领一个小组研究双罐热水系统。基础研究显示，超过60种双罐具有潜在的研究价值。不同的管子链接和控制方式都可以实现诸如热水供应的控制和功率的控制优化。经过连续测试表明有3815空气源热泵热水器系统优化的实验研究种双罐热水系统的效率比其它结构的HPWH更高。当然，双罐热水系统的热损失比相同容积的单罐系统热损失更多[2]。黄、林还研究了水箱体积100L的双罐HPWH。结果表明，水从4

5、2℃加热至52℃需要10-20分钟，而全年的COP为2.0-3.0。与电热水器相比，其节能分数50-70％，而热水显示充电效率为0.912[3]。Hasegawa等人从热水供应的角度提出了一种双级压缩和级联加热热泵统。通过使用R12，它可以将水从10℃直接加热至60℃，蒸发器的进口与出口水温分别是7℃与12℃，系统COP为3.73[4]。姬等将HPWH和传统空调结合在一起，研究出一个多功能家用热泵(MDHP)。该设备在气候温和的地区调节范围更广泛，且可以长期保持高效的运行状态。当制冷，制热同时进行时，系统

6、的COP与EER的平均值可能达到3.5[5-6]。R12，R22是HPWH中最常用的工作流体。由于臭氧层的保护倡议，已成为唯一常规流体的R22仍然被使用。在发展中国家如中国，使用R22的截止期到2040年。现在，它仍然被广泛使用。所以仍然有一些提高R22系统性能提高的研究，这也是节能的一种方式。斯隆等人在环境温度24℃、水温度27℃、中间带有肋扰乱管的水箱条件下研究得出系统COP为2.4。Mei等人也使用R22作为制冷剂研究该系统，其结果是：当水温27℃，环境温度20℃和27℃，COP分别为4.0和4.5

7、[7]7]，在使用传统工作流体的文献中它可以被看作当环境温度适中和冷凝温度不高的时候，R22可以得到较高的热力学性能和效率。但是，当系统在较高的温度区域运行，例如高于50℃，压缩机的排出温度和压力都非常高，尤其是在寒冷的冬天，压缩机的工作条件比普通空调热泵差，从而严重影响系统的安全性和可靠性。因此，迫切需要寻找新的、性能更好的流体。为使ASHPWH有效地运行，很多相关研究正在进行。Morrison等人[8]15空气源热泵热水器系统优化的实验研究提出一种ASHPWH-全年负荷周期评价的方法。Kim等人[9]

8、提出了一种动态模型，该模型系统是由水加热器驱动的热泵系统。丁等人[10]和姚等人[11]已经做了很多关于除霜的研究来提高ASHPWH系统冬季工作效率。Fan等人用7500WHPWH研究其节能性，考虑到风机和水泵消耗的功率，系统COP为3.3。若只考虑压缩机，系统的COP为4.18[12]。然而，就ASHPWH而言，制造商还没有确定的参数对热泵与水箱进行匹配，主要是由于不同的工作条件，包括地区，生活习惯和全年运行等。热泵热水器系