空气源热泵热水器系统优化及实验研究

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1、空气源热泵热水器系统优化及实验研究摘要：本文论述了空气源热泵热水器（ASHPWH）系统优化，包括其计算和测试。该系统由热泵机组，水箱和连接管组成。空气能通过逆卡诺循环在蒸发器中被吸收进入存储罐。盘管/冷凝器将冷凝制冷剂的热水侧。空气源热泵热水器使用螺旋式式压缩机把水从初始温度加热到设定温度（55C）。毛细管长度，制冷剂的填充量，冷凝器盘管长度和系统匹配的问题便由此进行论述。从测试的结果可以看出，系统性能系数可明显改善。关键词：热泵；热水器；冷凝盘管；充注量；系统匹配；优化1.引言目前国内家用热水器市场的主要产

2、品为燃气热水器（GWH)、电热水器（EWH)和太阳热水器(SWH）,而热泵热水器作为热水器的第四种，最近在市场上出现。相比三成型机，热泵热水器有以下几个优点，如节能，运行费用低，使用安全，这一切使其在家用热水方面有非常广阔的应用前景。空气源热泵热水器（ASHPWH），基于对朗肯循环的原理，吸收在较低的温度下空气的热量，通过热机的工作，吸收的热量和热能的消耗被转移到水箱–较高温度的热源。该系统从环境中得到能量，可能是电力总消耗的3-4倍。然而，却贡献了4–5倍的电能。因此，空气源热泵热水器由于其独特的高效节能而

3、成为用户的首选。20世纪50年代以来，学者对热泵热水器包括系统结构，热力学，工作流体，运行控制，数值模拟和经济分析进行了研究。冷凝器在环状流和U型管设计方面经历了两个阶段梅等人对冷凝器在水箱进行了8次性能测试。当考虑COP用平均水温计算时，他们发现，U型管系统的性能通常是比这卡口式冷凝器系统更好的。系统COP和产热增加率环数的增加而增加[1]。从1991年起，关于冷凝器引起了一系列双罐热水系统的研究。初步研究表明，超过60种双罐有潜在的研究价值。通过不同的管道的连接方式和控制策略可以实现如热水供应的控制和优化

4、功率控制的目标。连续试验表明，38种双罐热水系统效率高于其他结构的热泵热水器。双罐热水系统比同体积[2]单罐系统热损失较多。黄林还研究了双水箱热泵热水器。水箱体积为100L.。结果表明，把水从42C加热到至52C需要10–20分钟，和所有的COP能够达到2–3。与电热水器相比，该节能率为50–70%，热水排放效率是0.912[3]。Hasegawa等提出了一种双级压缩联加热热泵供热水系统。以R12为例，它可以把水水从10C直接加热到60C.进出蒸发器出水温度分别为12C和7C，系统的COP为3.73[4]。姬

5、等人结合热泵热水器与普通空调，实现了一种多功能家用热泵(MDHP)。该装置在气候温和的地区可以实现多功能和长时间的高效率操作。当制冷和加热的同时运行，COP和能效比平均可达3.5[5,6]。R12，R22是热泵热水器最常用的工作流体。随着臭氧层的保护方案，R22成为唯一还在使用传统的流体。在像中国这样的发展中国家，R22的截止使用日期为2040年。直到现在，它仍被广泛使用。因此对R22系统性能研究做某种意义上改进仍然很有价值，这也是一种储蓄能源的手段。斯隆等人在水箱中部采用肋辊管，环境温度为24C，水温度为2

6、7C，COP为2.4。梅等人也采用R22为制冷剂，结果是当水的温度时27C，环境温度20C和27C，COP分别为4和4.5[7]。从文献使用常规的工作流体，可以看到，当环境温度适中,冷凝温度不高，R22可以获得良好的热力学性能和效率。不过，当系统在高温区运行，例如，50C以上，压缩机的排气温度和压力都是很高的，尤其是在寒冷的冬天。压缩机的工作条件比普通空调热泵恶劣，严重影响系统的安全性和可靠性。因此寻找新的高性能液是当务之急。为使空气源热泵热水器有效运行，已经进行了许多相关的研究。墨里森等人[8]阐述了一种空

7、气源热泵热水器年度负荷周期评价方法。基姆等人[9]提出了一个热泵热水器驱动系统动态模型。Ding等人[10]和姚明等人[11]在除霜方面做了大量的研究用以提高空气源热泵热水器系统在冬天的工作。范等使用7500W热泵热水器来研究其节能特性。考虑风机和水泵消耗功率，系统COP为3.3。只要考虑压缩机，COP便变成了4.18[12]。然而，就目前空气源热泵热水器而言制造商没有约定匹配热水泵和水箱的参数，主要是由于不同的工作条件包括地区，生活习惯和是否全年运行有关。热泵热水器系统由分户式热泵，水箱和管道等连接而成。一

8、些制造商使用空调热泵（室外机）直接，并用添加水箱来完善系统。显然，空气源热泵热水器工作条件随空调器不同而改变。空气源热泵热水器的热端温度渐渐地上升，但其冷却器侧是根据四季环境不断变化的。因此，有必要规范空气源热泵热水器的产品。为了提高系统性能、降低产品成本、优化运行工况，应当从系统组成部件人手进行研究。实验发现，除压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀之外，充注量、水箱容量与机组的匹配也相当重要。本文对