试论空气源热泵热水器优化分析

何宏财

广东万家乐燃气具有限公司广东佛山528300

摘要：热水器在人们日常生活中运用得较广泛，随着技术的变革与发展而不断出现更新换代。空气源热泵热水器属于继燃气热水器、电热水器、太阳能热水器之后的第四代热水器，更加环保节能。为优化空气源热泵热水器系统性能，通过建立系统仿真模型的方式，对影响空气源热泵热水的因素进行探讨。

关键词：空气源热水器；概述；实验；优化

1.空气源热泵热水器概述

目前燃气热水器、电热水器、太阳能热水器是市场上主要的热水器产品，空气源热泵热水器被称为第4代热水器，以其环保、高效、运行安全等优点正被人们所重视。相同的水箱设定温度条件下，环境温度对系统能效比的影响可以分为3个区，即:－5～5℃低温区Ccop值小，变动小;5～30℃中温区Ccop值变化幅度大，其中30℃为最佳运行环境温度;30℃以上高温区Ccop值下降明显。与传统的节流元件相比，电子膨胀阀具有响应速度快、控制灵活、调节范围宽等特点，目前已成功应用于家用房间空调器、热泵热水器、多联机、超市冷柜和冷水机组等系统中。江明旒等在不同工况下采用不同节流元件，实验得出:采用电子膨胀阀作为节流元件时，蒸发器过热度对电子膨胀阀的动态响应具有十分强烈的非线性特性;在各个工况下，电子膨胀阀机组的Ccop均比相同机组热力膨胀阀的Ccop高。由于影响系统性能的因素诸多，电子膨胀阀开度的优化研究将对热泵热水器系统性能的改善起到重要的作用。制冷剂Ｒ134a具有良好的热力学性能，用于热泵热水器时，其冷凝压力比制冷剂Ｒ22降低约30%，排气温度低25℃左右，并且由于环保问题，Ｒ22将被替代。

2.实验装置

本次实验主要通过建立系统模型的方式，选取150升一体式空气源热泵热水器样机作为实验对象，采用R134ａ制冷剂；采用转速为2860r/min~3400r/min、型号为RB174GHAC的压缩机；采用风冷式平直翅片管换热器作为蒸发器，布置三排管四个支路；采用冷凝盘管环绕型冷凝器，将其布置在水箱内胆外壁，长度为45米；采用热力膨胀阀作为节流机构构成系统模型。实验使用用焓差室进行测试。

3.实验方法

第一步，制冷剂气体吸收一定热量，通过蒸发器传递给压缩机，然后经过压缩变成高压气体进入冷凝器；第二步，制冷剂气体经过水冷由过热状态向气液两相的状态转变，然后再冷凝成高压过冷液，储存到高压储液罐中；第三步，经过电子膨胀阀节流再次进入蒸发器，形成循环。调节电子膨胀阀开度可以控制蒸发器出口过热状态。

（1）计算公式：用U来代表热水器制热水量，其计算公式为：U=V/H，其中，V表示被加热水的体积，H表示加热时间。用Q来表示热泵制热量，其计算公式为：Q=4.180*U*（T2-T1）/3600*1000，其中，T2表示出水时的水温，T1表示进水时的水温。用COP来代表热水器制热能效，其计算公式为：COP=Q/P，其中P表示热泵制热消耗的功率。

（2）实验结果：进行实验时，水箱里的进水温度为15℃，当水温达到55℃时停止加热，记录不同环境温度下的运行时间与吸气压力、排气压力之间的关系，绘制成图下列图，根据绘制的图，做出相应的分析

首先，当周围环境温度保持一定时，压缩机中的吸气压力、排气压力均与运行时间成正比例关系，但是相对来说，排气压力增长的速度较快。由此可知当空气源热泵热水器运行时间过长时，压缩机内的排气压力可能会相应增大，影响压缩机的正常运行；其次，当压缩机内的排气压力不断增加，压缩机的消耗功率也在不断增加。由此可知，当压缩机排气压力增加时，可能会导致压缩机耗费的能源增加；第三，当处于不同环境温度时，系统的COP与制热量变化趋势相近。由此可知，当环境温度变化时，对系统COP以及制热量的影响相差不大；第四，环境温度的增加可能导致系统平均COP的增加。其原理是，由于环境温度影响了系统的蒸发温度，环境温度越高，系统蒸发温度也会相应的提高，制冷剂能够从空气中吸收的热量也会相应增加，制冷剂进入压缩机后，消耗的功率却无明显变化，根据公式可知在热量增加，压缩机功率不变的情况下，系统的COP也就相应的增加。

4.结论

实验结果表明：1）COP、系统制热量与环境温度成正比；2）系统制热量与蒸发器入口空气流速成正比，但当系统制热量达到某个值后会趋于稳定；3）系统COP与制冷剂质量流量成先增后减关系，想要优化空气源热泵热水器，应该控制环境温度，同时寻找蒸发器入口空气流速以及制冷剂质量流量的最佳值；4）热水器的工作效率会随环境温度提高而相应提高，因此，当环境温度过高时可能会出现压缩机过载的现象。同理，环境温度降低，热水器工作效率也会相应较低，使压缩机的工作效率在环境温度过低时不稳定，达不到用户需求，在环境温度过高或者过低的地区效果不大；5）热水由15摄氏度加热至55摄氏度时，功率、压比均随之增加，压缩机振动加剧，存在一定的安全隐患。因此，设置温度应保持在50摄氏度以下为宜。

5.结语

空气源热泵热水器是通过空气中的热源传递实现加热效果，因此具有节能环保、清洁、安全等优点。研究空气源热泵热水性能的影响因素，具有极大的经济价值。

参考文献：

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