水流量對空氣源熱泵熱水器性能的影響

殷少有,吳治將,李東洺

(1.順德職業技術學院機電工程系,廣東佛山528333;2.廣東高校熱泵工程技術開發中心,廣東佛山528333)

隨著我國國民經濟水平的發展和人民生活水平的不斷提高,衛生熱水的使用量逐步增加[1],衛生熱水的耗能在整個能源消費結構中所占比例越來越大。在美國居民用于衛生熱水的能耗占整個家庭能耗的15%以上[2],商業建筑中衛生熱水的能耗比例為7%,每年消耗在衛生熱水上的能量值是巨大的。熱泵熱水器作為一種新興的產品,具有高效、節能和環保等特點,正在成為國內外熱水器行業的主流產品[3]。

為研究水側對空氣源熱泵熱水器性能的影響,國內外一些學者作了一系列的研究。Hiller[4]和Shao[5]等人模擬和預測熱泵熱水器動態用水過程,并進行了全年的能耗及經濟性分析等。王祥[3]等采用FLUNT模擬,得出水箱內水溫隨機組運行時間的變化及各階段水箱內溫度場及速度場的整體分布情況。陳振豪[6]等將溫度測點安置在水箱中段,以減少水溫分層現象所帶來的誤差影響。但到目前為止,對于水流量和水箱的容積對空氣源熱泵熱水器性能的影響方面研究較少。本文針對水流量和水箱的容積對熱泵熱水器的性能進行試驗,所得結果為今后的產品優化設計提供參考信息和技術支持。

1 實驗裝置

在實驗中,熱泵熱水器的壓縮機采用谷輪公司生產的渦旋壓縮機,型號為ZR144KC-TFD,制冷劑為R22;水泵的額定流量為10m3/h。本實驗的測試原理見圖1所示。溫度傳感器采用Pt電阻;壓力傳感器的量程0～4MPa,精度±0.5%;流量傳感器采用LWGY-25型渦輪流量傳感器,流量范圍1～8m3/h,精度為0.5%。本實驗的測試工況為:干球溫度為20℃,濕球溫度為15℃。通過變頻器改變水泵的流量從而調節冷凝器的水流量,當冷凝器壓力達到設定條件時 (實驗最高設定壓力為P=2.4MPa),實驗結束,并記錄此時的相關參數(冷凝器的水流量,壓縮機、風扇等的電流、功率及耗電量等)。

圖1 熱泵熱水器實驗裝置Fig.1 Scheme of experimental apparatus

2 數據處理

熱泵熱水器運行時的熱傳遞量和耗功是一個變化值,因此,能效比分為瞬時能效比 (COPt)和平均性能比,前者為某一時刻對水的加熱量與壓縮機耗功之比,可用下式表示:

上式中:P(t)=f(Te,Tc)

其中:T1、T2表示進出冷凝器的水溫,℃;

平均能效比為達到設定水箱溫度后,總傳熱量與總耗電量之比。可由下式計算:

式中:

M—水箱水量,kg;

c—水的比熱,kJ/kg K;

Tu1、Tu2—開始、結束加熱時水箱溫度,℃;

W—總耗電量,kW·s。

3 結果分析

實驗中,水箱的初始溫度為20℃,終止加熱溫度為55℃,將循環水流量調節為3m3/h、5m3/h、7m3/h和最大流量7.5m3/h進行實驗研究,并進行數據記錄。

圖2 水流量對熱水箱溫度的影響Fig.2 Relationship between storage water tank temperature and water mass flow

圖2表示在不同水流量下水箱溫度變化的曲線。從上圖可以看出,隨著水流量的增加,水箱到達55℃時加熱的時間越短。當循環水流量為3m3/h時,水箱到達55℃時加熱的時間為148min;當水流量增至7m3/h時,加熱時間縮短為132min;當流量增大到最大7.5m3/h,加熱時間約為131min。因此,通過增大循環水流量,可以縮短水箱的加熱時間。

圖3表示在不同的循環水流量下,冷凝器加熱進出水溫差的變化曲線。由圖分析可知,隨著運行時間的增加,冷凝器進出水溫差有較大的差異。當水流量為3m3/h時,進出水平均溫差約為10.5℃;而當流量增大到7m3/h時,進出水溫差為2～4℃,這與一般工程應用的推薦值及優化推薦值很接近。因此,對于這種熱泵熱水器,7m3/h是一個較合理的流量值,因為此時水箱所能達到的溫度也較高。

圖4表示在不同循環水流量的情況下熱泵熱水器的能效比變化曲線。由圖分析可知,循環水流量越大,相應的能效比也增大。當水流量為 7m3/h時,平均能效比為3.25。另外,也可以發現,隨著水溫的升高,其差異也在擴大。

圖5反映了水流量與排氣壓力的變化曲線。從上圖可以看出,一方面,排氣壓力隨著運行時間的增加而上升,另一方面,排氣壓力隨著水流量的增加而下降。因此,在熱泵熱水器設計時,選擇恰當的循環水流量,不但可以降低壓縮機的排氣壓力,而且可以起到保護壓縮機的作用,延長壓縮機的壽命。

4 結論

(1)水流量是熱泵熱水器設計過程中的一個重要參數。水流量對加熱時間、能效比等性能有一定的影響,這種影響隨著流量偏離正常值而加劇。

(2)在設計熱泵熱水器時應該考慮選擇合理的水流量值,而在應用安裝過程中,應考慮到水管沿程阻力對水流量的影響。如果水管較長,應適當加大管徑或者選擇揚程大一些的水泵。

[1] 唐啟慶.國內熱水器市場分析及發展趨勢,http://www.sthea.com.cn

[2] John J.Tomlinson,Transferring ResidentialHeat PumpWater Heater Technology to the Market,Presentation for Discussion 1/30/2002 ASERTTI Meeting

[3] 王祥,劉穎,王芳等.基于仿真的R417A熱泵熱水器蓄熱水箱優化設計 [J].流體機械,2010,38(9):64-68

[4] HillerCC,Lowenstein AI,Merriam RL.Detailed water heating simulation model[J].ASHRAE Trans.1994,100(1).948-954

[5] Shuangquan Shao,Wenxing Sh,i Xianting L,i et.A new inverterheatpump operated allyear roundwith domes-tic hotwater[J].Energy Conversion and Management,2001,45:2255-2268

[6] 陳振豪.空氣源熱泵熱水器季節性能實驗及優化運行研究[J].能源技術,2005,26(3):117-119