使用電子膨脹閥的熱泵熱水器動態性能數值模擬與實驗研究

李衛國 郭憲民 孫 濤

(天津商業大學 天津市制冷重點實驗室 300134 天津)

熱泵熱水器系統在運行過程中冷凝壓力不斷升高，同 ，由于一年四季外界氣溫的變化，熱泵熱水器系統全年運行工況變化范圍很大。目前廣泛應用的毛細管很難適應這種大幅度的工況變化，導致系統制熱量和COP降低。為了克服這個問題，許多學者提出了改善節流機構的方法。

孫濤[1]等人通過切換不同長度的毛細管來適應熱泵熱水器系統的工況變化，以提高了整個系統的制熱量和COP，但由于系統中并聯毛細管的個數有限，因此限制了該方法的應用。郭俊杰[2]、張良俊[3]等人對使用熱力膨脹閥的熱泵熱水器系統性能進行了深入研究，發現在熱泵熱水器全年運行工況下，由于熱力膨脹閥調節的敏感程度不同，造成了其對流量調節的局限性。電子膨脹閥因具有較寬的流量調節范圍，能夠適應系統運行工況的大幅變化，成為熱泵熱水器系統的最佳選擇。Choi[4]對使用電子膨脹閥和毛細管的熱泵系統特性進行了對比分析，結果表明：當運行工況變化范圍較大 ，應用電子膨脹閥的熱泵系統性能明顯提高。目前，對電子膨脹閥在熱泵熱水器的應用及其優化控制的研究尚待深入。

對使用電子膨脹閥的熱泵熱水器在不同環境參數和不同電子膨脹閥開度條件下進行了數值模擬和實驗研究，分析了不同電子膨脹閥開度對熱泵熱水器動態性能的影響，為通過調節電子膨脹閥開度以控制熱泵熱水器達到最佳性能打下基礎。

1 實驗樣機和實驗裝置

1.1 實驗樣機

實驗樣機是由一臺整體式熱泵熱水器改裝而成，將其中的毛細管換成電子膨脹閥。蒸發器采用雙向條縫翅片管式，幾何參數如表1所示，軸流式風機額定風量為1000m3/h；壓縮機為滾動轉子式,額定功率為1080W，標準工況下的額定制冷量為3.245kW；水箱容積為0.1m3，實驗中實際注水量為83kg，水箱中冷凝盤管由 9.52mm管徑紫銅管盤繞而成，長度約為68m。

表1 實驗樣機的蒸發器參數Tab.1 Evaporator parameters of the prototype

1.2 實驗裝置

圖1 實驗裝置及熱泵系統示意圖Fig.1 Experimental set-up and HPWH system

實驗在焓差法空調器性能實驗臺上進行，實驗裝置及熱泵系統測點布置如圖1所示。環境室內安裝了一臺空氣處理機組，由計算機通過PID控制環境溫度、濕度穩定在設定值。系統制冷量通過測量蒸發器進出口干、濕球溫度以及風量來確定，蒸發器風機流量由變頻風機控制，風量用標準噴嘴測量；熱泵系統消耗功率由功率變送器測量。由于水箱中存在水溫分層現象，因此在水箱中至上而下均勻布置了5個溫度測點。鉑電阻溫度傳感器精度為±0.1℃，制冷劑壓力及壓差變送器測量精度為±0.25%，功率變送器測量精度為±0.1%。

實驗選定了環境溫度為10℃、18℃和27℃，不同相對濕度的7個工況。對每個工況，在電子膨脹閥輸入脈沖數為35、40、45、52、56及60共6個開度條件下，測試了熱泵熱水器的動態性能。所有工況水箱的初始水溫為14℃。實驗過程中，首先將室內環境溫度、濕度調節到設定值，穩定后開啟實驗樣機，每隔10秒采集一次數據，當水溫達到50℃ 停機。

2 實驗結果及分析

圖2所示為環境溫度為10℃、相對濕度為60%工況下熱泵熱水器動態性能實驗結果，這里選擇電子膨脹閥輸入脈沖分別為35、40、60的實驗數據，分析電子膨脹閥開度對熱泵熱水器動態性能的影響。

從圖2中可以看出，在電子膨脹閥某一開度下，系統運行初始階段COP迅速增大，達到最大值后隨著水溫升高逐漸減小。對于電子膨脹閥大開度工況下，熱泵系統的COP較大，但其隨后的性能系數減小速度也較快。因此在加熱初期，設置電子膨脹閥大開度可提高熱泵系統性能，但在加熱過程后期則恰恰相反。熱泵系統制熱量的變化趨勢與COP基本相同，但出現最大值的 間較晚，且在加熱初期，電子膨脹閥開度越大系統制熱量增長越快，隨著系統的運行，其出現制熱量降低的 間越早，而輸入功率基本隨 間線性增大。

圖2 不同開度下熱泵系統動態性能Fig.2 Dynamic performance of HPWH system under different EEV openings

熱泵熱水器系統動態性能的變化規律可以通過電子膨脹閥的不同開度對熱泵系統蒸發壓力、壓縮機壓比的影響來說明。圖3所示為不同電子膨脹閥開度下熱泵系統蒸發壓力和壓比的動態變化曲線。從圖3中可以看出，隨著水溫的升高，熱泵系統蒸發壓力和壓比逐漸增大，這一方面使得系統輸入功率逐漸增大，另一方面蒸發壓力的升高導致熱泵熱水器系統制熱量的增大(圖2)，兩種因素共同作用的結果，導致加熱初始階段熱泵系統COP的增大。在性能系數達到最大值之后，由于水溫的進一步升高，系統的冷凝壓力和壓比進一步增加，系統運行偏離最佳狀態，其COP迅速下降。對于電子膨脹閥的不同開度，當電子膨脹閥開度較大 ，通過的制冷劑流量較大, 在加熱初始階段蒸發器中制冷劑可充分蒸發，因此其性能較高，而隨著水溫的升高，蒸發壓力和壓比迅速增大，制冷劑流量迅速增大，導致蒸發器中制冷劑不能充分蒸發，系統較早的出現制熱量和COP的下降。

圖3 不同開度下熱泵系統蒸發壓力和壓比Fig.3 Dynamic evaporating pressure and pressure ratio of HPWH system under different EEV openings

對于電子膨脹閥的不同開度工況，熱泵熱水器系統出現最佳COP的 間是不同的(圖2)，因此可通過在系統不同加熱 段使用不同的電子膨脹閥開度，使熱泵系統在該 段性能達到最佳，以提高系統的平均性能系數。這里對熱泵樣機在不同加熱 段切換使用不同電子膨脹閥開度進行了實驗。系統加熱初始階段電子膨脹閥開度為60個脈沖，而在大約10和30分鐘 分別切換使用40和35個脈沖，圖4為性能系數試驗曲線。從圖中可以看出，通過在不同 段切換電子膨脹閥開度，熱泵系統COP峰值可達3.6，平均COP為3.24，比使用單個電子膨脹閥開度 的性能系數提高了約7.6%。

圖4 切換電子膨脹閥開度條件下系統性能系數Fig.4 COP of HPWH system under condition of changing EEV opening

圖5所示為不同電子膨脹閥開度條件下系統過熱度隨 間的變化曲線。

圖5 不同開度條件下熱泵系統過熱度Fig.5 Superheat under different EEV openings

從圖5中可以看出，對于電子膨脹閥脈沖數為35和40的兩個工況，隨加熱 間的增加，蒸發器出口制冷劑過熱度逐漸減小，當其下降到約7℃左右 ，出現過熱度迅速下降現象，并伴有劇烈的波動。比較圖2中對應開度下熱泵系統動態性能曲線可以發現，此 刻與熱泵系統COP開始減小的 間是一致的。原因是由于隨著電子膨脹閥進出口壓差增大，制冷劑流量隨之增加，蒸發器中的制冷劑產生不完全蒸發現象，導致過熱度迅速降低，系統性能隨之減小。而當電子膨脹閥開度為60個脈沖 ，熱泵系統開機后過熱度即迅速減小，表明在此開度下蒸發器內工質自初始階段即未能完全蒸發。蒸發器出口制冷劑過熱度與熱泵系統COP變化的這種對應特性可用來作為調節電子膨脹閥開度的判據，對此問題尚需進行進一步的深入研究。

3 熱泵系統模擬及對比分析

3.1 系統動態性能模擬

為了分析使用電子膨脹閥的熱泵熱水器系統動態特性，分別對熱泵系統各個部件建立了數學模型，其中壓縮機和電子膨脹閥用集總參數模型，用參數擬合法建立壓縮機的性能曲線，采用半經驗的處理方法，綜合實驗數據整理出電子膨脹閥流量特性關聯式。冷凝器和蒸發器采用分布參數模型，將管內制冷劑分為單相區和兩相區，而在兩相區中采用分相流模型，通過準則數Fr、We的大小判別流型，對不同流型采用不同的經驗關聯式計算換熱系數。冷凝器管外側換熱系數采用經驗關系式計算，并假定水箱中水溫均勻分布；蒸發器管外空氣側換熱工況分為干工況和濕工況，換熱系數采用相應的經驗關聯式計算。具體計算可參考陳軼光[5]等人對熱泵空調器性能的模擬計算過程。

圖6 模擬流程圖Fig.6 Simulation fl ow chart

采用準穩態方法模擬熱泵系統動態性能，即將加熱過程分為若干 間微段，在每個 間微段內認為系統處于穩態工況，將上個 刻的穩態模擬結果作為下一個 刻的入口參數，這樣逐個 段進行穩態模擬。各 段穩態模擬的數值計算方法則是將壓縮機、冷凝器、蒸發器和電子膨脹閥數學模型通過質量、能量和動量的耦合關系聯立起來求解。先假設系統的冷凝壓力、蒸發壓力及蒸發器出口溫度，由此通過壓縮機性能擬合曲線計算出壓縮機的質量流量以及其出口參數，然后將其作為入口參數對冷凝器進行數值求解，將計算出的冷凝器出口參數作為電子膨脹閥的入口參數，再計算電子膨脹閥的質量流量并與壓縮機的質量流量相比較，對冷凝壓力進行修正。滿足精度要求后進行蒸發器的數值計算，將蒸發器的出口溫度計算結果與假設值進行比較，據此修正蒸發壓力直至收斂。模擬計算流程如圖6所示。

3.2 模擬結果及對比分析

為了驗證數值模擬結果的準確性，選擇環境溫度為18℃、相對濕度為60%、電子膨脹閥開度為52個脈沖的工況，將熱泵熱水器系統的模擬與實驗結果進行比較，如圖7所示。

圖7 熱泵系統動態性能系數和制熱量比較Fig.7 Comparison of COP and heating capacity

從圖7中可以看出，熱泵熱水器系統動態性能系數和制熱量模擬與實驗結果的變化趨勢是一致的，但模擬計算加熱 間明顯長于實際加熱 間。對于熱泵系統的制熱量，在系統運行的前30分鐘，計算值大于實驗值，之后計算值小于實驗值。造成模擬結果產生誤差的原因是，在數值模擬過程中假定水箱中的水溫均勻，而實驗過程中發現隨著水溫的升高，由于自然對流的作用水箱內存在嚴重的水溫分層現象。圖8為選取水箱頂層、中層、底層水溫及水溫計算值進行的對比，水箱底層水溫與上層水溫相差最大可達14℃。這大大增加了熱泵系統中制冷劑的過冷度，使系統制熱量增加，郭憲民[6]等人對利用浴室排風余熱作為熱源的熱泵熱水器動態性能的實驗研究也發現了類似的現象。

圖8 水箱中動態水溫比較Fig.8 Comparison of dynamic water temperature

4 結論

使用電子膨脹閥的熱泵熱水器系統動態性能進行了實驗研究和數值模擬，分析了電子膨脹閥開度對系統性能的影響，并將模擬結果與實驗結果進行了比較。得出如下結論：

1) 在加熱過程初期，將電子膨脹閥設置為大開度可提高熱泵熱水器系統性能和制熱量，但在加熱過程后期則恰恰相反。通過在不同加熱 段使用不同電子膨脹閥開度，熱泵系統性能得到顯著的提高，最大可提高7.6%。

2) 實驗發現，在不同電子膨脹閥開度工況下，系統過熱度在某 刻出現迅速下降的現象，且該 刻與系統COP的下降 間是一致的，因此可作為調節電子膨脹閥開度的判據。

3)模擬結果與實驗結果的變化趨勢是一致的。同 ，實驗發現水箱中存在嚴重的水溫分層現象，導致計算結果與實驗結果的偏差。

本文受天津市應用基礎研究計劃(06YFJMJC05500)資助。The project was supported by Tianjin Application Fundamentals Research (No.06YFJMJC05500).

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