采用不同換熱管的熱泵熱水器外盤管水箱的成本分析

茍秋平，吳揚，朱伯永，鄧斌

（上海金龍制冷技術有限公司，上海 200135）

0 引言

隨著社會的發展和居民生活水平的提高，人們對生活熱水的需求量也逐漸增大，由此帶來了更大的能源需求。空氣源熱泵熱水器作為新一代熱水器產品，其相比傳統熱水器能效高出兩到三倍[1]，可以有效的降低熱水器的能耗，因而引起越來越多的專家和學者的關注。

空氣源熱泵熱水器的水箱主要分為內盤管和外盤管兩種型式，文獻[2-3]對熱泵熱水器的內盤管水箱水溫的分布進行了模擬和實驗研究，并對產生水溫分層和渦流等現象的原因進行了分析；而外盤管水箱由于需要隔內膽傳熱，傳熱效率較低，成本較高[4]，目前的研究還不多。

本文將針對外盤管效率低、成本高等的問題，通過采用不同換熱管材料及結構，對空氣源熱泵熱水器外盤水箱的換熱和成本進行對比研究。

1 計算模型

家用熱泵熱水器的外盤管水箱結構示意如圖1所示。制冷劑在換熱管（外盤管）內流動，通過管壁、水箱內膽壁，與水箱中的水進行換熱。

圖1 水箱外盤管示意圖

水箱在整個換熱過程的傳熱熱阻主要由五部分組成，依次為：換熱管內的相變傳熱熱阻、換熱管管壁的導熱熱阻、換熱管和水箱的接觸熱阻、水箱內膽壁的導熱熱阻、水箱內水的自然對流熱阻[5]。

1）換熱管內傳熱計算公式：

式中：

hr——管內制冷劑冷凝換熱系數，W/m2K；

Ai——外盤管管內壁換熱面積，m2；Ai=πdiL，di為管內徑，m，L為管長，m；

Tr——制冷劑溫度，計算時取制冷劑冷凝溫度，℃；

Tr,i——外盤管內壁溫度，℃。

2）管壁導熱計算公式：

式中：

λ1——外盤管管壁導熱系數，W/mK；

do——管外徑，m；

Tt,o——外盤管外壁溫度，℃。

3）外盤管與內膽之間換熱計算公式：

式中：

R——外盤管與水箱內膽之間的導熱熱阻，K/W。

4）內膽壁導熱計算公式：

式中：

λ2——外盤管內膽壁導熱系數，W/mK；

Di——水箱內膽內徑，單位m；

Do——水箱內膽外徑，m；

Ttank,i——水箱內膽內壁溫度，℃；

Ttank,o——水箱內膽外壁溫度，℃。

5）水箱內水的自然對流計算公式：

式中：

hW——水側自然對流換熱系數，W/m2K；

Ao——外盤管管外壁換熱面積，m2；

TW——水箱內水溫，℃。

通過以上方程式的組合求解，可以方便地進行外盤管水箱的設計及校核計算。

2 計算模型與實驗數據的對比

本次測試是在上海金龍制冷技術有限公司熱泵綜合性能試驗室進行的。如圖2 所示，熱泵熱水器置于環境間，環境間外有空氣處理機組，以使環境間溫度穩定在國標要求的設定值。水箱盤管的進出口壓差由設置在進出口的壓力傳感器測得，熱泵系統消耗功率由功率變送器測量，熱泵的制熱量按國標GB/T23137-2008 計算得到，測試工況為：干球溫度20℃，濕球溫度15℃；進水溫度15℃，出水溫度55℃[6]。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4 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±0.5%，功率變送器測量精度為±0.5%，整個實驗室重復性誤差＜2%。

圖2 熱泵熱水器實驗室布置示意圖

按照國標要求，一種容量為200 L，采用7.94 mm 內螺紋銅管的外盤管水箱在本實驗室進行了測試，測試結果如表1 所示，水箱實測制熱量和計算制熱量的最大偏差為0.5%。

為了驗證本模型對采用微通道扁管水箱時計算的準確性，針對一種同樣容量為200 L，25 mm 微通道扁管外盤管水箱進行了實驗測試，測試結果如表1 所示，水箱實驗制熱量和計算制熱量的最大偏差為2.1%。

綜上測試結果表明，無論圓管還是微通道扁管，本模型計算的外盤管水箱的制熱量與實驗測試值之間偏差最大為2.1%，具有較高的精度。可以利用該模型來進行外盤管水箱的設計和校核計算。

表1 7.94 mm 內螺紋銅管外盤管水箱測試結果

表2 微通道扁管外盤管水箱實驗測試結果

3 采用不同換熱管的外盤管水箱的設計及成本對比分析

基于上述數學模型，在性能相當的情況下，采用外徑為9.52 mm 銅光管、9.52 mm 內螺紋銅管、9.52 mm 304L 不銹鋼管以及5 mm 內螺紋銅管、4 mm 內螺紋銅管、25 mm 微通道鋁扁管分別進行外盤管水箱的設計和成本對比分析，計算結果見表3。

表3 列出了6 種不同材質或管徑的管材在外盤管換熱器中換熱性能和材料成本。從表中可知，不銹鋼外盤管成本相比9.52 銅管材料價格上有優勢，但如采用4 mm 和5 mm 銅內螺紋管，9.52 mm 系列的銅管及不銹鋼管均沒有優勢。六種管材的比較中，鋁管扁管水箱材料成本最低。

表4 列出了各種管材制成的外盤管換熱器，考慮加工費及換熱器加工成本后的價格對比。結果表明：4 mm 和5 mm 內螺紋銅管水箱在各種管材外盤管水箱中優勢明顯，微通道扁管水箱雖然材料成本低，考慮到其加工成本非常高，整體成本并不具有優勢。

表3 不同材質管材的設計結果和成本核算

表4 各種材質管材制作成外盤管換熱器總價

4 結論

本文建立了熱泵熱水器外盤管水箱的數學模型，并與實驗測試結果進行了對比，證明該模型是切實有效的。運用該模型在保持換熱性能相同的情況下，設計了采用不同換熱管（9.52 mm 銅光管，9.52 mm 銅內螺紋管，9.52 mm 304L 不銹鋼管，5 mm 銅管，4 mm 銅管，微通道扁管）的水箱，并進行了成本對比分析研究，結果表明：

1)針對目前市場上采用的9.52 mm 管材外盤管水箱來說，不銹鋼管材具有優勢；

2)小管徑銅管（管徑為4 mm 或5 mm）,微通道扁管水箱相對于其它換熱管水箱材料成本優勢明顯；

3)考慮加工費及換熱器加工成本后，小管徑銅管水箱在各種管材外盤管水箱中優勢明顯，微通道扁管水箱雖然材料成本低，但其加工成本高，整體成本不具有優勢；

4)采用小管徑銅管，是降低外盤管水箱成本，提高其效率的途徑和有效解決方法之一。

[1]Wu J,Yang Z,Wu Q,et al.Transient Behavior and Dynamic Performance of Cascade Heat Pump Water Heater with Thermal Storage System[J].Applied Energy,2012,91(1):187-196.

[2]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.

[3]熊珍琴,王如竹,吳靜怡,等.基于 Fluent 軟件的熱泵熱水器水箱溫度場數值模擬[C],制冷空調新技術進展——第四屆全國制冷空調新技術研討會論文集.南京,2006:734-737.

[4]李凡,趙恒誼,唐壁奎,等.空氣源熱泵熱水器[M].重慶:重慶大學出版社,2010.

[5]楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].第四版.北京:高等教育出版社,2007.

[6]GB/T 23137-2008,家用和類似用途熱泵熱水器[S].北京:中國標準出版社,2009.