水源熱泵熱水器實驗研究

向勇濤　黨相兵　解苗苗　關欣

摘要：

水源熱泵技術利用少量電能將地表水或地下水的低品位能量轉移至高品位，目前正成為節能領域的研究熱點.針對水源熱泵變冷凝參數的相關研究缺乏的現狀，通過搭建水源熱泵熱水器實驗臺進行了相應實驗研究.在水流量Q為0.7～1.3 m3·h-1，進水溫度t為15～30 ℃范圍內，對系統功耗、制熱量、制冷量、熱泵性能系數COP等參數進行了測量.實驗結果表明，在水流量為1.1 m3·h-1，進水溫度為20 ℃時，COP達到最大值，系統平均熱泵性能系數COPave為3.23，此時系統處于最佳運行工況.由此可知，尋找系統的最佳運行工況對熱泵系統設計和實際工程應用具有重要的意義.

關鍵詞：

水源熱泵熱水器； 進水溫度； 水流量； 最佳運行工況； COP

中圖分類號： TB 66文獻標志碼： A

國內能源短缺日益嚴重已成為制約我國經濟發展的一大瓶頸，國家在重視能源節約和再利用的同時，也更加關注新技術的開發與利用.水源熱泵技術利用少量熱能將地表水或地下水的低品位能量轉移至高品位熱能，因其節能環保的特點，正被廣泛應用[1-2].水源熱泵技術的研究主要包括地表或淺層水源（如地下水、河流和湖泊）熱泵和人工再生水源（工業廢水、廢氣）熱泵[3].

Yan等初步研究了不同的板片形式、制冷劑、流態對板式換熱器換熱效果的影響，分析了板式換熱器作為冷凝器或蒸發器應用于地下水源熱泵系統中的特點[4-5].王芳通過實驗和仿真模擬研究發現，井水進、出口溫差一定時，進口溫度升高有助于提高地下水源熱泵系統COP；井水進口溫度一定時，進、出口溫差的升高將降低系統COP[6].朱禹實驗研究發現隨著蒸發器側水流量增大，熱泵系統COP升高[7].陳劍波研究表明，對R410a水源熱泵空調機組而言，進水溫度升高時，在制熱工況下有利于提高系統COP，在制冷工況下將降低系統COP[8].

上述研究多集中在冷凝或蒸發參數基本保持不變時的實驗研究和模擬分析，并未分析變冷凝參數工況下熱泵系統運行特性.本文通過搭建水源熱泵熱水器實驗臺，研究系統運行過程中，冷凝器側參數不斷變化時，進水溫度、水流量對COP、功耗、制熱量、制冷量的影響，從而得到水源熱泵熱水系統的最佳運行工況，為后續實際應用提供參考依據.

1實驗原理及實驗臺組成

水源熱泵實驗裝置原理如圖1所示.實驗裝置主要包括兩個系統：熱泵系統和水系統，其中水系統又包括冷凍水系統（蒸發器側）和冷卻水系統（冷凝器側）.熱泵系統由蒸發器、壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥及其它輔助部件組成.

制冷劑與低溫熱源循環水在蒸發器中進行熱交換（蒸發吸熱），經壓縮機壓縮后進入冷凝器與蓄熱循環水進行熱交換（冷凝放熱），過冷液體經熱力膨脹閥進入蒸發器，完成一個循環，從而達到把能量從低品位轉移至高品位的目的.通過布置在系統流程中的9個溫度測點、4個壓力測點和1個示功器，可及時了解制冷劑各點狀態參數、蒸發器和冷凝器進、出口水溫及壓縮機功耗.本實驗采用溫度可控的電加熱水箱模擬低溫熱源.

2實驗結果及分析

為研究低溫熱源參數對系統性能的影響，實驗分為定溫度變流量（進水溫度t為20 ℃，水流量Q分別為0.9、1.1、1.3 m3·h-1）、定流量變溫度（Q為1.1 m3·h-1，t分別為15、20、25、30 ℃）和同時制冷、制熱運行三大類.當系統運行穩定后（開機約5 min），記錄系統運行參數，當恒溫水箱溫度達到設定值時，停止工作.

2.1不同水流量下系統功耗、COP隨時間的變化

圖2為進水溫度為20 ℃時，不同水流量下功耗、COP隨運行時間的變化.由圖2（a）可知，功耗隨運行時間的增加而增加，且水流量越大，其增加速率越快；由圖2（b）可知：Q=0.9 m3·h-1時，系統平均熱泵系數COPave=3.17；Q=1.1 m3·h-1時，COPave=3.23；Q=1.3 m3·h-1時，COPave=3.13.COP隨水流量增大，呈現先增大后減小的趨勢，Q=1.1 m3·h-1時，系統處于最佳運行狀態.這是因為在進水溫度恒定時，隨著水流量增加，將導致蒸發器進、出水溫差減小，制冷劑流量略有增加，系統制熱量、制冷量增加，功耗增加.Q≤1.1 m3·h-1時，功耗增加速率小于制熱量增加速率，COP增大；當Q≥1.1 m3·h-1時，功耗增加速率大于制冷量增加速率，導致COP下降.

2.2不同進水溫度下系統功耗、COP隨時間的變化

圖3為水流量Q=1.1 m3·h-1時，不同進水溫度下，功耗、COP隨運行時間的變化.由圖3（a）知，功耗隨系統運行時間的增加而增加，且低溫熱源進口水溫越高，增加速率增大.由圖3（b）可知：t=15 ℃時，COPave=3.16；t=20 ℃時，COPave=3.23；t=25 ℃時，COPave=3.10；t=30 ℃時，COPave=3.01.COP隨進水溫度的升高，呈現先增大后減小的趨勢，t=20 ℃時，系統處于最佳運行狀態.這是因為低溫熱源水流量恒定時，隨著進水溫度的升高，系統蒸發壓力升高，制冷劑流量增加，功耗增加，系統制熱量、制冷量增加.t≤20 ℃時，功耗增加速率小于制熱量增加速率，COP增加；t≥20 ℃時，功耗增加速率大于制熱量增加速率，COP下降.

2.3雙工況運行時進水溫度、功耗及COP隨時間的變化

雙工況運行指系統在進水溫度（蒸發溫度）連續下降，冷凝溫度連續升高的工況下運行.圖4為雙工況運行，水流量Q=0.7 m3·h-1，初始進水溫度為24.5 ℃時，進水溫度、功耗及COP隨運行時間的變化.從圖中可知，隨著系統的運行，進水溫度不斷下降，功耗不斷升高，COP先增大后降低.在系統運行初始階段，由于蒸發器出口制冷劑過熱度大，導致熱力膨脹閥開度增大、制冷劑流量增加，繼而制冷量、壓縮機功耗、制熱量增加，且制熱量增加幅度大于壓縮機功耗增加幅度，COP升高；25 min后，由于進水溫度降低，制冷量、制熱量減少，同時隨著冷凝器進、出口水溫差的增加，冷凝溫度升高使壓比增大，壓縮機功耗略有增加，導致系統COP降低.系統運行25 min時，進水溫度在20 ℃左右，COP達到最大，也驗證了進水溫度為20 ℃時，系統處于最佳運行狀態.

摘要：

水源熱泵技術利用少量電能將地表水或地下水的低品位能量轉移至高品位，目前正成為節能領域的研究熱點.針對水源熱泵變冷凝參數的相關研究缺乏的現狀，通過搭建水源熱泵熱水器實驗臺進行了相應實驗研究.在水流量Q為0.7～1.3 m3·h-1，進水溫度t為15～30 ℃范圍內，對系統功耗、制熱量、制冷量、熱泵性能系數COP等參數進行了測量.實驗結果表明，在水流量為1.1 m3·h-1，進水溫度為20 ℃時，COP達到最大值，系統平均熱泵性能系數COPave為3.23，此時系統處于最佳運行工況.由此可知，尋找系統的最佳運行工況對熱泵系統設計和實際工程應用具有重要的意義.

關鍵詞：

水源熱泵熱水器； 進水溫度； 水流量； 最佳運行工況； COP

中圖分類號： TB 66文獻標志碼： A

國內能源短缺日益嚴重已成為制約我國經濟發展的一大瓶頸，國家在重視能源節約和再利用的同時，也更加關注新技術的開發與利用.水源熱泵技術利用少量熱能將地表水或地下水的低品位能量轉移至高品位熱能，因其節能環保的特點，正被廣泛應用[1-2].水源熱泵技術的研究主要包括地表或淺層水源（如地下水、河流和湖泊）熱泵和人工再生水源（工業廢水、廢氣）熱泵[3].

Yan等初步研究了不同的板片形式、制冷劑、流態對板式換熱器換熱效果的影響，分析了板式換熱器作為冷凝器或蒸發器應用于地下水源熱泵系統中的特點[4-5].王芳通過實驗和仿真模擬研究發現，井水進、出口溫差一定時，進口溫度升高有助于提高地下水源熱泵系統COP；井水進口溫度一定時，進、出口溫差的升高將降低系統COP[6].朱禹實驗研究發現隨著蒸發器側水流量增大，熱泵系統COP升高[7].陳劍波研究表明，對R410a水源熱泵空調機組而言，進水溫度升高時，在制熱工況下有利于提高系統COP，在制冷工況下將降低系統COP[8].

上述研究多集中在冷凝或蒸發參數基本保持不變時的實驗研究和模擬分析，并未分析變冷凝參數工況下熱泵系統運行特性.本文通過搭建水源熱泵熱水器實驗臺，研究系統運行過程中，冷凝器側參數不斷變化時，進水溫度、水流量對COP、功耗、制熱量、制冷量的影響，從而得到水源熱泵熱水系統的最佳運行工況，為后續實際應用提供參考依據.

1實驗原理及實驗臺組成

水源熱泵實驗裝置原理如圖1所示.實驗裝置主要包括兩個系統：熱泵系統和水系統，其中水系統又包括冷凍水系統（蒸發器側）和冷卻水系統（冷凝器側）.熱泵系統由蒸發器、壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥及其它輔助部件組成.

制冷劑與低溫熱源循環水在蒸發器中進行熱交換（蒸發吸熱），經壓縮機壓縮后進入冷凝器與蓄熱循環水進行熱交換（冷凝放熱），過冷液體經熱力膨脹閥進入蒸發器，完成一個循環，從而達到把能量從低品位轉移至高品位的目的.通過布置在系統流程中的9個溫度測點、4個壓力測點和1個示功器，可及時了解制冷劑各點狀態參數、蒸發器和冷凝器進、出口水溫及壓縮機功耗.本實驗采用溫度可控的電加熱水箱模擬低溫熱源.

2實驗結果及分析

為研究低溫熱源參數對系統性能的影響，實驗分為定溫度變流量（進水溫度t為20 ℃，水流量Q分別為0.9、1.1、1.3 m3·h-1）、定流量變溫度（Q為1.1 m3·h-1，t分別為15、20、25、30 ℃）和同時制冷、制熱運行三大類.當系統運行穩定后（開機約5 min），記錄系統運行參數，當恒溫水箱溫度達到設定值時，停止工作.

2.1不同水流量下系統功耗、COP隨時間的變化

圖2為進水溫度為20 ℃時，不同水流量下功耗、COP隨運行時間的變化.由圖2（a）可知，功耗隨運行時間的增加而增加，且水流量越大，其增加速率越快；由圖2（b）可知：Q=0.9 m3·h-1時，系統平均熱泵系數COPave=3.17；Q=1.1 m3·h-1時，COPave=3.23；Q=1.3 m3·h-1時，COPave=3.13.COP隨水流量增大，呈現先增大后減小的趨勢，Q=1.1 m3·h-1時，系統處于最佳運行狀態.這是因為在進水溫度恒定時，隨著水流量增加，將導致蒸發器進、出水溫差減小，制冷劑流量略有增加，系統制熱量、制冷量增加，功耗增加.Q≤1.1 m3·h-1時，功耗增加速率小于制熱量增加速率，COP增大；當Q≥1.1 m3·h-1時，功耗增加速率大于制冷量增加速率，導致COP下降.

2.2不同進水溫度下系統功耗、COP隨時間的變化

圖3為水流量Q=1.1 m3·h-1時，不同進水溫度下，功耗、COP隨運行時間的變化.由圖3（a）知，功耗隨系統運行時間的增加而增加，且低溫熱源進口水溫越高，增加速率增大.由圖3（b）可知：t=15 ℃時，COPave=3.16；t=20 ℃時，COPave=3.23；t=25 ℃時，COPave=3.10；t=30 ℃時，COPave=3.01.COP隨進水溫度的升高，呈現先增大后減小的趨勢，t=20 ℃時，系統處于最佳運行狀態.這是因為低溫熱源水流量恒定時，隨著進水溫度的升高，系統蒸發壓力升高，制冷劑流量增加，功耗增加，系統制熱量、制冷量增加.t≤20 ℃時，功耗增加速率小于制熱量增加速率，COP增加；t≥20 ℃時，功耗增加速率大于制熱量增加速率，COP下降.

2.3雙工況運行時進水溫度、功耗及COP隨時間的變化

雙工況運行指系統在進水溫度（蒸發溫度）連續下降，冷凝溫度連續升高的工況下運行.圖4為雙工況運行，水流量Q=0.7 m3·h-1，初始進水溫度為24.5 ℃時，進水溫度、功耗及COP隨運行時間的變化.從圖中可知，隨著系統的運行，進水溫度不斷下降，功耗不斷升高，COP先增大后降低.在系統運行初始階段，由于蒸發器出口制冷劑過熱度大，導致熱力膨脹閥開度增大、制冷劑流量增加，繼而制冷量、壓縮機功耗、制熱量增加，且制熱量增加幅度大于壓縮機功耗增加幅度，COP升高；25 min后，由于進水溫度降低，制冷量、制熱量減少，同時隨著冷凝器進、出口水溫差的增加，冷凝溫度升高使壓比增大，壓縮機功耗略有增加，導致系統COP降低.系統運行25 min時，進水溫度在20 ℃左右，COP達到最大，也驗證了進水溫度為20 ℃時，系統處于最佳運行狀態.

摘要：

水源熱泵技術利用少量電能將地表水或地下水的低品位能量轉移至高品位，目前正成為節能領域的研究熱點.針對水源熱泵變冷凝參數的相關研究缺乏的現狀，通過搭建水源熱泵熱水器實驗臺進行了相應實驗研究.在水流量Q為0.7～1.3 m3·h-1，進水溫度t為15～30 ℃范圍內，對系統功耗、制熱量、制冷量、熱泵性能系數COP等參數進行了測量.實驗結果表明，在水流量為1.1 m3·h-1，進水溫度為20 ℃時，COP達到最大值，系統平均熱泵性能系數COPave為3.23，此時系統處于最佳運行工況.由此可知，尋找系統的最佳運行工況對熱泵系統設計和實際工程應用具有重要的意義.

關鍵詞：

水源熱泵熱水器； 進水溫度； 水流量； 最佳運行工況； COP

中圖分類號： TB 66文獻標志碼： A

國內能源短缺日益嚴重已成為制約我國經濟發展的一大瓶頸，國家在重視能源節約和再利用的同時，也更加關注新技術的開發與利用.水源熱泵技術利用少量熱能將地表水或地下水的低品位能量轉移至高品位熱能，因其節能環保的特點，正被廣泛應用[1-2].水源熱泵技術的研究主要包括地表或淺層水源（如地下水、河流和湖泊）熱泵和人工再生水源（工業廢水、廢氣）熱泵[3].

Yan等初步研究了不同的板片形式、制冷劑、流態對板式換熱器換熱效果的影響，分析了板式換熱器作為冷凝器或蒸發器應用于地下水源熱泵系統中的特點[4-5].王芳通過實驗和仿真模擬研究發現，井水進、出口溫差一定時，進口溫度升高有助于提高地下水源熱泵系統COP；井水進口溫度一定時，進、出口溫差的升高將降低系統COP[6].朱禹實驗研究發現隨著蒸發器側水流量增大，熱泵系統COP升高[7].陳劍波研究表明，對R410a水源熱泵空調機組而言，進水溫度升高時，在制熱工況下有利于提高系統COP，在制冷工況下將降低系統COP[8].

上述研究多集中在冷凝或蒸發參數基本保持不變時的實驗研究和模擬分析，并未分析變冷凝參數工況下熱泵系統運行特性.本文通過搭建水源熱泵熱水器實驗臺，研究系統運行過程中，冷凝器側參數不斷變化時，進水溫度、水流量對COP、功耗、制熱量、制冷量的影響，從而得到水源熱泵熱水系統的最佳運行工況，為后續實際應用提供參考依據.

1實驗原理及實驗臺組成

水源熱泵實驗裝置原理如圖1所示.實驗裝置主要包括兩個系統：熱泵系統和水系統，其中水系統又包括冷凍水系統（蒸發器側）和冷卻水系統（冷凝器側）.熱泵系統由蒸發器、壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥及其它輔助部件組成.

制冷劑與低溫熱源循環水在蒸發器中進行熱交換（蒸發吸熱），經壓縮機壓縮后進入冷凝器與蓄熱循環水進行熱交換（冷凝放熱），過冷液體經熱力膨脹閥進入蒸發器，完成一個循環，從而達到把能量從低品位轉移至高品位的目的.通過布置在系統流程中的9個溫度測點、4個壓力測點和1個示功器，可及時了解制冷劑各點狀態參數、蒸發器和冷凝器進、出口水溫及壓縮機功耗.本實驗采用溫度可控的電加熱水箱模擬低溫熱源.

2實驗結果及分析

為研究低溫熱源參數對系統性能的影響，實驗分為定溫度變流量（進水溫度t為20 ℃，水流量Q分別為0.9、1.1、1.3 m3·h-1）、定流量變溫度（Q為1.1 m3·h-1，t分別為15、20、25、30 ℃）和同時制冷、制熱運行三大類.當系統運行穩定后（開機約5 min），記錄系統運行參數，當恒溫水箱溫度達到設定值時，停止工作.

2.1不同水流量下系統功耗、COP隨時間的變化

圖2為進水溫度為20 ℃時，不同水流量下功耗、COP隨運行時間的變化.由圖2（a）可知，功耗隨運行時間的增加而增加，且水流量越大，其增加速率越快；由圖2（b）可知：Q=0.9 m3·h-1時，系統平均熱泵系數COPave=3.17；Q=1.1 m3·h-1時，COPave=3.23；Q=1.3 m3·h-1時，COPave=3.13.COP隨水流量增大，呈現先增大后減小的趨勢，Q=1.1 m3·h-1時，系統處于最佳運行狀態.這是因為在進水溫度恒定時，隨著水流量增加，將導致蒸發器進、出水溫差減小，制冷劑流量略有增加，系統制熱量、制冷量增加，功耗增加.Q≤1.1 m3·h-1時，功耗增加速率小于制熱量增加速率，COP增大；當Q≥1.1 m3·h-1時，功耗增加速率大于制冷量增加速率，導致COP下降.

2.2不同進水溫度下系統功耗、COP隨時間的變化

圖3為水流量Q=1.1 m3·h-1時，不同進水溫度下，功耗、COP隨運行時間的變化.由圖3（a）知，功耗隨系統運行時間的增加而增加，且低溫熱源進口水溫越高，增加速率增大.由圖3（b）可知：t=15 ℃時，COPave=3.16；t=20 ℃時，COPave=3.23；t=25 ℃時，COPave=3.10；t=30 ℃時，COPave=3.01.COP隨進水溫度的升高，呈現先增大后減小的趨勢，t=20 ℃時，系統處于最佳運行狀態.這是因為低溫熱源水流量恒定時，隨著進水溫度的升高，系統蒸發壓力升高，制冷劑流量增加，功耗增加，系統制熱量、制冷量增加.t≤20 ℃時，功耗增加速率小于制熱量增加速率，COP增加；t≥20 ℃時，功耗增加速率大于制熱量增加速率，COP下降.

2.3雙工況運行時進水溫度、功耗及COP隨時間的變化

雙工況運行指系統在進水溫度（蒸發溫度）連續下降，冷凝溫度連續升高的工況下運行.圖4為雙工況運行，水流量Q=0.7 m3·h-1，初始進水溫度為24.5 ℃時，進水溫度、功耗及COP隨運行時間的變化.從圖中可知，隨著系統的運行，進水溫度不斷下降，功耗不斷升高，COP先增大后降低.在系統運行初始階段，由于蒸發器出口制冷劑過熱度大，導致熱力膨脹閥開度增大、制冷劑流量增加，繼而制冷量、壓縮機功耗、制熱量增加，且制熱量增加幅度大于壓縮機功耗增加幅度，COP升高；25 min后，由于進水溫度降低，制冷量、制熱量減少，同時隨著冷凝器進、出口水溫差的增加，冷凝溫度升高使壓比增大，壓縮機功耗略有增加，導致系統COP降低.系統運行25 min時，進水溫度在20 ℃左右，COP達到最大，也驗證了進水溫度為20 ℃時，系統處于最佳運行狀態.