初始水溫對空氣源熱泵熱水器系統性能的影響

袁朝陽 陶樂仁 虞中旸

（上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

初始水溫對空氣源熱泵熱水器系統性能的影響

袁朝陽 陶樂仁 虞中旸

（上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

本文針對空氣源熱泵熱水器加熱至較高水溫時系統效率明顯下降的問題，研究初始水溫對系統性能的影響，通過實驗改變初始水溫，分析系統各參數隨加熱水溫的變化規律，得到實際運行特性及制熱性能惡化的原因。結果表明：相同初始水溫，隨著加熱的進行，COP不斷下降，加熱前期下降趨勢較為平緩，后期變大；不同初始水溫，因系統開機時存在“預熱”階段，加熱后期又受壓縮機大量吸氣帶液的影響，故平均COP隨初始水溫的升高呈先減小后增大的趨勢；少量吸氣帶液能有效降低排氣溫度，改善系統性能，大量吸氣帶液卻增大系統功耗，加劇COP的下降趨勢。此外，提出以排氣溫度下降后再次上升時的拐點作為壓縮機開始大量吸氣帶液的參照點，從而提升系統性能。

熱泵熱水器；初始水溫；兩相流；排氣溫度

空氣源熱泵由逆卡諾循環從較低溫度的空氣中吸取熱能，通過壓縮機做功，將熱能供給較高溫度的熱源，這比純粹的電加熱或者用氣體燃料加熱更經濟［1－2］。不同于常規的熱泵，空氣源熱泵熱水器具有運行工況范圍寬，常年制熱以及冷凝溫度時變等特點，當機組運行至較高水溫時，不僅效率會有明顯下降，還存在壓縮機超負荷及排氣溫度過高等方面的隱患［3－4］。因此，研究較高水溫時的系統性能和變化規律至關重要，眾多學者對此進行了研究。

孫濤等［5］發現使用短毛細管的熱泵熱水器，加熱水至高溫區出現壓縮機吸氣帶液現象，造成制熱量下降，且毛細管越短，出現的時間越早，并提出在加熱過程中切換使用不同長度的毛細管可大幅提升熱泵性能。張良俊等［6］使用可調節開度的熱力膨脹閥，發現系統在較為合適的制冷劑充注量下，適當調節閥開度可達到最佳運行性能，但考慮其在流量調節作用上的局限性，建議使用電子膨脹閥。對使用電子膨脹閥的空氣源熱泵熱水器系統動態性能的實驗研究［7－8］表明，調節電子膨脹閥可保持系統過熱度基本不變，在加熱低溫區，設置電子膨脹閥為大開度可提高系統性能和制熱量，但在加熱高溫區則恰恰相反。以此提出在不同加熱區間使用不同閥開度來提高熱泵系統性能的方法，并證實了可行性。

實際應用中發現，空氣源熱泵熱水器在運行至高溫區壓縮機吸氣口易進入兩相區，形成濕壓縮影響系統性能。針對這一特性，熱泵熱水器系統多采用熱泵專用滾動轉子壓縮機。研究表明高背壓滾動轉子壓縮機具有一定的抗濕壓縮能力［9］。因此，陶宏等［10－14］在壓縮機吸氣口安裝可視管，觀察到壓縮機運行在少量吸氣帶液的狀態時系統制冷量和COP均提高，但當大量吸氣帶液時壓縮機的性能下降，影響系統運行效率，因此仍需盡量避免濕壓縮。

陳振豪等［15］實驗研究了水箱設定溫度對系統運行性能的影響，指出COP隨水箱設定溫度的升高呈近線性下降趨勢，且環境溫度越低下降越明顯。江斌等［16－17］研究表明，空氣源熱泵熱水器的制熱效率隨加熱水溫的升高而降低是系統的固有特性，運行中可通過調節節流機構等外部條件來適當提升高溫區的系統性能，減緩COP的下降趨勢。但是對于高溫區系統性能惡化原因是否與加熱水溫的升高有關，以及對惡化出現時機的判斷依據等方面的研究卻不夠充分，高水溫對系統性能的影響需進一步研究。因此本文以空氣源熱泵熱水器裝置為平臺，通過改變初始水溫，實驗研究了系統性能的變化規律，得到制熱效果變差的根本原因，揭示整個加熱過程中的關鍵問題，并提出系統改進的方向。

1 實驗原理與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置的結構原理類似循環加熱式熱泵熱水器，如圖1所示。實驗系統分為制冷劑循環和水循環兩部分。

圖1 實驗裝置原理Fig．1 The principle of experimental installation

制冷劑循環部分由壓縮機、質量流量計、翅片蒸發器、套管冷凝器、電子膨脹閥、高壓儲液器、電磁閥、過濾器、視液鏡等組成。壓縮機選用 WHP02830?C4AT型熱泵專用滾動轉子式壓縮機，定頻50 Hz，可解決壓縮機過熱的問題。額定制冷量為2 245 W，制熱量為2 930 W，額定功率為685 W。制冷劑為R134a。壓縮機吸氣口自帶氣液分離器，當壓縮機吸入少量液態制冷劑時，制冷劑液滴較小，會在極短時間內吸收機體耗散熱量和高溫氣態制冷劑熱量而迅速蒸發，因此長時間運行不會發生“液擊”現象。壓縮機吸氣和排氣口接入KP型壓力控制器，保護壓縮機工作在正常壓力范圍內。質量流量qm由科式力質量流量計測量，精度 ±0.1%。蒸發器選用管徑為?9.52 mm ×0.28 mm 的翅片管式換熱器，并配置額定風量為530 m3/h的YWY型外轉子軸流風機。冷凝器選用TY1222型套管換熱器，銅管外徑16 mm，換熱面積0.61 m2。電子膨脹閥為步進電機控制器驅動的直動式電子膨脹閥，可手動調節控制器改變膨脹閥開度。

水系統循環部分由循環水泵、電加熱箱、浮子流量計、套管冷凝器、儲水箱組成閉式回路。循環水泵采用 RS?15/6 型屏蔽泵，可調流量范圍3 ～11 L/min。電加熱箱可調節初始水溫，加熱量由調壓調功器控制。循環水流量qv由浮子流量計測得，精度±2