空氣源熱泵熱水器系統性能優化探討

摘 要：針對全年氣溫相對較高的地區，空氣源熱泵熱水器的應用相對廣泛，正因為如此，采取有效措施提升熱水器系統性能至關重要，在優化系統性能的基礎上，可以促使能源利用率有效提升。在這種情況下，本文對室內夏季高溫環境進行了模擬，并在對空氣源熱泵熱水器實驗臺進行應用的過程中，詳細研究了系統性能。

關鍵詞：空氣源熱泵；熱水器；系統性能；優化

現階段，太陽能熱水汽、電熱水器以及燃氣熱水器等在我國得到了廣泛的應用，同其他種類的熱水器相比，空氣源熱泵熱水器在應用的過程中，不僅呈現出了較高的安全性，同時運行效率以及環保性能都相對較高，因此得到了人們的認可。本文對空氣源熱泵熱水器系統的性能優化展開了詳細探討，希望為我國熱水器領域的全面發展奠定一定理論基礎。

一、實驗原理及方法

水循環和制冷劑循環部分共同構成了空氣源熱泵熱水實驗系統，其中翅片蒸發器、滾動轉子壓縮機、可視管以及電磁閥等共同構成了制冷劑循環部分；電加熱箱、儲水箱以及浮子流量計和循環水泵等共同構成了水系統循環部分。

試驗臺系統中，部分制冷劑氣體在蒸發器中存在過熱現象，這部分氣體可以被壓縮機吸收，在類似于等熵壓縮處理的基礎上，最后輸入到冷凝器中的氣體為高壓氣體，在流經冷水以后，高壓過冷液體會在冷凝的基礎上形成，將其傳送到高壓儲液罐中以后，會想蒸發器流入，此時需要經過電子膨脹閥節流處理，最終實現整個循環。

過熱狀態存在于蒸發器出口處，在對其進行控制的過程中，可以利用電子膨脹閥開度調節的方式，水流量調節在水循環系統中的實現，需要對水泵轉速進行轉變，同時還應在調控浮子流量計頂部的閥門來實現這一目標，100L為本文所述水箱充水量。

二、實驗結果和分析

（一）夏季工況下R134a系統循環特性分析

在對夏季工況下R134a系統參數進行全面記錄的基礎上，對參數變化進行分析，從實驗工況來看：9L/min為循環水流量，8%為電子膨脹閥開度，在數據采集的過程中，是以30攝氏度循環熱水為起點的，并不斷提高水溫，將其加熱到55攝氏度。本文在展開實驗的過程中，采用了23、28、30、32以及35攝氏度的環境溫度，并對系統平均CCOP進行采集。

在不斷升高的環境溫度中，CCOP作為系統平均能效比處于逐漸提高的狀態，根據本實驗中的溫度變化特點，產生了4.0的CCOP平均值，5.2為最大值。當23～30攝氏度為環境溫度時，明顯的上升現象存在與CCOP中，而在30～35攝氏度為環境溫度時，這一數值的上升趨勢減緩。產生這一現象的主要原因是，在不斷提升環境溫度的背景下，一定程度上提升了蒸發器端熱負荷，這就導致蒸發溫度有所升高，在這種情況下，始終擁有較小的過熱度存在于蒸發器出口，此時會產生不斷上升的CCOP。如果繼續提高環境溫度，那么會連續增加蒸發器出口過熱度，此時有效換熱面積在蒸發器中會明顯縮小，增勢減緩的現象在系統平均CCOP中產生。

在不斷提升循環熱水溫度的過程中，線性增加的現象在壓縮機功耗中形成；越高的環境溫度會產生越大的耗功，然而如果循環水溫相同，耗功受環境溫度的影響較小，此時僅僅會產生3.6%的增加幅度。當循環水溫度不斷提升，由30攝氏度上升到55攝氏度時，會產生1.6倍的壓縮機功耗，由此可見，此時擁有較大的增加幅度。產生這一現象的主要原因是冷凝溫度、冷凝壓力在不斷升高的水溫度情況下，也產生了提升的現象，這會增大壓縮機壓比，并降低容積效率；與此同時，隨之增加的還有壓縮機單位循環比，最終在促使熱水溫度不斷提升的過程中，壓縮機功耗也會不斷升高。

（二）系統運行性能受電子膨脹閥應用的影響分析

在本次實驗中，對不同狀態下電子膨脹閥的系統能耗比、過熱度以及蒸發器出口溫度和蒸發溫度的變化趨勢進行了總結和分析，23攝氏度為本次實驗中最初的環境溫度設定值，21攝氏度為水箱進水溫度，9L/min為水流量，在實驗中需要不斷加熱水，一直需要加熱到55攝氏度。

在本次實驗中，需要對不同開度的電子膨脹閥進行觀察，此時會發現擁有逐漸降低的過熱度和不斷上升的蒸發溫度，平滑性強是溫度整個變化過程中曲線的主要特點，同時在后期對熱水進行加熱處理的過程中，穩定性強成為過熱度和蒸發溫度變化的主要特點。熱水在水箱中應不斷進行加熱，一直到55攝氏度為止，這一過程中擁有6%的閥開度，而8攝氏度則是過熱度值，這一數值相對穩定；在8%的閥開度時，通常會擁有5攝氏度的過熱度，且數值相對穩定；當擁有10%的閥開度時，通常會擁有3攝氏度的過熱度，且數值相對穩定。過熱度在蒸發器出口處會不斷降低，而此時電子膨脹閥開度是處于不斷增大的狀態。產生這一現象的主要原因是，在不斷增大電子膨脹閥開度的過程中，隨之升高的還有蒸發溫度，此時風機轉速以及環境溫度并不會發生任何轉變，但是會不斷降低過熱度。

制冷劑流量在系統循環中要想得到有效的調節，應對電子膨脹閥進行應用，小范圍的震蕩就會在過熱度和蒸發溫度中形成，同時增大閥開度，就會產生更大的震蕩范圍。因此系統正常運行過程中，應對過熱度進行有效的控制，此時溫度劇烈震蕩問題就不會在熱力膨脹閥中產生，而靜態過熱度也不需要進行頻繁的調節，在這種情況下，將產生更為簡單且穩定的蒸發器過熱度調節過程。

當擁有較大的膨脹閥開度時，此時系統能效比將相對較高；然而在促使進口水溫度在套管換熱器中不斷提升的過程中，此時線性降低的現象就會在CCOP中產生。產生這一現象的主要原因是當膨脹閥開度過大時，制冷劑在進入蒸發器中時量會提升，此時會減小蒸發器出口過熱度，而有效相變換熱面積在蒸發器中會不斷提升，最終會產生不斷上升的換熱效率，在這種情況下，促使CCOP得到了提升。因此在穩定、安全的壓縮機運行狀態下，制冷劑流量可以應用膨脹閥進行調節。

三、空氣源熱泵熱水器系統性能優化

第一，在環境溫度相對較高的夏季，空氣源熱泵熱水器冷媒為制冷劑R134a，其所呈現出的系統能效比相對較高，同時所產生的排氣溫度相對較低，但是如果擁有過高的環境溫度，那么會極大的增加吸氣過熱度，同時會導致有效換熱面積明顯降低，最終會對換熱性能產生不利影響。

第二，對熱水進行加溫處理，當其從30攝氏度上升值55攝氏度以后，線性增加的現象產生于功耗中，具體增長倍數為1.6；此時隨之增大的還有壓比，導致一定的安全隱患產生于系統中，并且加劇了壓縮機的震動現象，并降低溶劑效率，在這一過程中，穩定性在系統運行中明顯降低；如果始終保持45攝氏度左右的循環水進水溫度，那么將產生最佳系統利用率。

第三，制冷劑流量在系統循環中要想得到有效的調節，就可以對電子膨脹閥進行應用，此時過熱度在蒸發器出口處能夠得到精確的控制，在這種情況下，變工況情況下系統的不穩定運行可以得到高效解決，而系統能效比也將有效提升。然而，小范圍的震蕩會在穩定的過熱度和蒸發溫度中形成，同時如果產生較大的閥開度，這以震蕩問題就會更加嚴重；必須確保能夠實現穩定且安全的壓縮機運行狀態，只有這樣才能夠在任何負荷狀態下產生較高的運行效率。

結束語：

綜上所述，在對空氣源熱泵熱水器試驗臺進行應用的過程中，能夠對熱泵系統在R134a時和夏季工況下的具體運行參數進行獲取，同時也促使電子膨脹閥開度實驗得以實現。本文對套管換熱器進出水溫差、系統能效在不同水流量、周邊溫度環境基礎上的變化進行了討論，從而得出了具體的空氣源熱泵熱水器系統性能優化途徑，希望為相關領域的全面發展奠定一定理論基礎。

作者簡介：

王虹（1986-09），性別：女，籍貫：吉林省吉林市，工作單位：吉林省長熱維修實業有限公司，學歷：碩士研究生，職稱：工程師，研究方向：公用設備設計及安裝。endprint