不同進口結構對熱泵熱水器釋能過程性能實驗研究

秦露雯 杜明浩 沈立第 李舒宏

(東南大學能源與環境學院 南京 210096)

空氣源熱泵熱水器因其節能環保、穩定高效的特點在國內熱水器市場占據重要份額[1-3]，如何持續輸出高品質熱水和提升系統性能成為亟待解決的問題。蓄熱水箱作為熱泵熱水器系統中的核心部件[4]，水箱內的熱分層不僅直接影響輸出熱水的品質，更對熱泵系統冷凝側性能影響顯著。

水箱進口結構能夠顯著影響水箱熱分層，可以優化進口結構以改善水箱內的熱分層現象[5]。水箱進口結構優化方式主要包括：1)設計新型水箱進口結構。A.A.Hegazy等[6]設計了楔形、穿孔型和開槽型進口，性能測試實驗結果表明，水箱進口形狀能夠顯著影響熱水器性能，采用穿孔型進口的熱水器熱分層最佳，采用開槽型進口的熱水器性能略優于采用楔形進口的熱水器。Li Shuhong等[7]實驗對比了楔形、開槽型和噴頭型進口對水箱釋能性能的影響，結果表明，開槽型進口能夠有效減少進口處的冷熱水摻混，大幅改善釋能時水箱中的熱分層現象，提升水箱釋能效率。2)改變進口位置和進口直徑。S. Levers等[8]建立了三維模型研究水箱進出口位置和流量對水箱性能的影響，結果表明，水箱進、出口的最佳位置是水箱底部和頂部，進口流速越大，對水箱內熱分層的沖擊越劇烈，當進口流速過高時，單純的進口位置變化已不足以改善熱分層，應在進口處加裝擋板等導流設施。3)在進口處加裝擋板。L. J. Shah等[9]針對圓柱形太陽能儲罐設計了直接型、半球形擋板進口和大扁平擋板進口，通過模擬和實驗的方法進行了研究，結果表明，帶擋板的水箱進口相比于直接型進口能夠有效減少水箱下部的冷熱水摻混，顯著改善水箱內的熱分層，且采用大平面擋板進口的水箱熱分層程度更高。隨著水箱進口流速的增大，帶擋板的水箱進口對水箱熱分層的改善越顯著。A.Zachar等[10]研究了擋板直徑和高度對水箱熱分層的影響，結果表明，當擋板直徑大于水箱直徑的95%、平板與水箱入口距離不超過水箱高度的3%時，熱分層程度顯著提高。

水箱進口結構對熱泵系統性能影響顯著。Li Wenzhe等[11]建立了水箱與熱泵系統模型，得知水箱熱分層變化對熱泵系統COP(coefficient of performance)影響顯著。I. Sifnaios等[12]利用CFD模擬與水箱連接的循環式熱泵系統，研究了水箱熱分層對熱泵系統COP的影響，結果表明，水箱熱分層與熱泵系統COP有直接關系，熱分層程度越高，系統COP越高，在水箱進出口處加裝擋板能夠顯著提高大流量加熱時的系統COP。

為提升空氣源熱泵熱水器的系統性能，本文設計了一種弧形擋板型水箱進口結構，以熱水輸出率和系統COP為評價指標，搭建實驗臺與直接型和側進型進口結構熱泵熱水器的性能進行對比，以實現熱水輸出率和系統COP雙高效的運行效果。

1 實驗臺搭建

1.1 水箱結構

對某品牌空氣源熱泵熱水器進口結構進行改造，搭建了可以更換不同進口結構的熱泵熱水器實驗系統。將熱泵熱水器水箱頂部加工成可拆卸的方式，方便更換進水口。設計并加工出直接型、側進型和弧形擋板型進口結構。水箱進口結構如圖1所示，水箱結構參數如表1所示。

圖1 進口結構(單位：mm)Fig. 1 Inlet structure (unit: mm)

表1 水箱結構參數Tab. 1 Structural parameters of water tank

1.2 熱泵熱水器系統

空氣源熱泵熱水器實驗系統如圖2所示，電腦連接數據采集儀，將水箱內12個溫度測點的實驗數據輸入電腦表格中。通過開啟或關閉進口處和出口處的閥門控制水箱運行模式，具體運行模式如下：

1)實驗開始前保持水箱內水處于排干狀態，同時打開進口和出口處閥門，將來自市政自來水管道的水充滿水箱，同時關閉進口和出口處閥門；

2)打開電腦及數據采集儀，開啟熱泵熱水器機組進行蓄能過程實驗，測量并采集水箱內12個測溫點的數據；

3)當12個測點溫度平均值達到55 ℃時，同時開啟進口和出口處閥門進行釋能過程實驗，通過流量表顯示數據控制進口處流量，并采集水箱內12個測溫點的數據，直至釋能過程結束。

圖2 空氣源熱泵熱水器實驗系統Fig. 2 Air-source heat pump water heater experiment system

2 釋能過程水箱分層特性

在進行熱泵熱水器釋能過程實驗前，先啟動熱泵熱水器蓄能模式，將水箱內溫度為(23.2±0.2)℃的市政自來水加熱至(55±0.5)℃，以保證采用不同進口結構的熱泵熱水器在不同工況下釋能實驗的起始水溫相同。進口結構位于水箱底部，對熱泵熱水器蓄能過程性能影響有限，釋能初始時刻水箱內熱分層基本相同。控制進口水溫在(23.2±0.2)℃，控制進口流量分別為5、7.5、10 L/min,對采用直接型、側進型和弧形擋板型進口結構的熱泵熱水器進行實驗。

3種實驗工況進口流量不同，為了便于統一分析，研究整個水箱置換一次過程中水箱各層水體溫度的分布情況以及出水溫度特性，因此定義無量綱釋能時間如下：

tuse=Vst/vuse

(1)

τuse=t/tuse

(2)

式中：Vst為水箱體積，m3；vuse為釋能過程進口流量，m3/s；t為釋能時間，s；tuse為置換一箱水的釋能總時間，s；τuse為無量綱釋能時間。

2.1 5 L/min進口流量下溫度分布

當進口流量為5 L/min時，釋放一整箱水所需釋能時間為1 800 s。在水箱釋能過程中，由于進口處冷水的流入，水箱不同高度處的水溫會不斷下降。進口流量為5 L/min時水箱不同高度處的溫度分布如圖3所示。

圖3 不同進口結構下水溫分布(流量：5 L/min)Fig. 3 Water temperature distribution under different inlet structures (flow rate: 5 L/min)

由圖3可知，弧形擋板型進口結構的熱分層現象優于直接型進口結構和側進型進口結構。當釋能時間為1 500 s時，弧形擋板型進口對應的水箱頂層水溫為53.34 ℃，而直接型進口和側進型進口對應的水箱頂層水溫分別為41.87 ℃和38.02 ℃。弧形擋板型進口對應的水箱頂層水溫比直接型進口提高27.4%，比側進型進口提高40.3%。同時，在整個釋能過程中，弧形擋板型進口對應的水箱頂層水溫始終高于直接型進口和側進型進口。結果表明，弧形擋板型進口結構的熱分層最好，在熱泵熱水器釋能過程中可持續輸出高品質的熱水。

2.2 7.5 L/min進口流量下溫度分布

當進口流量為7.5 L/min時，釋放一整箱水所需釋能時間為1 200 s。進口流量為7.5 L/min時水箱不同高度處的溫度分布如圖4所示。

圖4 不同進口結構下水溫分布(流量：7.5 L/min)Fig. 4 Water temperature distribution under different inlet structures (flow rate: 7.5 L/min)

由圖4可知，當進口流量為7.5 L/min時，弧形擋板型進口結構的熱分層現象依然優于直接型和側進型進口結構。當釋能時間為960 s時，弧形擋板型進口對應的水箱頂層水溫為53.98 ℃，而直接型進口和側進型進口對應的水箱頂層水溫分別為40.24 ℃和33.29 ℃。弧形擋板型進口對應的水箱頂層水溫比直接型進口提高13.73%，比側進型進口提高20.69%。

直接型進口結構沿水箱高度方向水溫基本相同，幾乎不存在熱分層；側進型進口結構存在一定的熱分層，水溫相差較小；弧形擋板型進口結構頂部和底部水溫相差最大，水箱熱分層最好。

2.3 10 L/min進口流量下溫度分布

當進口流量為10 L/min時，釋放一整箱水所需釋能時間為900 s。進口流量為10 L/min時水箱不同高度處的溫度分布如圖5所示。

圖5 不同進口結構下水溫分布(流量：10 L/min)Fig. 5 Water temperature distribution under different inlet structures (flow rate: 10 L/min)

由圖5可知，當進口流量為10 L/min時，弧形擋板型進口結構的熱分層現象依然優于直接型和側進型進口結構。當釋能時間為600 s時，弧形擋板型進口對應的水箱頂層水溫為54.43 ℃，而直接型進口和側進型進口對應的水箱頂層水溫分別為41.18 ℃和34.86 ℃。弧形擋板型進口對應的水箱頂層水溫比直接型進口提高32.17%，比側進型進口提高56.14%。

圖6 不同進口結構下出口水溫分布Fig. 6 Water temperature distribution of outlet under different inlet structures

圖6所示為3種進口結構在不同進口流量下水箱出口水溫隨無量綱釋能時間的變化。由圖6可知，在不同的進口流量下，弧形擋板型進口結構出口水溫拐點出現的時間明顯晚于直接型進口結構和側進型進口結構。當進口流量為5 L/min時，直接型進口、側進型進口和弧形擋板型進口出口水溫拐點對應的無量綱釋能時間分別為0.40、0.57和0.83。弧形擋板型進口結構出口水溫拐點對應的無量綱釋能時間比直接型進口結構晚51.81%，比側進型進口結構晚31.32%。隨著進口流量的增加，不同進口結構出口水溫拐點對應的無量綱釋能時間明顯減小，當進口流量由5 L/min增至10 L/min時，直接型進口結構出口水溫拐點對應的無量綱釋能時間由0.40降至0.03。側進型進口結構和弧形擋板型進口結構的出口水溫也存在一個明顯的拐點，隨著進口流量的增加，側進型進口結構和弧形擋板型進口結構出口水溫拐點對應的無量綱釋能時間分別由0.57降至0.37，由0.83降至0.70。

綜上所述，隨著進口流量的增加，出口水溫下降的時間相應提前。弧形擋板型進口結構能有效減小進口流量的增加對出口水溫的影響，使熱泵熱水器出口水溫始終保持在較高溫度，長時間輸出高品質熱水。

3 實驗結果與討論

3.1 熱水輸出率與COP定義

1)熱水輸出率

熱水輸出率是衡量水箱釋放熱水性能的重要指標，能夠體現水箱輸出熱水的溫度品質和體積容量效率[13]。從開始放水15 s后記錄進水和出水溫度，在放水期間每間隔5 s記錄一次，連續放水至出口溫度低于設定出水溫度10 ℃為止，此時停止放水，計算平均放水溫度和放出水的質量。熱水輸出率計算式如下[14]：

(3)

式中：μ為熱水輸出率；mP為放出水的質量，kg；TP為平均放水溫度，℃；T1為進水溫度，℃；ρ為在平均放水溫度下水的密度，kg/m3；CR為水箱的額定容量，L。

2)水箱得熱量

水箱得熱量Qw(W)包括水箱內熱量變化和水箱進出口熱量差值兩部分，計算式如下：

Qw=cp,w[mw(Tw,i+1-Tw,i)+mo(To,i+1-Ti,i)]

(4)

式中：mw、mo分別為水箱內水的總質量和出口水的質量，kg；cp,w為水的比熱容，J/(kg·K)；Tw為水溫，℃；Ti、To分別為水箱進、出口水溫，℃；下標i、i+1分別表示當前時刻和下一時刻。

3)系統性能系數

根據定義，熱泵系統性能系數COP可由水箱得熱量Qw(W)和壓縮機功耗Wco(W)直接計算獲得[15]：

COP=Qw/Wco

(5)

一段時間內的平均性能系數COPave：

(6)

3.2 不同流量下熱水輸出率對比

圖7所示為直接型、側進型和弧形擋板型進口結構在5、7.5、10 L/min進口流量下的熱水輸出率。由圖7可知，隨著進口流量的增加，熱水輸出率顯著下降，這是因為進口流量的增加會導致水箱內熱分層惡化，進而導致出口水溫下降更快。

圖7 不同進口結構下熱水輸出率Fig. 7 Hot water output rate under different inlet structures

在給定的3種進口流量下，弧形擋板型進口結構的熱水輸出率均顯著高于直接型和側進型進口結構。當進口流量為5 L/min時，直接型、側進型和弧形擋板型進口結構的熱水輸出率分別為46.40%、51.26%和70.93%。弧形擋板型進口結構比直接型進口結構提升52.87%，比側進型進口結構提升38.37%。當進口流量為10 L/min時，直接型、側進型和弧形擋板型進口結構的熱水輸出率分別為29.15%、32.38%和57.31%。弧形擋板型進口結構比直接型進口結構提升96.60%，比側進型進口結構提升76.99%。弧形擋板型進口結構能夠將進口冷水控制在水箱底部，在擋板上部與水箱兩側壁面的漸擴區域形成穩定活塞流，水箱中上部熱分層幾乎不受進口冷水影響，能夠持續輸出高品質熱水。

進口流量由5 L/min增至10 L/min時，直接型、側進型和弧形擋板型進口結構的熱水輸出率降幅分別為37.18%、36.83%和19.20%。弧形擋板型進口結構能夠有效避免由于進口流量增加導致的冷熱水混合加劇，使水箱內熱分層保持在較好水平，在不同進口流量下始終能長時間輸出高品質熱水，明顯優于另外兩種進口結構。

3.3 不同流量下系統COP對比

圖8所示為直接型、側進型和弧形擋板型進口結構在5、7.5、10 L/min進口流量下釋能30 min內的系統COP。由圖8可知，隨著進口流量的增加，系統COP有所下降，這是因為進口流量的增加導致水箱內熱分層惡化，從而導致冷凝盤管對應的水溫上升，冷凝溫度上升，系統COP下降。

圖8 不同進口結構下系統COPFig. 8 COP of the system under different inlet structures

在給定的3種進口流量下，弧形擋板型進口結構的系統COP均高于直接型和側進型進口結構。當進口流量為5 L/min時，直接型、側進型和弧形擋板型進口結構的系統COP分別為4.48、4.65和4.80。弧形擋板型進口結構比直接型進口結構提升7.14%，比側進型進口結構提升3.22%。當進口流量為10 L/min時，直接型、側進型和弧形擋板型進口結構的系統COP分別為4.40、4.52和4.77。弧形擋板型進口結構比直接型進口結構提升8.40%，比側進型進口結構提升5.53%。弧形擋板型進口結構能夠將進口冷水控制在水箱底部，大幅減小冷熱水摻混范圍，降低摻混后的水溫，降低冷凝溫度。同時，弧形擋板能夠將進口冷水導流至水箱兩側換熱壁面，提高冷凝盤管與水箱內冷水的傳熱系數，從而提高系統COP。

進口流量由5 L/min增至10 L/min時，直接型、側進型和弧形擋板型進口結構的系統COP降幅分別為1.79%、2.80%和0.63%。弧形擋板型進口結構能夠有效避免進口流量的增加導致的對水箱內熱分層現象的惡化，使水箱熱分層穩定保持在較高水平，系統COP始終優于直接型和側進型進口結構。

4 結論

本文設計并定做了弧形擋板型進口結構，搭建了空氣源熱泵熱水器實驗臺，以熱水輸出率和系統COP為評價指標，對比了采用直接型、側進型和弧形擋板型進口結構的空氣源熱泵熱水器釋能過程運行性能，得到如下結論：

1)弧形擋板型進口結構可顯著改善沿水箱高度的熱分層現象，將進口出冷水控制在水箱下部。側進型進口結構的熱分層優于直接型進口結構。

2)弧形擋板型進口結構出口水溫拐點對應的無量綱釋能時間最晚，當進口流量為5 L/min時，弧形擋板型進口結構出口水溫拐點對應的無量綱釋能時間比直接型進口結構晚82.5%，比側進型進口結構晚32.07%。

3)在給定的3種進口流量工況下，弧形擋板型進口結構熱水輸出率和系統COP均優于直接型和側進型進口結構。當進口流量在5～10 L/min之間變化時，弧形擋板型進口結構比直接型進口結構熱水輸出率提升了52.87%～96.60%，系統COP提升7.14%～7.40%。相比于其他兩種結構，弧形擋板型進口結構實現了熱水輸出率和系統COP雙高效的運行效果。

本文受空調設備及系統運行節能國家重點實驗室項目(ACSKL2019KT10)資助。(The project was supported by the State Key Laboratory of Air-conditioning Equipment and System Energy Conservation (No. ACSKL2019KT10) .)