帶閃發補氣的家用空氣源熱泵熱水器實驗研究

王家正 馬國遠 俞國新 朱萬朋 勾倩倩 許樹學

（1 北京工業大學環境與生命學部 北京 100124；2 青島海爾智能技術研發有限公司 青島 266101）

隨著我國經濟不斷發展，建筑能耗占全國總能耗的比例不斷增加[1]，在民用建筑中，熱水能耗在建筑總能耗中的占比十分巨大[2]。空氣源熱泵熱水器因節能高效的優勢而被諸多國家大力推廣應用[3]，在我國華南及西南等地區得到較好的應用，提升效率及擴大其應用環境是兩個主要的研究方向。王宇等[4]通過測試5個不同環境溫度條件下空氣源熱泵熱水器的非用水及用水過程情況，發現在20 ℃以上環境中，保證45 ℃供水的COP（coefficient of performance）均在3以上。Zhang J.等[5]設計了一種空氣源熱泵熱水器性能測試裝置，發現毛細管長、制冷劑填充量、冷凝管長和系統匹配是影響其運行性能的重要參數。S. L. Tangwe等[6]對分體式及一體式空氣源熱泵熱水器進行實驗，發現分體式的性能效果優于一體式。呂傳超等[7]設計了一種置于水箱底部的變直徑冷凝盤管結構，水箱內水溫分層現象得以改善。戴楠楠[8]通過對比等徑盤管和變徑盤管結構下的熱泵熱水器性能，發現采用變徑盤管時冷凝器側傳熱系數提高20.0%，系統COP提升10.23%。林旭[9]設計了一種微通道分液冷凝器，發現其比傳統微通道冷凝器平均壓降更小，制冷劑分布更均勻，COP提高4.88%。A. S. Vieira等[10]對家用空氣源熱泵熱水器進行了研究，發現COP和儲水水箱的容量是影響空氣源熱泵熱水器能耗的重要因素。張潔等[11]通過對熱泵熱水器實驗分析發現，制冷劑充注量與膨脹閥開度的耦合是優化系統性能的關鍵。虞中旸等[12]研究了電子膨脹閥調節對空氣源熱泵熱水器性能的影響，發現加熱前期膨脹閥開度越大COP越大，加熱后期相反。Zou Deqiu等[13]對熱泵熱水器外加相變蓄熱材料（phase change materials, PCM）進行了實驗研究，發現系統制熱COP提升，加熱時間縮短14%。

但在北方寒冷地區或冬季濕冷地區，隨著環境溫度的下降，空氣源熱泵熱水器的能效急劇降低。藕俊彥等[14]分析了低溫環境下R417A替代R22的可行性，發現在較低的室外環境溫度下R417A替代R22優勢明顯。A. Hakkaki-Fard等[15]采用混合工質在寒冷環境下提升熱泵熱水器的性能，發現R32/CO2混合工質相比R410A可使能耗降低23%，GWP（Global Warming Potential）減小16%。張雷等[16]通過研究發現，HFO-1234ze具有較低的排氣壓力，可作為低溫工況下熱泵熱水器工質。趙曉丹等[17]研發了一種中壓補氣型空氣源熱泵熱水器，解決空氣源熱泵熱水器在冬季低溫環境下制熱性能衰減嚴重的問題。黃娟等[18]在熱泵熱水器上應用了變頻雙級增焓技術，使熱泵的運行范圍從-15 ℃拓寬至-25 ℃。汪濤等[19]對帶有噴氣增焓裝置的熱泵熱水器系統分別充注R32和R410A制冷劑進行對比測試，表明低溫工況下，R32熱泵系統的COP明顯高于R410A熱泵系統。

本文搭建帶閃發補氣的家用空氣源熱泵熱水器實驗系統，在不同環境溫度下與單級壓縮系統進行對比，測試制熱量、COP、加熱時間及排氣溫度等宏觀參數的變化規律，并進一步分析其性能。對其全年能源消耗效率（annual performance factor，APF）進行計算評價，為其在低溫地區的推廣應用提供借鑒。

1 工作原理

熱泵熱水器系統利用壓縮機做功使制冷劑在蒸發器中吸取空氣中的熱量，在熱水器中將熱量放出，加熱水箱內的水。帶閃發補氣的家用空氣源熱泵熱水器系統原理及其壓焓圖如圖1和圖2所示。壓縮機的主要技術參數：制冷劑為R410A，額定制熱量為3 438 W，額定功率為798 W，吸氣容積為8.8 mL/r，額定電流為2.88 A。工作過程：制冷劑經過壓縮機后變為高溫高壓的氣態制冷劑，進入水箱內加熱熱水，在冷凝盤管內放熱后變為中溫高壓的液態制冷劑，在毛細管中進行第一次節流后進入閃發器。在閃發器中制冷劑分為兩路，主回路制冷劑通過電子膨脹閥進行二次節流，進入蒸發器中吸熱，后返回壓縮機吸氣口；補氣回路制冷劑經過雙向電磁閥后被壓縮機補氣口吸入，與主回路氣體混合后進入壓縮機再被壓縮。雙向電磁閥關閉為單級壓縮循環，制冷劑出冷凝盤管后不進行分流，直接用電子膨脹閥進行節流，然后進入蒸發器中吸熱，最后回到壓縮機。

圖1 帶閃發補氣的熱泵熱水器系統原理Fig.1 System of heat pump water heater with flash tank

圖2 理論循環壓焓圖Fig.2 Pressure-enthalpy diagram

空氣源熱泵熱水器的冷凝器可分為外繞式冷凝盤管和內置式冷凝盤管[20]。外繞式冷凝盤管是將冷凝盤管纏繞于水箱內膽外壁，冷凝盤管和水不直接接觸，熱量通過內膽外壁傳遞給水；內置式冷凝盤管將換熱盤管置于水箱內，冷凝盤管和水直接接觸換熱。內置式冷凝盤管與水直接接觸，易結垢及被腐蝕；外繞式冷凝盤管的傳熱效率較內置式冷凝盤管略低，但綜合考慮目前熱泵熱水器系統多數采用外繞式，并且采用微通道冷凝器。微通道冷凝器不同于傳統冷凝器與水箱外壁之間的線接觸，與水箱的接觸為面接觸，換熱接觸面積大，傳熱效果更好。

家用熱泵熱水器宏觀參數計算方法如式（1）～式（4）所示。

制熱水能力：

U=V/H

（1）

式中：U為制熱水能力，L/h；V為被加熱水體積，L；H為加熱時間，h。

熱泵制熱量：

Q=cpρU（T2-T1）/3 600

（2）

式中：Q為熱泵制熱量，kW；cp為平均進出水溫度下水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ρ為平均進出水溫度下水的密度，kg/m3；T1、T2分別為進、出水溫度，℃。

制熱性能系數COP：

COP=Q/P

（3）

式中：P為熱泵制熱消耗功率，kW。

全年能源消耗效率APF：

（4）

式中：WJ為日平均氣溫為tj時每日所需的總熱水熱能，J；nj為發生天數，d；hj為日平均氣溫編號j時加熱總熱量為WJ所消耗的時間，h；Pj為日平均氣溫編號j時制熱消耗功率，kW。

2 樣機與實驗

本文設計并加工了帶閃發補氣的空氣源熱泵熱水裝置，依據GB/T 23137—2020《家用和類似用途熱泵熱水器》[21]對其進行測試，將熱水器的室內機和室外機均放置在一個環境控制室內，環境控制室可實現-20～40 ℃范圍內的調控。圖3所示為實驗臺及其測試系統。

直接測量參數包括：壓縮機吸氣溫度、 壓縮機吸氣壓力、壓縮機排氣溫度、壓縮機排氣壓力、冷凝盤管進出口溫度、冷凝盤管進出口壓力、壓縮機功率。計算得出的參數包括：系統制熱量Q、制熱COP及APF。

圖3 帶閃發補氣的熱泵熱水器系統及其測試裝置Fig.3 System and test device of heat pump water heater with flash tank

使用安捷倫34970A進行數據采集，溫度傳感器使用Pt100及熱電偶，壓力測試采用高精度Huba傳感器。儀器性能參數如表1所示。

表1 實驗用儀器性能參數Tab.1 Parameters of experimental instrument

實驗過程：

1）設定并調節出所需的環境控制室溫度。

2）開啟加熱水系統和循環水供水系統，將水箱內水溫控制在初始水溫。

3）待環境室及水箱初始水溫溫度穩定后，開啟實驗裝置并關閉循環水系統供水閥，同時開啟數據采集系統。

實驗工況條件如表2所示。

3 實驗結果與分析

圖4所示為加熱時間隨環境溫度的變化。由圖4可知，隨著環境溫度的不斷升高，單級壓縮系統和補氣系統加熱時間均減小。環境溫度為-15 ℃時，單級壓縮系統由于外界環境過低導致加熱水至50 ℃時，系統高壓保護停止運行，加熱整箱水的時間為6.33 h，而采用帶閃發器補氣系統完成加熱用時5.03 h，當環境溫度為43 ℃時，加熱時間僅需2.12 h和2 h，補氣系統的加熱時間低于單級系統0.12～1.3 h。在環境溫度更嚴峻的低溫工況下（如-15 ℃），系統從外界獲得熱量困難導致加熱時長增加，補氣系統的加熱速度比單級壓縮系統最高可提升20.5%。

表2 實驗測試工況Tab.2 Test conditions

圖4 加熱時間隨環境溫度的變化Fig.4 Heating time changes with ambient temperature

圖5所示為低溫工況下，單級系統和補氣系統加熱過程水溫的變化。補氣系統在溫度越低的環境中，加熱時間越長，其中在低溫工況下，熱泵熱水器中初始水溫設置為9 ℃，當水溫達到55 ℃時熱泵熱水器自動停機，加熱完成。圖中斜率表示不同系統的制熱水速度，采用帶閃發補氣的熱泵熱水器系統在制熱水速度上快于單級壓縮系統。

圖5 加熱水溫隨加熱時間的變化Fig.5 Heating water temperature changes with heating time

圖6 瞬時制熱COP及制熱量隨補氣開始后的時間變化Fig.6 Instantaneous heating COP and heating capacity changes with the time after the beginning of vapor-injection

圖6所示為補氣系統與單級壓縮系統在補氣開始后的制熱量、瞬時制熱COP隨時間的變化。在補氣開始后，補氣系統的制熱量均略大于單級壓縮系統，而補氣系統的瞬時制熱COP則均低于單級壓縮系統，主要原因是：補氣開始后壓縮機排氣量增大，使系統的制熱量和功耗增大，在補氣開始時，系統功耗突然升高，而制熱增幅緩慢，使系統的瞬時制熱COP短時間內降低，隨后又趨于緩慢下降。補氣系統在開始補氣后17 min便加熱完成，而單級壓縮系統則在45 min后完成加熱。可知，補氣后可大幅減小加熱時間。

圖7所示為制熱量及排氣溫度隨環境溫度的變化。由圖7可知，系統制熱量隨環境溫度的降低而逐漸降低，且各工況條件下補氣系統的制熱量均小于單級壓縮系統的制熱量。當環境溫度由43 ℃降至-15 ℃時，補氣系統制熱量的增長量由5.9%提高至21.3%。由于其采用閃發補氣，使系統冷凝器的制冷劑質量流量增大，從而使冷凝器制熱量增加。且環境溫度越低，制熱量增大趨勢越明顯。

圖7 制熱量及排氣溫度隨環境溫度的變化Fig.7 Heating capacity and discharge temperature change with ambient temperature

壓縮機排氣溫度隨環境溫度的降低逐漸升高，在相同工況條件下，補氣系統的排氣溫度始終低于單級壓縮系統的排氣溫度，保證了機組的安全運行。在環境溫度為-15 ℃和-7 ℃時，單級壓縮系統的排氣溫度分別為102.72 ℃和100.81 ℃，而采用帶閃發補氣系統的排氣溫度分別為91.3 ℃和90.3 ℃，較單級壓縮系統降低11.43 ℃和10.51 ℃。原因是從閃發器出來的制冷劑與壓縮腔中壓縮到中間壓力的主路制冷劑混合后，降低了壓縮機排氣過熱度，從而降低了壓縮機排氣溫度，且環境溫度越低，兩者系統的溫差相差越大。

圖8所示為各工況下的制熱COP對比結果，由于在-15 ℃工況下單級壓縮系統僅加熱熱水至50 ℃，因此補氣系統也取加熱水至50 ℃時的制熱COP。其中補氣系統的制熱COP始終高于單級壓縮系統的制熱COP，隨著溫度的不斷升高，補氣系統相對于單級壓縮系統的制熱COP提高3.4%～14.1%。因為熱泵系統壓縮機的吸氣量不變，補氣開始后，壓縮機排氣質量流量增加，導致系統壓縮機功率增加，而性能系數是系統制熱量與壓縮機功率的比值，因此補氣系統制熱COP始終高于單級壓縮系統。

圖8 制熱COP隨環境溫度的變化Fig.8 Heating COP changes with ambient temperature

通過APF可考核熱泵系統全年的能耗水平，進而對系統的性能進行全面評估。本文在不同建筑氣候區（嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、溫和地區及夏熱冬暖地區）分別選取1個代表城市 （哈爾濱、北京、南京、昆明、廣州） ，基于其典型年氣象數據進行APF計算，結果如圖9所示。經對比發現，補氣系統在溫度較低的嚴寒地區和寒冷地區的APF較單級壓縮系統提升較大，能夠較好的滿足環境溫度較低地區熱泵熱水器的使用。帶閃發補氣的熱泵熱水器系統在寒冷地區具有較好的適應性和優勢性。

圖9 APF隨氣候區城市的變化Fig.9 APF changes with climatic cities

4 結論

本文搭建了帶閃發補氣的家用空氣源熱泵熱水器實驗系統，在不同環境溫度下研究運行性能，并與單級壓縮系統進行對比，得到結論如下：

1）與單級壓縮系統相比，帶閃發補氣的熱泵熱水器系統加熱時間減小，瞬時制熱COP增大。在環境溫度為-15 ℃時，加熱時間降幅達20.5%，表明補氣系統在環境溫度較低的地區使用效果更好。

2）帶閃發補氣的熱泵熱水器制熱量均大于單級壓縮系統，排氣溫度始終低于單級壓縮系統，在環境溫度為-15 ℃時，系統制熱量增幅達到21.3%，同時系統的排氣溫度降低11.43 ℃，保證了機組運行的安全性。

3）帶閃發補氣的熱泵熱水器在各個建筑氣候區的APF均高于單級壓縮系統，在環境溫度較低的嚴寒地區，APF增長0.3，補氣系統在嚴寒地區優勢更顯著。