两级冷凝热泵热水系统的实验研究

江明旒 吴静怡 孙 鹏 王如竹 许煜雄

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200030)

空气源热泵热水器是通过压缩机做功、吸收环境中的热量来制取热水的热泵装置，它以节能、环保等优势，已受到越来越多用户的青睐，众多厂家也纷纷投入到这一产品的生产研发中；另一方面，热水需求量也在持续增加，空气源热泵热水器的市场前景非常广阔[1-3]。

然而，空气源热泵热水器与常规空调热泵不同，它具有运行工况范围宽、常年制热以及冷凝温度时变等特点；特别当机组运行在较高的水温时，不仅效率会有明显下降，还会有压缩机超负荷及压缩机排气温度过高等方面的隐患[4]。以目前热泵热水机组中使用最为广泛的循环工质R22为例，由于受冷凝压力的限制，为保证机组稳定运行，机组供水温度应在55℃以下[5]；而从卫生和健康的角度来看，生活用水又必须加热到一定的温度才能达到抑止细菌繁殖的目的[6]。特别对于空气源集中式热泵热水供应系统，机组长期工作在高、中温工作环境，针对这一矛盾，授权公告号为CN 100374782C[7]的中国发明专利文献所公开的“一种空气能集中热水供应方法及装置”，该专利可在一定程度上使得热泵机组的运行条件得到改善，但随着水温的升高，机组还是不可避免地进入到高温工作区，因此还是存在供水温度受限等问题。也有一些学者对双级冷凝器空调热回收技术进行了相关研究，并将其应用到实际系统中[8-9]，但由于空调工况下冷凝热中显热部分的比例一般不高，如果要回收得到温度较高的热水，通常需将第一级冷凝器设计得较小，这时热水往往属于副产品，并且回收量十分有限。

这里提出了一种单纯只提供热水的两级冷凝热泵热水系统以及相应的控制方式，实验表明，这一系统不仅能提高供水温度，还能显著改善机组在高温工作区的运行工况，从而使得机组运行更加可靠高效。

1 实验装置介绍

实验系统由压缩机、第一级冷凝器、第二级冷凝器、四通换向阀、热力膨胀阀、蒸发器、第一级水箱、第二级水箱、水泵和阀门等部件构成，温度、压力以及水流量的测点布置如图1所示。

其中制冷剂采用R410a，充注量为1.7kg，压缩机为额定功率1900W的滚动转子式压缩机，第一级冷凝器和第二级冷凝器为套管式换热器，其名义制热量分别为7kW和9kW，蒸发器为风冷翅片式换热器，第一级水箱和第二级水箱均为开式保温水箱，温度传感器采用Pt1000，水流量计采用涡轮式流量传感器。实验的控制系统采用PLC控制，数据的记录则是由数据采集仪、综合电量表及计算机来完成。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

2 系统运行原理及控制方式

两级冷凝热泵热水系统的工作原理为：系统工质按照逆卡诺循环，通过压缩机做功，从环境中吸收热量，再通过前后串联的第一级冷凝器和第二级冷凝器把热量分别输送到第一级水箱和第二级水箱中。通过导水的方式，使得在循环加热过程中，第一级水箱的水温始终高于第二级水箱的水温，并且第一级水箱吸收的是制冷剂侧温度较高的显热部分，因而能在第一级水箱中得到高温热水，同时第二级水箱较低的水温使得系统的冷凝压力较低，从而既提高了热泵热水机组的供水温度，又改善了机组的运行工况。

其具体控制方式如下：

1)初次补水阶段：给两水箱补自来水，直到第一级水箱和第二级水箱的水位均到达上限时，停止补水。

2)初次加热阶段：单独对第一级水箱进行加热，当第一级水箱的水温达到t1后，再对两水箱同时加热。

3)循环加热补导水阶段：①导高温水：当第一级水箱的水温到达60℃时，把第一级水箱的高温热水输送到总供热水箱，第一级水箱的水位到达下限时，停止导水。②导中温水：把第二级水箱中等量的过渡中温热水输送到第一级水箱。③补水阶段：给第二级水箱补等量自来水。

4)循环加热阶段：这时两级水箱水温同时上升，当第一级水箱的水温再次达到60℃时，重复步骤3和4，这样第一级水箱周期性地向总供热水箱提供60℃高温热水，直到总供热水箱水位到达目标水位，系统停止运行。对于实验系统，t1取52℃。

3 实验结果及分析

图2为按照上节所述的工作方式，系统冷凝温度和两冷凝器进水温度随时间的变化曲线。在两水箱同时加热阶段，冷凝温度始终处于第一级和第二级换热器进水温度之间(这可以通过合理设计两级换热器及水箱容量的大小比例来实现)。因此，当第一级水箱提供60℃高温热水时，冷凝温度始终低于60℃，系统运行安全稳定。为了做进一步的对比，将图2中两水箱同时加热阶段和第一级水箱单独加热阶段分别记为第一组实验和第二组实验，下面将对它们的实验结果进行全面分析比较，实验说明见表1。

图2 冷凝温度和两冷凝器进水温度的关系 (a)Fig.2 Condensing temperature and condenser inlet water temperature curve (a)

表1 实验说明Tab. 1 Experiment description

3.1 冷凝温度

冷凝温度是影响热泵性能的一个重要参数，实验中两级冷凝热泵热水系统的最大特点就是在提高供水温度的同时，能有效降低机组在高温工作区的冷凝温度。

图3为冷凝温度和冷凝器进水温度的关系曲线。图中显示，在第一组实验中，第一级冷凝器进水温度从53.2℃上升到59.4℃，第二级冷凝器进水温度从30.7℃上升到46.3℃，相应的冷凝温度则从43.8℃上升到56.8℃，其中冷凝温度始终比第二级冷凝器进水温度高12℃左右；而在第二组实验中，冷凝器进水温度从27.1℃上升到55.0℃，冷凝温度始终比冷凝器进水温度高6℃左右，从34.3℃上升到59.7℃。由此可知，在第一组实验中，冷凝温度基本上取决于温度相对较低的第二级换热器进水温度，并且它们间的差值比第二组实验中冷凝温度与第一级冷凝器进水温度要高。

图3 冷凝温度和两级冷凝器进水温度的关系(b)Fig.3 Condensing temperature and condenser inlet water temperature curve (b)

由于实验条件的局限，第二级水箱的水位下限为60L，因此补水后的初始水温较高。为了保证两组实验工况的一致性，计算了延长段的冷凝温度。图3中，第一组实验计算冷凝温度是指假设第二级水箱和第一级水箱容量相同条件下的冷凝温度(即两水箱补水前的残留水量均为20L)，该条件下，循环加热补水阶段完成时，第二级水箱的水温会更低，因而对应更低的冷凝温度；第二组计算冷凝温度是指假设在冷凝器进水温度到达55.0℃后继续加热，冷凝器进水温度从55℃上升到59.4℃这一过程对应的冷凝温度。图3显示，最高计算冷凝温度高达64.4℃，远高于同样供水温度下第一组实验中最高的冷凝温度56.8℃。

3.2 压缩机功率和压缩机排气温度

就空气源热泵热水机组而言，在环境温度一定时，机组的压缩机功率及压缩机排气温度很大程度上取决于机组的冷凝温度。压缩机长期工作在超负荷状态，容易缩短压缩机的使用寿命，压缩机排气温度过高则会造成润滑油炭化等一系列问题。因此，当压缩机功率和压缩机排气温度偏高时，对于系统的安全稳定性都是极为不利的。

图4 压缩机功率变化曲线图Fig.4 Compressor power curve

图5 压缩机排气温度变化曲线图Fig.5 Compressor discharge temperature and condenser inlet water temperature curve

图4为机组压缩机功率变化曲线图，其中虚线为压缩机的额定功率，可以看出压缩机功率与冷凝温度的变化趋势基本相同。在第一组实验和第二组实验中，最高压缩机功率分别为2058W和2188W。同时还应该注意到，第一组实验的最终供水温度为60℃；而对于第二组实验，考虑到机组运行的安全性，最终供水温度为55.8℃。如果以相同的最终供水温度60℃作为比较，并近似认为压缩机功率按线性上升(如图3中第二组计算压缩机功率所示)，得到第一组实验和第二组实验的最高压缩机功率分别为2058W和2388W，它们分别比压缩机的额定功率高出了8.3%和25.7%。

图5为压缩机排气温度变化曲线，由图可知，压缩机排气温度与冷凝器进水温度存在一定程度的滞后，最低压缩机排气温度并不是出现在最低的冷凝器进水温度的时候。同理，可以得到第一组实验和第二组实验的最高压缩机排气温度分别为100.4℃和111.5℃。

热泵热水器的安全稳定性主要集中在高温工作区，上述分析表明，两级冷凝热泵热水系统能使机组在水温较高阶段的安全稳定性得到明显改善。

3.3 一级冷凝器占总冷凝热的得热比

随着两水箱水温的变化，两冷凝器换热量的比例也会随之变化。公式(1)和(2)分别是根据水侧换热量以及制冷剂侧换热量计算出的一级冷凝器得热量占总冷凝热的比例，计算公式如下：

图6 第一级冷凝器得热比变化曲线图Fig.6 Heat capacity percentage of the fi rst condenser

图6为根据第3节所述的运行控制方式，分别按公式(1)和公式(2)计算出来的第一级冷凝器占总冷凝热的得热比，可以看出两种方法的计算结果基本吻合。在第一组实验中，随着水温的不断升高，第一级冷凝器的得热比随时间按线性规律由18%增加到30%，这一过程中，第一级冷凝器制冷剂出口温度始终高于冷凝温度，因此这部分热量全部为显热输出；而在导中温热水阶段，第一级冷凝器的得热比达到最大值55%左右。

3.4 系统COP

热泵热水器的能效比反映的是机组在运行过程中，单位输入功率转换成的制热量，系统瞬时能效比计算公式如下：

其中，COP为系统瞬时能效比，WCom、WFan、WW1、WW2分别为压缩机、室外风机、一级循环水泵和二级循环水泵的功率。

图7为系统瞬时COP曲线图，在第一组实验中，系统瞬时COP由4.5逐渐下降到3.0，其加权平均值为3.60(如果假设两水箱上下限水位相同时，推算出的加权平均COP为3.68)；在第二组实验中，假设水温一直加热到60℃，瞬时COP则由5.2逐渐下降到2.2，其加权平均值为3.41。由此可知，在相同供水温度的条件下，第一组实验的COP高于第二组实验的COP。

图7 系统瞬时COP变化曲线图Fig.7 System COP and condenser inlet water temperature curve

4 结论

提出了一种可提高供水温度、运行更加安全可靠的两级冷凝热泵热水系统及其控制方式，通过两级换热器和两水箱大小比例的合理选配，可使得在循环加热阶段系统的冷凝温度始终低于第一级水箱的水温，通过在20℃左右的室外环境温度下对机组在两种运行模式下进行了实验对比研究，得出如下结论：

1)当两水箱同时加热时，冷凝温度取决于第二级水箱的水温，并且冷凝温度和第二级水箱水温的差值要高于单独加热模式下冷凝温度与水箱水温的差值。

2)对于高温工作区，压缩机功率和压缩机排气温度的改善非常明显，同样制取60℃的高温热水，第一组实验和第二组实验的最大压缩机功率分别比额定功率高出了8.3%和25.7%，相应的最高压缩机排气温度分别为100.4℃和111.5℃，因而两级冷凝热泵热水系统更能够保证机组安全稳定性。

3)在循环加热阶段，第一级冷凝器的得热比基本上随着时间按线性规律由19%增加到30%；而在导中温热水阶段，第一级冷凝器的得热比达到最大值55%左右。

4)由于增加了水泵功耗以及实验条件上的限制，两级冷凝热泵热水系统对机组平均COP的改善并不十分明显，比单独加热模式高出0.2左右。

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