水流量对空气源热泵热水器性能的影响

殷少有,吴治将,李东洺

(1.顺德职业技术学院机电工程系,广东佛山528333;2.广东高校热泵工程技术开发中心,广东佛山528333)

随着我国国民经济水平的发展和人民生活水平的不断提高,卫生热水的使用量逐步增加[1],卫生热水的耗能在整个能源消费结构中所占比例越来越大。在美国居民用于卫生热水的能耗占整个家庭能耗的15%以上[2],商业建筑中卫生热水的能耗比例为7%,每年消耗在卫生热水上的能量值是巨大的。热泵热水器作为一种新兴的产品,具有高效、节能和环保等特点,正在成为国内外热水器行业的主流产品[3]。

为研究水侧对空气源热泵热水器性能的影响,国内外一些学者作了一系列的研究。Hiller[4]和Shao[5]等人模拟和预测热泵热水器动态用水过程,并进行了全年的能耗及经济性分析等。王祥[3]等采用FLUNT模拟,得出水箱内水温随机组运行时间的变化及各阶段水箱内温度场及速度场的整体分布情况。陈振豪[6]等将温度测点安置在水箱中段,以减少水温分层现象所带来的误差影响。但到目前为止,对于水流量和水箱的容积对空气源热泵热水器性能的影响方面研究较少。本文针对水流量和水箱的容积对热泵热水器的性能进行试验,所得结果为今后的产品优化设计提供参考信息和技术支持。

1 实验装置

在实验中,热泵热水器的压缩机采用谷轮公司生产的涡旋压缩机,型号为ZR144KC-TFD,制冷剂为R22;水泵的额定流量为10m3/h。本实验的测试原理见图1所示。温度传感器采用Pt电阻;压力传感器的量程0～4MPa,精度±0.5%;流量传感器采用LWGY-25型涡轮流量传感器,流量范围1～8m3/h,精度为0.5%。本实验的测试工况为:干球温度为20℃,湿球温度为15℃。通过变频器改变水泵的流量从而调节冷凝器的水流量,当冷凝器压力达到设定条件时 (实验最高设定压力为P=2.4MPa),实验结束,并记录此时的相关参数(冷凝器的水流量,压缩机、风扇等的电流、功率及耗电量等)。

图1 热泵热水器实验装置Fig.1 Scheme of experimental apparatus

2 数据处理

热泵热水器运行时的热传递量和耗功是一个变化值,因此,能效比分为瞬时能效比 (COPt)和平均性能比,前者为某一时刻对水的加热量与压缩机耗功之比,可用下式表示:

上式中:P(t)=f(Te,Tc)

其中:T1、T2表示进出冷凝器的水温,℃;

平均能效比为达到设定水箱温度后,总传热量与总耗电量之比。可由下式计算:

式中:

M—水箱水量,kg;

c—水的比热,kJ/kg K;

Tu1、Tu2—开始、结束加热时水箱温度,℃;

W—总耗电量,kW·s。

3 结果分析

实验中,水箱的初始温度为20℃,终止加热温度为55℃,将循环水流量调节为3m3/h、5m3/h、7m3/h和最大流量7.5m3/h进行实验研究,并进行数据记录。

图2 水流量对热水箱温度的影响Fig.2 Relationship between storage water tank temperature and water mass flow

图2表示在不同水流量下水箱温度变化的曲线。从上图可以看出,随着水流量的增加,水箱到达55℃时加热的时间越短。当循环水流量为3m3/h时,水箱到达55℃时加热的时间为148min;当水流量增至7m3/h时,加热时间缩短为132min;当流量增大到最大7.5m3/h,加热时间约为131min。因此,通过增大循环水流量,可以缩短水箱的加热时间。

图3表示在不同的循环水流量下,冷凝器加热进出水温差的变化曲线。由图分析可知,随着运行时间的增加,冷凝器进出水温差有较大的差异。当水流量为3m3/h时,进出水平均温差约为10.5℃;而当流量增大到7m3/h时,进出水温差为2～4℃,这与一般工程应用的推荐值及优化推荐值很接近。因此,对于这种热泵热水器,7m3/h是一个较合理的流量值,因为此时水箱所能达到的温度也较高。

图4表示在不同循环水流量的情况下热泵热水器的能效比变化曲线。由图分析可知,循环水流量越大,相应的能效比也增大。当水流量为 7m3/h时,平均能效比为3.25。另外,也可以发现,随着水温的升高,其差异也在扩大。

图5反映了水流量与排气压力的变化曲线。从上图可以看出,一方面,排气压力随着运行时间的增加而上升,另一方面,排气压力随着水流量的增加而下降。因此,在热泵热水器设计时,选择恰当的循环水流量,不但可以降低压缩机的排气压力,而且可以起到保护压缩机的作用,延长压缩机的寿命。

4 结论

(1)水流量是热泵热水器设计过程中的一个重要参数。水流量对加热时间、能效比等性能有一定的影响,这种影响随着流量偏离正常值而加剧。

(2)在设计热泵热水器时应该考虑选择合理的水流量值,而在应用安装过程中,应考虑到水管沿程阻力对水流量的影响。如果水管较长,应适当加大管径或者选择扬程大一些的水泵。

[1] 唐启庆.国内热水器市场分析及发展趋势,http://www.sthea.com.cn

[2] John J.Tomlinson,Transferring ResidentialHeat PumpWater Heater Technology to the Market,Presentation for Discussion 1/30/2002 ASERTTI Meeting

[3] 王祥,刘颖,王芳等.基于仿真的R417A热泵热水器蓄热水箱优化设计 [J].流体机械,2010,38(9):64-68

[4] HillerCC,Lowenstein AI,Merriam RL.Detailed water heating simulation model[J].ASHRAE Trans.1994,100(1).948-954

[5] Shuangquan Shao,Wenxing Sh,i Xianting L,i et.A new inverterheatpump operated allyear roundwith domes-tic hotwater[J].Energy Conversion and Management,2001,45:2255-2268

[6] 陈振豪.空气源热泵热水器季节性能实验及优化运行研究[J].能源技术,2005,26(3):117-119