双级空气源热泵热水器系统性能分析

陈 军，李波海

(1.承德石油高等专科学校热能工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等专科学校化学工程系，河北 承德 067000)

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，热水在日常生活中使用越来越普遍。传统的热水器存在能耗高、污染严重或受气象条件制约等缺点。与此相比，家用空气源热泵热水器以空气为低温热源，通过消耗部分电能来从低温热源吸收热量，用于加热生活热水供家庭使用。空气源热水器只消耗电能，具有节能、效率高，使用方便，不污染环境等特点。但普通家用单级空气源热泵热水器在较低的环境温度下运行时，随着储水箱水温逐渐上升，冷凝温度(压力)也逐渐上升，在蒸发压力不变的情况下，存在着压缩机的压缩比持续增加，超出普通单级压缩系统正常运行的临界值，压缩效率较低;排气温度过高，输气系数减少等问题。采用双级压缩空气源热泵热水器则可有效的解决这些问题，通过合理的安排高压级压缩机的投入时机，使整个压缩系统达到较高的制热系数［1-3］。本文拟用稳态模型研究双极空气源热泵热水器运行参数对其性能的影响。

1 双级空气源热泵热水器的工作原理

双级空气源热泵热水器是按照“逆卡诺循环”原理工作的。冷媒在蒸发器内吸收流过蒸发器外空气的热量，转变为气态，经压缩机升压后进入冷凝器后释放出热量加热水，同时冷媒凝结为液体，如此不断循环，实现将低温能量提升为高位能量的目的。双级压缩空气源热泵系统示意图如图1所示。

为提高空气源热泵系统低温适应性，拓展空气源热泵热水器的应用范围，结合普通单级热泵热水器系统和双级压缩循环方案，将空气源热泵热水器设置为可根据工作环境条件自动切换两种运行模式的热泵系统，即在低温环境下，采用双级压缩热泵循环制热，当环境温度较高时，没有必要进行双级压缩循环，则采用普通的单级压缩热泵循环制热。

2 双级空气源热泵热水器的理论分析模型

2.1 双级空气源热泵循环

家用双级空气源热泵在小温差情况下，其循环P-h图同常规的单级压缩一样，在大温差情况下将工作在双级压缩模式下，其循环P-h如图2所示:

双级压缩时的中间压力可按下式计算［4］:

式中:P0，Pm，Pk分别为双级压缩热泵热水器的蒸发压力、中间压力和冷凝压力，Pa。

2.2 压缩机模型

式中:M—制冷剂质量流量，kg/s;λ—压缩机的输气系数;Vth—压缩机理论输气量;vc—压缩机入口的制冷剂比容，m3/kg。

式中:N—压缩机功率，w;k—压缩过程的多变指数;pd—压缩机出口压力，pa;pc—压缩机入口压力，pa;η—压缩机的效率。

高、低压压缩机的工作方式类似，只要依据所选择压缩机的型号、压缩机进口、出口的制冷剂压力和物性参数即可确定制冷剂的流量和压缩机消耗的功率。

2.3 热力膨胀阀

热力膨胀阀主要起到节流降压作用，其模型可用下式描述:

式中:hi、ho为膨胀阀入口和出口焓，J/kg。

2.4 中间冷却器模型

将中间冷却器视为绝热蒸发过程，其满足质量守恒方程和能量守恒方程:

式中:角标5、6、7分别对应于中间冷却器相接的冷凝器出口制冷剂、膨胀阀入口制冷剂和将蒸发的饱和制冷剂蒸气的状态。

2.5 制热量与评价指标

双级压缩空气源热水器的制热量为高压级排气所释放出来的冷凝热量，可用下式计算:

其性能评价指标可以用系统性能系数(COP)表示:

3 理论分析示例

热泵热水器在加热过程中，冷凝温度从初始水温加热到60℃时，冷凝器的温度变化范围在35～60℃之间。为便于分析，我们取制冷剂为R134a，冷凝器出口过冷度为3℃，蒸发器出口过热度为5℃分析在不同蒸发温度、冷凝温度下压缩机压缩比、制热量等的变化情况。其计算结果见图3－图5。

从图3可以看出，单级压缩的空气源热泵随着环境温度的降低，其COP也迅速下降，在环境温度低于0℃后，其COP已接近1，起不到节能的作用，而双级压缩的空气源热泵即使在环境温度达到－15℃ 时，系统的COP也能达到1.5左右，仍然具有节能效果。但在环境温度高于5℃时，单级压缩循环的COP则高于双级压缩空气源热泵，因此该点温度可作为单双级工作模式的切换点。图4则表明单级压缩空气源热泵在环境温度为0℃时的制热量仅为1.2 kW，而双级系统在环境温度为－20℃时也能提供1.8 kW的制热量，使得空气源热泵仍然能够继续制取热水供用户使用。

图5显示了在环境温度降低到单级压缩空气源热泵无法工作的环境温度后，双级压缩空气源热泵在不同蒸发温度和冷凝温度下的COP情况。在同一蒸发温度下，随着水箱内热水温度的升高，系统的COP则逐渐下降，且当蒸发温度降低到－24℃后，整个系统的COP在大部分工作时间段内都将低于1.5，使得系统的经济性能变得很差。如在设计时取蒸发换热的温差为4～5℃时，则当室外温度低于－20℃后，双级空气源热泵也将不再适用，因而－20℃ 可作为双级空气源热泵热水器工作的最低工作温度。

4 结论

双级热泵热水器比单级热泵热水器的工作范围更宽，能适用于我国大部分的北方地区。其COP和制热量随环境温度的降低而降低，在实际设计时，应选择5℃以上作为单、双级工作的切换温度点。为保证系统的经济性，在环境温度低于－20℃时，双级热泵热水器不宜运行。此外，在低温下，系统的除霜方式和方法还有待于进一步的研究。

［1］武文斌，王伟.两级压缩空气源热泵热水器实验研究［J］.制冷学报，2009，30(1):35－38.

［2］汤新敏，金苏敏.双级压缩空气源热泵热水器系统模拟［J］.南京工业大学学报，2010，32(3):88－92.

［3］柴沁虎，马国远.空气源热泵低温适应性研究的现状及进展［J］.能源工程，2002(5):25－31.

［4］吴业正，韩宝琦.制冷原理及设备［M］.西安:西安交通大学出版社，1987.