空气源热泵热水器系统的循环分析

2020-11-27王永强吴武通程俊超

压缩机技术 2020年5期

彭斌，王永强，吴武通，程俊超

（1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 730050；2.浙江迦南科技股份有限公司，浙江温州 325000）

1 引言

随着能源供应的紧张以及人们环保意识的不断提高，热泵技术因其节能效果明显受到了人们的青睐。目前，空气源热泵热水器已广泛进入了人们的生活中，但是仍有很多问题需要解决，因空气源热泵热水器的运行受环境温度和湿度的依赖较大[1-3]。

Zhao等[4]对空气源热泵的性能系数COP与水箱水温进行了试验研究，结果表明：环境温度基本稳定时，随着冷水进水温度的提高系统的COP降低。张银萧对空气源热泵系统进行了热力学分析，指出了系统能量损失的主要环节和程度[5]。邓玉艳等对具有余热回收功能的中温热泵热水系统进行了试验研究和损失，结果显示，压缩机的损失系数最大，节流阀的损失系数最小[6]。米冰洁[7]等基于实际测试数据对某空气源热泵系统各环节进行了分析，结果显示系统中压缩机的损失系数最大。王志华等基于实验分析了空气源热泵系统损失，结论表明系统主要的损失分布在压缩机和冷凝器，且系效率随着水箱温度的升高而不断减小[8]。空气源热泵系统的研究主要集中在制冷工质特性，低温工况下制热能力及除霜的研究，系统的仿真和数学模型等几个方面，而在分析方面研究较少。本文建立了空气能热泵系统的分析模型，在空气能热泵热水器名义制热工况下，分析了系统使用不同制冷剂时的损失和损失系数，以及系统的优化方向，为后续空气能热泵系统的分析研究提供一定的理论依据。

2 空气源热泵热水器系统的循环分析

2.1 空气源热泵热水器系统的理论循环

空气源热泵系统（单级压缩循环）在运行时有各种不可避免的损失，在热泵系统的循环计算和分析中，对实际的循环作适当的简化、假设，将会使实际的循环处理起来比较方便，也能表示实际循环的理论特征[9]。为了进一步理解热泵循环中工质的状态变化，将热泵的理论循环工作过程表示在p-h图上，如图1所示。

工质进入压缩机的状态用点1表示，点1是由蒸发压力下的等压线与吸气温度下的等温线相交确定的。点2表示出压缩机的状态，过程1-2表示工质在压缩机里的压缩过程，理论循环中假设该过程为等熵循环，与外界没有热交换，2点由冷凝压力下的等压线与过1点的等熵线的交点确定。2-2′-3过程表示制冷剂在冷凝器中的气体冷却、气体冷凝、液体冷却，在该过程中压力保持不变，制冷剂由2点的气态变为3点的过冷液，点是由冷凝压力下的等压线与过冷状态下的等温线确定的。3-4过程表示在节流阀中的绝热不可逆节流，所以过程3-4用虚线表示，而节流前后工质的焓值不变，点4由蒸发压力下的等压线与过3点的等焓线的交点确定。过程4-1表示工质在蒸发器中的气化吸热、升温过程，该过程中制冷剂工质的压力不变，持续吸收低温热源温度使制冷剂变为过热气体。

2.2 空气源热泵热水器系统的实际循环过程

在实际循环中，与理论过程有一定的偏离，在压缩机中，制冷剂在压缩机的进、排气时均有压力损失，压缩机本身与环境有热交换，气态制冷剂在涡旋齿中流动也有少量的传热等，所以在实际工作中，进入压缩机压缩过程的制冷剂工质不是从蒸发器出来的工质蒸汽，而且压缩过程是增熵压缩，增熵压缩会导致压缩机的排气温度高出理论循环的排气温度。工质在蒸发器和冷凝器中流动时，会因管道流动阻力、吸气阀和排气阀而产生压降，而使工质的蒸发温度和冷凝温度逐渐的下降，并伴随有热量的损失。在节流阀中，工质与环境会发生少量的热交换。在热泵系统中，还有少量不能通过贮液器液封而积存于冷凝器上部的不凝性气体[10]，导致冷凝压力提高，进而促使压缩机排气压力、比功增加，系统制热系数下降。

各种因素综合起来，构成了空气源热泵热水器系统复杂的实际循环，实际循环中，系统的四大部件的运行过程都是不可逆的，这必然导致实际循环系数偏离理论循环系数，实际系统的制热量、功耗、制热系数都有所下降。图2是空气源热泵热水器系统实际循环的压焓图。

图1 理论循环在p-h图上的表示

图2 实际循环的p-h图

在图2中，1"-2过程表示在压缩机里的实际循环，该过程为增熵循环；因此，压缩机排气温度要高于理论排气温度，压缩后的高温高压气体经压缩机的排气孔排出（2-2"）。之后进入冷凝器，在冷凝器中降温冷凝成高压中温的蒸汽（2" -2′），高压中温的蒸汽在冷凝器中继续冷凝（2′-3），压力和温度降低，经过程（3-3′）后再次冷却。然后经节流阀的节流作用后（3′-4），工质的温度和压力再次降低，变为低温低压的湿蒸汽，之后进入蒸发器中进行蒸发过程（4-1），压力和温度缓慢降低，流出蒸发器的工质进入压缩机的吸气阀口处被加热（1-1′），过程（1′-1"）为工质在压缩机吸气口处被加热为过热蒸汽。由上图可以看出，实际的循环过程偏离了理论的循环。

3 空气源热泵热水器能量系统的分析模型

它对各种系统或过程都适用，但它未能根据系统的性质、目的进行具体的分析，完全忽视了对收益和代价的区分，不能真实的反应系统能量的利用情况。

3.2 空气源热泵热水器的能量系统的分析模型

系统灰箱分析模型（灰箱模型）主要是对系统用能状况的评价及判别系统中用能薄弱的环节。灰箱模型是将系统中所有的设备都看作黑箱，黑箱间以主流线连接起来形成网络，因此，灰箱模型实际上一种黑箱网络模型[11]。为了使网络单元能简化，现用供给（用EX+表示），有效（输出净收益之和，用EX-表示），总损（内外损之和，用EX，L表示）来分析子系统的黑箱网络模型，如图3。

图4是热泵热水器装置的灰箱模型，图5是系统循环的T-S图。其中1-2s是系统循环的定熵压缩过程，1-2为实际的不可逆压缩，2-2s-3为定压放热过程，3-4为绝热不可逆节流过程，4-1为定压定温的吸热过程。

图3 黑箱网络单元

图4 空气源热泵热水器装置的灰箱模型

图5 空气源热泵热水器系统的T-S图

3.3 热泵循环系统的效率计算

其中T0——环境温度，K

TW——热水温度，K

Qh——系统向用户端提供的热量，kJ/kg

3.4 热泵系统中各设备的效率和损失系数

3.4.1 蒸发器的模型计算

3.4.2 压缩机的模型计算

3.4.3 冷凝器的模型计算

在忽略制冷剂流动阻力时，制冷剂在冷凝器中放出的热量为进出冷凝器的差，一般不讨论冷凝器的效率，仅计算其损失和损失占整个代价的比例-广义损失系数。

3.4.4 节流阀的计算

工质在节流阀中节流前后的焓值不变，即H3=H4，节流阀的损为

以上各式中，EXi可由下式求出

其中T0——是指环境温度，K

H0，Hi——分别是环境温度时的焓值和各状态点的焓值，kJ/kg

S0，Si——分别是环境温度时的熵值和各状态点的熵值，kJ/kg

在理论数据中，择取环境温度20 ℃部分数据用于空气源热泵系统的分析。在热泵热水器的名义工况下，系统的整体性能用各参数的计算平均值来计算得到。由计算出的各状态点在压焓图上的位置，进而得出焓、熵等参数值。根据机组的名义工况，假定理论蒸发温度、冷凝温度分别为10 ℃、56 ℃，过冷度、吸气温度分别为10 ℃、15 ℃。

从图6～9分析可知，不同制冷剂的系统中有效能损失和有效能损失系数呈现相同的趋势，四大部件所占的系统的有效能损失和有效能损失系数大小依次是压缩机、蒸发器、节流阀、冷凝器，其中压缩机所占的比例远大于其他部件所占的。各部件所占的有效能中，在4种不同的制冷剂系统中，压缩机的有效能最低，主要是有在压缩机中的有效能损失最大所导致的，其他三大部件的有效能相差不大，有效能主要与各部件的特性有关，损失越大，有效能越小。在不同制冷剂系统的有效能方面，R22系统的最大为49.2%，而407C系统的最小为44.3%，从系统有效能方面可以看出，制冷剂R134a替代R22较为理想。

表1 空气能热泵热水器名义制热工况单位：℃

从以上分析可知，系统的优化主要集中在压缩机和蒸发器上，而节流阀和冷凝器的有效能损失相对减少。压缩机的有效能损失系数最大，这主要是由于压缩机的绝热压缩效率偏低造成的[12]，另外，与采取一定的措施降低压缩机的压比可改善压缩机的有效能损失，如利用大面积蒸发器、在高环境温度情况使用热泵机组和降低用户端热水温度等。提高蒸发温度可以有效减少蒸发器有效能损失，而在环境温度高的地区，蒸发温度较高，因此，空气源热泵系统适宜于我国南方地区。节流元件和冷凝器有效能损失较小，对于节流元件，电子膨胀阀的较大的调解范围可适应系统的工况变化[10]；对于冷凝器，小的传热温差有利于有效能损失，而采用螺纹管或及时清理冷凝管内的水垢都能提高冷凝器的传热系数以较小传热温差[10]。