不同进口结构对热泵热水器释能过程性能实验研究

秦露雯 杜明浩 沈立第 李舒宏

(东南大学能源与环境学院 南京 210096)

空气源热泵热水器因其节能环保、稳定高效的特点在国内热水器市场占据重要份额[1-3]，如何持续输出高品质热水和提升系统性能成为亟待解决的问题。蓄热水箱作为热泵热水器系统中的核心部件[4]，水箱内的热分层不仅直接影响输出热水的品质，更对热泵系统冷凝侧性能影响显著。

水箱进口结构能够显著影响水箱热分层，可以优化进口结构以改善水箱内的热分层现象[5]。水箱进口结构优化方式主要包括：1)设计新型水箱进口结构。A.A.Hegazy等[6]设计了楔形、穿孔型和开槽型进口，性能测试实验结果表明，水箱进口形状能够显著影响热水器性能，采用穿孔型进口的热水器热分层最佳，采用开槽型进口的热水器性能略优于采用楔形进口的热水器。Li Shuhong等[7]实验对比了楔形、开槽型和喷头型进口对水箱释能性能的影响，结果表明，开槽型进口能够有效减少进口处的冷热水掺混，大幅改善释能时水箱中的热分层现象，提升水箱释能效率。2)改变进口位置和进口直径。S. Levers等[8]建立了三维模型研究水箱进出口位置和流量对水箱性能的影响，结果表明，水箱进、出口的最佳位置是水箱底部和顶部，进口流速越大，对水箱内热分层的冲击越剧烈，当进口流速过高时，单纯的进口位置变化已不足以改善热分层，应在进口处加装挡板等导流设施。3)在进口处加装挡板。L. J. Shah等[9]针对圆柱形太阳能储罐设计了直接型、半球形挡板进口和大扁平挡板进口，通过模拟和实验的方法进行了研究，结果表明，带挡板的水箱进口相比于直接型进口能够有效减少水箱下部的冷热水掺混，显著改善水箱内的热分层，且采用大平面挡板进口的水箱热分层程度更高。随着水箱进口流速的增大，带挡板的水箱进口对水箱热分层的改善越显著。A.Zachar等[10]研究了挡板直径和高度对水箱热分层的影响，结果表明，当挡板直径大于水箱直径的95%、平板与水箱入口距离不超过水箱高度的3%时，热分层程度显著提高。

水箱进口结构对热泵系统性能影响显著。Li Wenzhe等[11]建立了水箱与热泵系统模型，得知水箱热分层变化对热泵系统COP(coefficient of performance)影响显著。I. Sifnaios等[12]利用CFD模拟与水箱连接的循环式热泵系统，研究了水箱热分层对热泵系统COP的影响，结果表明，水箱热分层与热泵系统COP有直接关系，热分层程度越高，系统COP越高，在水箱进出口处加装挡板能够显著提高大流量加热时的系统COP。

为提升空气源热泵热水器的系统性能，本文设计了一种弧形挡板型水箱进口结构，以热水输出率和系统COP为评价指标，搭建实验台与直接型和侧进型进口结构热泵热水器的性能进行对比，以实现热水输出率和系统COP双高效的运行效果。

1 实验台搭建

1.1 水箱结构

对某品牌空气源热泵热水器进口结构进行改造，搭建了可以更换不同进口结构的热泵热水器实验系统。将热泵热水器水箱顶部加工成可拆卸的方式，方便更换进水口。设计并加工出直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构。水箱进口结构如图1所示，水箱结构参数如表1所示。

图1 进口结构(单位：mm)Fig. 1 Inlet structure (unit: mm)

表1 水箱结构参数Tab. 1 Structural parameters of water tank

1.2 热泵热水器系统

空气源热泵热水器实验系统如图2所示，电脑连接数据采集仪，将水箱内12个温度测点的实验数据输入电脑表格中。通过开启或关闭进口处和出口处的阀门控制水箱运行模式，具体运行模式如下：

1)实验开始前保持水箱内水处于排干状态，同时打开进口和出口处阀门，将来自市政自来水管道的水充满水箱，同时关闭进口和出口处阀门；

2)打开电脑及数据采集仪，开启热泵热水器机组进行蓄能过程实验，测量并采集水箱内12个测温点的数据；

3)当12个测点温度平均值达到55 ℃时，同时开启进口和出口处阀门进行释能过程实验，通过流量表显示数据控制进口处流量，并采集水箱内12个测温点的数据，直至释能过程结束。

图2 空气源热泵热水器实验系统Fig. 2 Air-source heat pump water heater experiment system

2 释能过程水箱分层特性

在进行热泵热水器释能过程实验前，先启动热泵热水器蓄能模式，将水箱内温度为(23.2±0.2)℃的市政自来水加热至(55±0.5)℃，以保证采用不同进口结构的热泵热水器在不同工况下释能实验的起始水温相同。进口结构位于水箱底部，对热泵热水器蓄能过程性能影响有限，释能初始时刻水箱内热分层基本相同。控制进口水温在(23.2±0.2)℃，控制进口流量分别为5、7.5、10 L/min,对采用直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构的热泵热水器进行实验。

3种实验工况进口流量不同，为了便于统一分析，研究整个水箱置换一次过程中水箱各层水体温度的分布情况以及出水温度特性，因此定义无量纲释能时间如下：

tuse=Vst/vuse

(1)

τuse=t/tuse

(2)

式中：Vst为水箱体积，m3；vuse为释能过程进口流量，m3/s；t为释能时间，s；tuse为置换一箱水的释能总时间，s；τuse为无量纲释能时间。

2.1 5 L/min进口流量下温度分布

当进口流量为5 L/min时，释放一整箱水所需释能时间为1 800 s。在水箱释能过程中，由于进口处冷水的流入，水箱不同高度处的水温会不断下降。进口流量为5 L/min时水箱不同高度处的温度分布如图3所示。

图3 不同进口结构下水温分布(流量：5 L/min)Fig. 3 Water temperature distribution under different inlet structures (flow rate: 5 L/min)

由图3可知，弧形挡板型进口结构的热分层现象优于直接型进口结构和侧进型进口结构。当释能时间为1 500 s时，弧形挡板型进口对应的水箱顶层水温为53.34 ℃，而直接型进口和侧进型进口对应的水箱顶层水温分别为41.87 ℃和38.02 ℃。弧形挡板型进口对应的水箱顶层水温比直接型进口提高27.4%，比侧进型进口提高40.3%。同时，在整个释能过程中，弧形挡板型进口对应的水箱顶层水温始终高于直接型进口和侧进型进口。结果表明，弧形挡板型进口结构的热分层最好，在热泵热水器释能过程中可持续输出高品质的热水。

2.2 7.5 L/min进口流量下温度分布

当进口流量为7.5 L/min时，释放一整箱水所需释能时间为1 200 s。进口流量为7.5 L/min时水箱不同高度处的温度分布如图4所示。

图4 不同进口结构下水温分布(流量：7.5 L/min)Fig. 4 Water temperature distribution under different inlet structures (flow rate: 7.5 L/min)

由图4可知，当进口流量为7.5 L/min时，弧形挡板型进口结构的热分层现象依然优于直接型和侧进型进口结构。当释能时间为960 s时，弧形挡板型进口对应的水箱顶层水温为53.98 ℃，而直接型进口和侧进型进口对应的水箱顶层水温分别为40.24 ℃和33.29 ℃。弧形挡板型进口对应的水箱顶层水温比直接型进口提高13.73%，比侧进型进口提高20.69%。

直接型进口结构沿水箱高度方向水温基本相同，几乎不存在热分层；侧进型进口结构存在一定的热分层，水温相差较小；弧形挡板型进口结构顶部和底部水温相差最大，水箱热分层最好。

2.3 10 L/min进口流量下温度分布

当进口流量为10 L/min时，释放一整箱水所需释能时间为900 s。进口流量为10 L/min时水箱不同高度处的温度分布如图5所示。

图5 不同进口结构下水温分布(流量：10 L/min)Fig. 5 Water temperature distribution under different inlet structures (flow rate: 10 L/min)

由图5可知，当进口流量为10 L/min时，弧形挡板型进口结构的热分层现象依然优于直接型和侧进型进口结构。当释能时间为600 s时，弧形挡板型进口对应的水箱顶层水温为54.43 ℃，而直接型进口和侧进型进口对应的水箱顶层水温分别为41.18 ℃和34.86 ℃。弧形挡板型进口对应的水箱顶层水温比直接型进口提高32.17%，比侧进型进口提高56.14%。

图6 不同进口结构下出口水温分布Fig. 6 Water temperature distribution of outlet under different inlet structures

图6所示为3种进口结构在不同进口流量下水箱出口水温随无量纲释能时间的变化。由图6可知，在不同的进口流量下，弧形挡板型进口结构出口水温拐点出现的时间明显晚于直接型进口结构和侧进型进口结构。当进口流量为5 L/min时，直接型进口、侧进型进口和弧形挡板型进口出口水温拐点对应的无量纲释能时间分别为0.40、0.57和0.83。弧形挡板型进口结构出口水温拐点对应的无量纲释能时间比直接型进口结构晚51.81%，比侧进型进口结构晚31.32%。随着进口流量的增加，不同进口结构出口水温拐点对应的无量纲释能时间明显减小，当进口流量由5 L/min增至10 L/min时，直接型进口结构出口水温拐点对应的无量纲释能时间由0.40降至0.03。侧进型进口结构和弧形挡板型进口结构的出口水温也存在一个明显的拐点，随着进口流量的增加，侧进型进口结构和弧形挡板型进口结构出口水温拐点对应的无量纲释能时间分别由0.57降至0.37，由0.83降至0.70。

综上所述，随着进口流量的增加，出口水温下降的时间相应提前。弧形挡板型进口结构能有效减小进口流量的增加对出口水温的影响，使热泵热水器出口水温始终保持在较高温度，长时间输出高品质热水。

3 实验结果与讨论

3.1 热水输出率与COP定义

1)热水输出率

热水输出率是衡量水箱释放热水性能的重要指标，能够体现水箱输出热水的温度品质和体积容量效率[13]。从开始放水15 s后记录进水和出水温度，在放水期间每间隔5 s记录一次，连续放水至出口温度低于设定出水温度10 ℃为止，此时停止放水，计算平均放水温度和放出水的质量。热水输出率计算式如下[14]：

(3)

式中：μ为热水输出率；mP为放出水的质量，kg；TP为平均放水温度，℃；T1为进水温度，℃；ρ为在平均放水温度下水的密度，kg/m3；CR为水箱的额定容量，L。

2)水箱得热量

水箱得热量Qw(W)包括水箱内热量变化和水箱进出口热量差值两部分，计算式如下：

Qw=cp,w[mw(Tw,i+1-Tw,i)+mo(To,i+1-Ti,i)]

(4)

式中：mw、mo分别为水箱内水的总质量和出口水的质量，kg；cp,w为水的比热容，J/(kg·K)；Tw为水温，℃；Ti、To分别为水箱进、出口水温，℃；下标i、i+1分别表示当前时刻和下一时刻。

3)系统性能系数

根据定义，热泵系统性能系数COP可由水箱得热量Qw(W)和压缩机功耗Wco(W)直接计算获得[15]：

COP=Qw/Wco

(5)

一段时间内的平均性能系数COPave：

(6)

3.2 不同流量下热水输出率对比

图7所示为直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构在5、7.5、10 L/min进口流量下的热水输出率。由图7可知，随着进口流量的增加，热水输出率显著下降，这是因为进口流量的增加会导致水箱内热分层恶化，进而导致出口水温下降更快。

图7 不同进口结构下热水输出率Fig. 7 Hot water output rate under different inlet structures

在给定的3种进口流量下，弧形挡板型进口结构的热水输出率均显著高于直接型和侧进型进口结构。当进口流量为5 L/min时，直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构的热水输出率分别为46.40%、51.26%和70.93%。弧形挡板型进口结构比直接型进口结构提升52.87%，比侧进型进口结构提升38.37%。当进口流量为10 L/min时，直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构的热水输出率分别为29.15%、32.38%和57.31%。弧形挡板型进口结构比直接型进口结构提升96.60%，比侧进型进口结构提升76.99%。弧形挡板型进口结构能够将进口冷水控制在水箱底部，在挡板上部与水箱两侧壁面的渐扩区域形成稳定活塞流，水箱中上部热分层几乎不受进口冷水影响，能够持续输出高品质热水。

进口流量由5 L/min增至10 L/min时，直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构的热水输出率降幅分别为37.18%、36.83%和19.20%。弧形挡板型进口结构能够有效避免由于进口流量增加导致的冷热水混合加剧，使水箱内热分层保持在较好水平，在不同进口流量下始终能长时间输出高品质热水，明显优于另外两种进口结构。

3.3 不同流量下系统COP对比

图8所示为直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构在5、7.5、10 L/min进口流量下释能30 min内的系统COP。由图8可知，随着进口流量的增加，系统COP有所下降，这是因为进口流量的增加导致水箱内热分层恶化，从而导致冷凝盘管对应的水温上升，冷凝温度上升，系统COP下降。

图8 不同进口结构下系统COPFig. 8 COP of the system under different inlet structures

在给定的3种进口流量下，弧形挡板型进口结构的系统COP均高于直接型和侧进型进口结构。当进口流量为5 L/min时，直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构的系统COP分别为4.48、4.65和4.80。弧形挡板型进口结构比直接型进口结构提升7.14%，比侧进型进口结构提升3.22%。当进口流量为10 L/min时，直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构的系统COP分别为4.40、4.52和4.77。弧形挡板型进口结构比直接型进口结构提升8.40%，比侧进型进口结构提升5.53%。弧形挡板型进口结构能够将进口冷水控制在水箱底部，大幅减小冷热水掺混范围，降低掺混后的水温，降低冷凝温度。同时，弧形挡板能够将进口冷水导流至水箱两侧换热壁面，提高冷凝盘管与水箱内冷水的传热系数，从而提高系统COP。

进口流量由5 L/min增至10 L/min时，直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构的系统COP降幅分别为1.79%、2.80%和0.63%。弧形挡板型进口结构能够有效避免进口流量的增加导致的对水箱内热分层现象的恶化，使水箱热分层稳定保持在较高水平，系统COP始终优于直接型和侧进型进口结构。

4 结论

本文设计并定做了弧形挡板型进口结构，搭建了空气源热泵热水器实验台，以热水输出率和系统COP为评价指标，对比了采用直接型、侧进型和弧形挡板型进口结构的空气源热泵热水器释能过程运行性能，得到如下结论：

1)弧形挡板型进口结构可显著改善沿水箱高度的热分层现象，将进口出冷水控制在水箱下部。侧进型进口结构的热分层优于直接型进口结构。

2)弧形挡板型进口结构出口水温拐点对应的无量纲释能时间最晚，当进口流量为5 L/min时，弧形挡板型进口结构出口水温拐点对应的无量纲释能时间比直接型进口结构晚82.5%，比侧进型进口结构晚32.07%。

3)在给定的3种进口流量工况下，弧形挡板型进口结构热水输出率和系统COP均优于直接型和侧进型进口结构。当进口流量在5～10 L/min之间变化时，弧形挡板型进口结构比直接型进口结构热水输出率提升了52.87%～96.60%，系统COP提升7.14%～7.40%。相比于其他两种结构，弧形挡板型进口结构实现了热水输出率和系统COP双高效的运行效果。

本文受空调设备及系统运行节能国家重点实验室项目(ACSKL2019KT10)资助。(The project was supported by the State Key Laboratory of Air-conditioning Equipment and System Energy Conservation (No. ACSKL2019KT10) .)