初始水温对空气源热泵热水器系统性能的影响

袁朝阳 陶乐仁 虞中旸

（上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093）

初始水温对空气源热泵热水器系统性能的影响

袁朝阳 陶乐仁 虞中旸

（上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093）

本文针对空气源热泵热水器加热至较高水温时系统效率明显下降的问题，研究初始水温对系统性能的影响，通过实验改变初始水温，分析系统各参数随加热水温的变化规律，得到实际运行特性及制热性能恶化的原因。结果表明：相同初始水温，随着加热的进行，COP不断下降，加热前期下降趋势较为平缓，后期变大；不同初始水温，因系统开机时存在“预热”阶段，加热后期又受压缩机大量吸气带液的影响，故平均COP随初始水温的升高呈先减小后增大的趋势；少量吸气带液能有效降低排气温度，改善系统性能，大量吸气带液却增大系统功耗，加剧COP的下降趋势。此外，提出以排气温度下降后再次上升时的拐点作为压缩机开始大量吸气带液的参照点，从而提升系统性能。

热泵热水器；初始水温；两相流；排气温度

空气源热泵由逆卡诺循环从较低温度的空气中吸取热能，通过压缩机做功，将热能供给较高温度的热源，这比纯粹的电加热或者用气体燃料加热更经济［1－2］。不同于常规的热泵，空气源热泵热水器具有运行工况范围宽，常年制热以及冷凝温度时变等特点，当机组运行至较高水温时，不仅效率会有明显下降，还存在压缩机超负荷及排气温度过高等方面的隐患［3－4］。因此，研究较高水温时的系统性能和变化规律至关重要，众多学者对此进行了研究。

孙涛等［5］发现使用短毛细管的热泵热水器，加热水至高温区出现压缩机吸气带液现象，造成制热量下降，且毛细管越短，出现的时间越早，并提出在加热过程中切换使用不同长度的毛细管可大幅提升热泵性能。张良俊等［6］使用可调节开度的热力膨胀阀，发现系统在较为合适的制冷剂充注量下，适当调节阀开度可达到最佳运行性能，但考虑其在流量调节作用上的局限性，建议使用电子膨胀阀。对使用电子膨胀阀的空气源热泵热水器系统动态性能的实验研究［7－8］表明，调节电子膨胀阀可保持系统过热度基本不变，在加热低温区，设置电子膨胀阀为大开度可提高系统性能和制热量，但在加热高温区则恰恰相反。以此提出在不同加热区间使用不同阀开度来提高热泵系统性能的方法，并证实了可行性。

实际应用中发现，空气源热泵热水器在运行至高温区压缩机吸气口易进入两相区，形成湿压缩影响系统性能。针对这一特性，热泵热水器系统多采用热泵专用滚动转子压缩机。研究表明高背压滚动转子压缩机具有一定的抗湿压缩能力［9］。因此，陶宏等［10－14］在压缩机吸气口安装可视管，观察到压缩机运行在少量吸气带液的状态时系统制冷量和COP均提高，但当大量吸气带液时压缩机的性能下降，影响系统运行效率，因此仍需尽量避免湿压缩。

陈振豪等［15］实验研究了水箱设定温度对系统运行性能的影响，指出COP随水箱设定温度的升高呈近线性下降趋势，且环境温度越低下降越明显。江斌等［16－17］研究表明，空气源热泵热水器的制热效率随加热水温的升高而降低是系统的固有特性，运行中可通过调节节流机构等外部条件来适当提升高温区的系统性能，减缓COP的下降趋势。但是对于高温区系统性能恶化原因是否与加热水温的升高有关，以及对恶化出现时机的判断依据等方面的研究却不够充分，高水温对系统性能的影响需进一步研究。因此本文以空气源热泵热水器装置为平台，通过改变初始水温，实验研究了系统性能的变化规律，得到制热效果变差的根本原因，揭示整个加热过程中的关键问题，并提出系统改进的方向。

1 实验原理与方法

1.1 实验装置

实验装置的结构原理类似循环加热式热泵热水器，如图1所示。实验系统分为制冷剂循环和水循环两部分。

图1 实验装置原理Fig．1 The principle of experimental installation

制冷剂循环部分由压缩机、质量流量计、翅片蒸发器、套管冷凝器、电子膨胀阀、高压储液器、电磁阀、过滤器、视液镜等组成。压缩机选用 WHP02830⁃C4AT型热泵专用滚动转子式压缩机，定频50 Hz，可解决压缩机过热的问题。额定制冷量为2 245 W，制热量为2 930 W，额定功率为685 W。制冷剂为R134a。压缩机吸气口自带气液分离器，当压缩机吸入少量液态制冷剂时，制冷剂液滴较小，会在极短时间内吸收机体耗散热量和高温气态制冷剂热量而迅速蒸发，因此长时间运行不会发生“液击”现象。压缩机吸气和排气口接入KP型压力控制器，保护压缩机工作在正常压力范围内。质量流量qm由科式力质量流量计测量，精度 ±0.1%。蒸发器选用管径为ϕ9.52 mm ×0.28 mm 的翅片管式换热器，并配置额定风量为530 m3/h的YWY型外转子轴流风机。冷凝器选用TY1222型套管换热器，铜管外径16 mm，换热面积0.61 m2。电子膨胀阀为步进电机控制器驱动的直动式电子膨胀阀，可手动调节控制器改变膨胀阀开度。

水系统循环部分由循环水泵、电加热箱、浮子流量计、套管冷凝器、储水箱组成闭式回路。循环水泵采用 RS⁃15/6 型屏蔽泵，可调流量范围3 ～11 L/min。电加热箱可调节初始水温，加热量由调压调功器控制。循环水流量qv由浮子流量计测得，精度±2