第11卷 第3期2011年6月REFRIGERATION AND AIR -CONDIT IONING 20-23收稿日期:2010-11-08作者简介:张剑飞,本科,助理工程师,主要从事制冷与空调方面的研究。

空气源热泵热水机形式对比分析张剑飞 秦妍(大连三洋压缩机有限公司)摘 要 针对使用相同型号压缩机的一次加热式与循环加热式热泵热水机进行试验研究。

分别对机组的主要参数如水流量、冷凝温度、蒸发温度、过冷度、吸气过热度进行对比分析,同时对两者运转情况和除霜方式进行简要对比。

关键词 空气源;热泵热水器;一次加热;循环加热;性能Comparative analysis on the forms of air source heat pump water heaterZhang Jianfei Qin Yan(Dalian SANYO Com pressor Co.,Ltd.)ABSTRACT Studies one -time heating H PWH (heat pump w ater heater)and circulate heating H PWH w ith the same co mpr essor by contrast ex perim ent.M akes a co mpar ativeanaly sis of main parameters o f the units,such as w ater flo w rate,co ndensing tem pera -tur e,evaporating temper ature,subco oling ,superheat,meanw hile makes a simple com -parison of o peratio n condition and defro sting w ays of tw o units.KEY W ORDS air source;heat pump w ater heater;one -time heating;circulate heating;per -formance空气源热泵热水机是继锅炉、燃气热水器、电热水器和太阳能热水器之后的第4代热水制取装置。

周峰等[1]给出了几种热水器形式的对比,见表1。

从表中可以看出,热泵热水机在多方面都具有明显的优势,在能源供应日益紧张的今天,空气源热泵热水机凭借其高效、节能、环保以及安全等诸多优势势必会成为未来应用的主流。

国外同类产品已经相当成熟,在发达国家的使用比例有的高达70%。

在日本其应用已经普及,生活热水工程中有60%~70%使用空气源热泵热水机;在澳大利亚达到30%~40%;在欧洲、美洲也有大量应用[2]。

但是我国引入该技术时间并不长,这一产品的技术成熟度还较差。

因此,对热泵热水机产品进行全面、深入的了解,以便更好地设计和应用是非常必要的。

笔者针对国内市场广泛应用的2种不同形式的热泵热水机进行对比分析,就影响机组性能的主要参数如水流量、蒸发温度、冷凝温度、过冷度、过热度等进行比较研究,同时对两者的运行状态和除霜方式进行简单对比。

表1 几种热水器对比热水器种类空气源热泵热水器电热水器太阳能热水器燃气热水器燃料种类电电电天然气有无污染无无无有有无危险性无有触电隐患有触电隐患危险是否方便方便较方便不方便较方便燃值860k cal/(kW #h)860k cal/(kW #h )860kcal/(k W #h)9000kcal/m 3热效率370%95%280%70%燃料单价0.5元/千瓦时0.5元/千瓦时0.5元/千瓦时2.0元/米3120升水的费用/元0.752.941.01.5年运行费用/元273.81073.1365547.51 热泵热水机形式介绍1.1 热水机分类GB/T 21362)20085商业或工业用及类似用途的热泵热水机6中已给出明确的分类,热水机按制热第3期张剑飞等:空气源热泵热水机形式对比分析#21 #方式分为一次加热式和循环加热式2种:一次加热式又叫直热式,即冷水进入机组后直接被加热到设定温度,按照GB/T 21362)2008的名义工况,就是15e 的水经过一次加热式热泵热水机后被直接加热到55e ;循环加热式热泵热水机则需要配备相应的水箱,水箱内的水经过循环水泵进入循环加热式热泵热水机,它并不像一次加热式热泵热水机那样一次就能把15e 的水加热到55e ,而是反复加热,直到将整个水箱内的水加热到55e 。

1.2 循环示意图图1和图2所示分别是一次加热式热泵热水机和循环加热式热泵热水机的循环示意图。

笔者就两者主要的技术参数进行对比分析,两者使用同一款5hp 压缩机,这样具有对比意义。

机组主要参数见表2。

表2 主要参数表机组形式 制热量/kW功率/kW 水流量/(m 3/h)一次加热式204.350.435循环加热式184.53.12 对比分析2.1 水侧温差与水流量水侧换热量按下式计算:q =cq m $t式中:c 为平均温度下水的比热容(J/(kg #e ));q m 为水的质量流量(kg/s);$t 为水侧换热器水的进出口温差(e )。

一次加热式热泵热水机水路的进出口温差为55e -15e =40e ,而循环加热式热泵热水机的进出口设计温差约为5e 。

常温下水的比热容值变化并不大。

当实现同样的换热量Q 时,由于2种热水机的进出水温差相差很大,导致水流量明显不同,这在表2中已有明显的体现:在同样测试工况下,相同换热量时,一次加热式热水机的水流量仅为循环加热式热水机的1/7左右。

2.2 冷凝温度冷凝温度是决定机组性能的重要参数。

热水机的冷凝温度主要由出水温度决定。

循环加热式热水机是把水箱内的水加热到55e ,而由于水箱本身就有温度梯度的分布,当水箱内的平均水温为55e 时,热水机的出水温度势必要高于55e 。

为了验证实际情况,首先按照GB/T 21362)2008中名义工况的试验方法进行模拟测试。

实际测试发现,当水箱中平均水温为55e 时,热水机的进水温度约为52e ,出水温度约为57e ,此时压缩机对应的冷凝温度为61e 。

一次加热式热水机的出水温度为定值,即55e ,首先出水温度就要比循环加热式热水机的低。

其次,其加热特点是小流量、大温差,小流量的特点是可以充分利用压缩机排气的显热给水加热。

在实际测试结果中发现,一次加热式热水机的冷凝温度只有52e ,即利用压缩机排气的显热可以将水再加热3e 左右。

这种设计条件已经在5制冷装置用同轴套管式换热器6标准送审稿中体现。

在同样的工况条件下,循环加热式热水机的冷凝温度一般在61e 左右,而一次加热式热水机的冷凝温度只有52e ,比循环加热式热水机的冷凝温度低约10e 。

2.3 蒸发温度蒸发温度也是决定机组性能的重要参数。

热水机的蒸发温度主要由环境温度决定。

蒸发温度的设定既要考虑实际制热量的需求又要考虑系统的安全运行。

在2.2节中已经分析了循环加热式#22#第11卷热水机的冷凝温度明显高于一次加热式的(当然是在加热水的高温段,在低水温段循环加热式的冷凝温度要低于一次加热式的),这就要求循环加热式热水机应该有更高的蒸发温度,以降低压比和排气温度。

这在实际测试结果中也得到相同结论:在名义工况下,循环加热式热水机的蒸发温度为8e,而一次加热式热水机的蒸发温度只有3e。

循环加热式热水机的高蒸发温度可以减小压比从而降低排气温度;但在环境温度过高时蒸发温度可能会导致压缩机电机过热或者过载,长时间高负荷运转也会缩短压缩机的使用寿命,在这点上热泵热水机厂家通常会采用一些手段以降低在高环境温度时产生的过高的蒸发温度,例如降低风扇转速。

本次所研究的一些厂家生产的产品就使用了这种方法,在按照GB/T21362)2008中最大负荷工况(空气侧干球温度43e,空气侧湿球温度26e)测试机组时,风扇转速明显下降,风速仪测得的数据显示,在最大负荷工况时风速比名义工况时降低约2m/s。

但即便采用了此方法,蒸发温度依然超过了压缩机的使用范围,最大负荷工况下测得的蒸发温度为17e,在空气侧干球温度32e,湿球温度23e的条件下,蒸发温度就已经超过12.5e,这已经超过了一般涡旋式压缩机的使用上限值,需要引起注意。

2.4过冷度过冷度的大小也是影响机组性能的重要指标之一,主要取决于两侧换热介质的温差、过冷段的大小等因素。

一次加热式热水机由于具有恒定的冷凝温度以及水侧较大的进出口温差,非常适合采用过冷循环,即利用冷凝后的液体制冷剂与较低温度的入水进行换热,最大限度地利用液体制冷剂的显热,可以在同样的蒸发、冷凝温度条件下提升机组的制热量和制热能效比。

笔者测试了一次加热式热水机(带过冷循环)在空气侧干球温度20e,湿球温度15e,进水温度20e,出水温度55e条件下的试验数据,并模拟计算了不采用过冷循环时的能力和能效比加以对比。

表3一次加热式热水机组是否带过冷循环的性能对比一次加热式热水机组形式数据来源过冷度/K制热量/kW能效比带过冷循环实测值3218.94.1不带过冷循环计算值515.93.5注:不带过冷循环的计算过冷度定为5K。

通过以上的对比计算可以明显地看出,采用了过冷循环的热水机的能力和能效比都有明显的提高,而这种优势在进水温度更低时会有更加明显的体现。

循环加热式热水机由于冷凝温度与机组进水温差很小,一般在10e左右,所以冷凝器出口的过冷度通常就在5e左右,难以获得较大的过冷度。

2.5过热度过热度的大小也是影响机组性能的重要指标之一,尤其对排气温度有直接的影响。

主要根据机组的实际情况综合考虑系统性能和安全来设定机组的过热度。

由于热水机水温和环境温度变化都很大,采用传统的毛细管作为节流机构显然不适合。

目前厂家基本采用热力膨胀阀或者电子膨胀阀控制机组过热度,2种形式的热水机在过热度的控制上基本相同,在这里不再赘诉。

2.6运行状态2种热水机由于系统设计的不同而导致运行状态不同。

图3和图4分别给出了这2种产品运行中的参数变化曲线。

图3一次加热式热水机运转参数变化曲线从图3可以看出,一次加热式热水机由于控制出水温度恒定,冷凝温度基本是定值,所以在开机后经历了短时间的调整后很快就进入稳定状态。

图4循环加热式热水机运转参数变化曲线第3期张剑飞等:空气源热泵热水机形式对比分析#23#从图4可以看出,由于循环加热式热水机水箱中水的温度一直在上升,从而导致冷凝温度和排气温度一直上升直至达到设定的出水温度要求。

2.7除霜方式除霜方式也是热水机设计中很重要的一部分。

本次测试的一次加热式热水机采用冷凝压力调节水阀,通过控制水流量控制冷凝温度,从而达到控制出水温度的目的。

在除霜时,若依然采用传统的四通阀换向除霜,当制热水运转转换为除霜运转时,原来的水侧换热器由冷凝器变为蒸发器,压力迅速下降。