采用不同换热管的热泵热水器外盘管水箱的成本分析

苟秋平，吴扬，朱伯永，邓斌

（上海金龙制冷技术有限公司，上海 200135）

0 引言

随着社会的发展和居民生活水平的提高，人们对生活热水的需求量也逐渐增大，由此带来了更大的能源需求。空气源热泵热水器作为新一代热水器产品，其相比传统热水器能效高出两到三倍[1]，可以有效的降低热水器的能耗，因而引起越来越多的专家和学者的关注。

空气源热泵热水器的水箱主要分为内盘管和外盘管两种型式，文献[2-3]对热泵热水器的内盘管水箱水温的分布进行了模拟和实验研究，并对产生水温分层和涡流等现象的原因进行了分析；而外盘管水箱由于需要隔内胆传热，传热效率较低，成本较高[4]，目前的研究还不多。

本文将针对外盘管效率低、成本高等的问题，通过采用不同换热管材料及结构，对空气源热泵热水器外盘水箱的换热和成本进行对比研究。

1 计算模型

家用热泵热水器的外盘管水箱结构示意如图1所示。制冷剂在换热管（外盘管）内流动，通过管壁、水箱内胆壁，与水箱中的水进行换热。

图1 水箱外盘管示意图

水箱在整个换热过程的传热热阻主要由五部分组成，依次为：换热管内的相变传热热阻、换热管管壁的导热热阻、换热管和水箱的接触热阻、水箱内胆壁的导热热阻、水箱内水的自然对流热阻[5]。

1）换热管内传热计算公式：

式中：

hr——管内制冷剂冷凝换热系数，W/m2K；

Ai——外盘管管内壁换热面积，m2；Ai=πdiL，di为管内径，m，L为管长，m；

Tr——制冷剂温度，计算时取制冷剂冷凝温度，℃；

Tr,i——外盘管内壁温度，℃。

2）管壁导热计算公式：

式中：

λ1——外盘管管壁导热系数，W/mK；

do——管外径，m；

Tt,o——外盘管外壁温度，℃。

3）外盘管与内胆之间换热计算公式：

式中：

R——外盘管与水箱内胆之间的导热热阻，K/W。

4）内胆壁导热计算公式：

式中：

λ2——外盘管内胆壁导热系数，W/mK；

Di——水箱内胆内径，单位m；

Do——水箱内胆外径，m；

Ttank,i——水箱内胆内壁温度，℃；

Ttank,o——水箱内胆外壁温度，℃。

5）水箱内水的自然对流计算公式：

式中：

hW——水侧自然对流换热系数，W/m2K；

Ao——外盘管管外壁换热面积，m2；

TW——水箱内水温，℃。

通过以上方程式的组合求解，可以方便地进行外盘管水箱的设计及校核计算。

2 计算模型与实验数据的对比

本次测试是在上海金龙制冷技术有限公司热泵综合性能试验室进行的。如图2 所示，热泵热水器置于环境间，环境间外有空气处理机组，以使环境间温度稳定在国标要求的设定值。水箱盘管的进出口压差由设置在进出口的压力传感器测得，热泵系统消耗功率由功率变送器测量，热泵的制热量按国标GB/T23137-2008 计算得到，测试工况为：干球温度20℃，湿球温度15℃；进水温度15℃，出水温度55℃[6]。由于水箱中存在水温分层现象，因此在水箱中至上而下均匀布置了4 个温度测点。铂电阻温度传感器精度为±0.1℃，制冷剂压力及压差变送器测量精度为±0.5%，功率变送器测量精度为±0.5%，整个实验室重复性误差＜2%。

图2 热泵热水器实验室布置示意图

按照国标要求，一种容量为200 L，采用7.94 mm 内螺纹铜管的外盘管水箱在本实验室进行了测试，测试结果如表1 所示，水箱实测制热量和计算制热量的最大偏差为0.5%。

为了验证本模型对采用微通道扁管水箱时计算的准确性，针对一种同样容量为200 L，25 mm 微通道扁管外盘管水箱进行了实验测试，测试结果如表1 所示，水箱实验制热量和计算制热量的最大偏差为2.1%。

综上测试结果表明，无论圆管还是微通道扁管，本模型计算的外盘管水箱的制热量与实验测试值之间偏差最大为2.1%，具有较高的精度。可以利用该模型来进行外盘管水箱的设计和校核计算。

表1 7.94 mm 内螺纹铜管外盘管水箱测试结果

表2 微通道扁管外盘管水箱实验测试结果

3 采用不同换热管的外盘管水箱的设计及成本对比分析

基于上述数学模型，在性能相当的情况下，采用外径为9.52 mm 铜光管、9.52 mm 内螺纹铜管、9.52 mm 304L 不锈钢管以及5 mm 内螺纹铜管、4 mm 内螺纹铜管、25 mm 微通道铝扁管分别进行外盘管水箱的设计和成本对比分析，计算结果见表3。

表3 列出了6 种不同材质或管径的管材在外盘管换热器中换热性能和材料成本。从表中可知，不锈钢外盘管成本相比9.52 铜管材料价格上有优势，但如采用4 mm 和5 mm 铜内螺纹管，9.52 mm 系列的铜管及不锈钢管均没有优势。六种管材的比较中，铝管扁管水箱材料成本最低。

表4 列出了各种管材制成的外盘管换热器，考虑加工费及换热器加工成本后的价格对比。结果表明：4 mm 和5 mm 内螺纹铜管水箱在各种管材外盘管水箱中优势明显，微通道扁管水箱虽然材料成本低，考虑到其加工成本非常高，整体成本并不具有优势。

表3 不同材质管材的设计结果和成本核算

表4 各种材质管材制作成外盘管换热器总价

4 结论

本文建立了热泵热水器外盘管水箱的数学模型，并与实验测试结果进行了对比，证明该模型是切实有效的。运用该模型在保持换热性能相同的情况下，设计了采用不同换热管（9.52 mm 铜光管，9.52 mm 铜内螺纹管，9.52 mm 304L 不锈钢管，5 mm 铜管，4 mm 铜管，微通道扁管）的水箱，并进行了成本对比分析研究，结果表明：

1)针对目前市场上采用的9.52 mm 管材外盘管水箱来说，不锈钢管材具有优势；

2)小管径铜管（管径为4 mm 或5 mm）,微通道扁管水箱相对于其它换热管水箱材料成本优势明显；

3)考虑加工费及换热器加工成本后，小管径铜管水箱在各种管材外盘管水箱中优势明显，微通道扁管水箱虽然材料成本低，但其加工成本高，整体成本不具有优势；

4)采用小管径铜管，是降低外盘管水箱成本，提高其效率的途径和有效解决方法之一。

[1]Wu J,Yang Z,Wu Q,et al.Transient Behavior and Dynamic Performance of Cascade Heat Pump Water Heater with Thermal Storage System[J].Applied Energy,2012,91(1):187-196.

[2]王祥,刘颖,王芳,等.基于仿真的R417a 热泵热水器蓄热水箱优化设计[J].流体机械,2010,38(9):64-68.

[3]熊珍琴,王如竹,吴静怡,等.基于 Fluent 软件的热泵热水器水箱温度场数值模拟[C],制冷空调新技术进展——第四届全国制冷空调新技术研讨会论文集.南京,2006:734-737.

[4]李凡,赵恒谊,唐壁奎,等.空气源热泵热水器[M].重庆:重庆大学出版社,2010.

[5]杨世铭,陶文铨.传热学[M].第四版.北京:高等教育出版社,2007.

[6]GB/T 23137-2008,家用和类似用途热泵热水器[S].北京:中国标准出版社,2009.