水源热泵热水器实验研究

向勇涛　党相兵　解苗苗　关欣

摘要：

水源热泵技术利用少量电能将地表水或地下水的低品位能量转移至高品位，目前正成为节能领域的研究热点.针对水源热泵变冷凝参数的相关研究缺乏的现状，通过搭建水源热泵热水器实验台进行了相应实验研究.在水流量Q为0.7～1.3 m3·h-1，进水温度t为15～30 ℃范围内，对系统功耗、制热量、制冷量、热泵性能系数COP等参数进行了测量.实验结果表明，在水流量为1.1 m3·h-1，进水温度为20 ℃时，COP达到最大值，系统平均热泵性能系数COPave为3.23，此时系统处于最佳运行工况.由此可知，寻找系统的最佳运行工况对热泵系统设计和实际工程应用具有重要的意义.

关键词：

水源热泵热水器； 进水温度； 水流量； 最佳运行工况； COP

中图分类号： TB 66文献标志码： A

国内能源短缺日益严重已成为制约我国经济发展的一大瓶颈，国家在重视能源节约和再利用的同时，也更加关注新技术的开发与利用.水源热泵技术利用少量热能将地表水或地下水的低品位能量转移至高品位热能，因其节能环保的特点，正被广泛应用[1-2].水源热泵技术的研究主要包括地表或浅层水源（如地下水、河流和湖泊）热泵和人工再生水源（工业废水、废气）热泵[3].

Yan等初步研究了不同的板片形式、制冷剂、流态对板式换热器换热效果的影响，分析了板式换热器作为冷凝器或蒸发器应用于地下水源热泵系统中的特点[4-5].王芳通过实验和仿真模拟研究发现，井水进、出口温差一定时，进口温度升高有助于提高地下水源热泵系统COP；井水进口温度一定时，进、出口温差的升高将降低系统COP[6].朱禹实验研究发现随着蒸发器侧水流量增大，热泵系统COP升高[7].陈剑波研究表明，对R410a水源热泵空调机组而言，进水温度升高时，在制热工况下有利于提高系统COP，在制冷工况下将降低系统COP[8].

上述研究多集中在冷凝或蒸发参数基本保持不变时的实验研究和模拟分析，并未分析变冷凝参数工况下热泵系统运行特性.本文通过搭建水源热泵热水器实验台，研究系统运行过程中，冷凝器侧参数不断变化时，进水温度、水流量对COP、功耗、制热量、制冷量的影响，从而得到水源热泵热水系统的最佳运行工况，为后续实际应用提供参考依据.

1实验原理及实验台组成

水源热泵实验装置原理如图1所示.实验装置主要包括两个系统：热泵系统和水系统，其中水系统又包括冷冻水系统（蒸发器侧）和冷却水系统（冷凝器侧）.热泵系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、热力膨胀阀及其它辅助部件组成.

制冷剂与低温热源循环水在蒸发器中进行热交换（蒸发吸热），经压缩机压缩后进入冷凝器与蓄热循环水进行热交换（冷凝放热），过冷液体经热力膨胀阀进入蒸发器，完成一个循环，从而达到把能量从低品位转移至高品位的目的.通过布置在系统流程中的9个温度测点、4个压力测点和1个示功器，可及时了解制冷剂各点状态参数、蒸发器和冷凝器进、出口水温及压缩机功耗.本实验采用温度可控的电加热水箱模拟低温热源.

2实验结果及分析

为研究低温热源参数对系统性能的影响，实验分为定温度变流量（进水温度t为20 ℃，水流量Q分别为0.9、1.1、1.3 m3·h-1）、定流量变温度（Q为1.1 m3·h-1，t分别为15、20、25、30 ℃）和同时制冷、制热运行三大类.当系统运行稳定后（开机约5 min），记录系统运行参数，当恒温水箱温度达到设定值时，停止工作.

2.1不同水流量下系统功耗、COP随时间的变化

图2为进水温度为20 ℃时，不同水流量下功耗、COP随运行时间的变化.由图2（a）可知，功耗随运行时间的增加而增加，且水流量越大，其增加速率越快；由图2（b）可知：Q=0.9 m3·h-1时，系统平均热泵系数COPave=3.17；Q=1.1 m3·h-1时，COPave=3.23；Q=1.3 m3·h-1时，COPave=3.13.COP随水流量增大，呈现先增大后减小的趋势，Q=1.1 m3·h-1时，系统处于最佳运行状态.这是因为在进水温度恒定时，随着水流量增加，将导致蒸发器进、出水温差减小，制冷剂流量略有增加，系统制热量、制冷量增加，功耗增加.Q≤1.1 m3·h-1时，功耗增加速率小于制热量增加速率，COP增大；当Q≥1.1 m3·h-1时，功耗增加速率大于制冷量增加速率，导致COP下降.

2.2不同进水温度下系统功耗、COP随时间的变化

图3为水流量Q=1.1 m3·h-1时，不同进水温度下，功耗、COP随运行时间的变化.由图3（a）知，功耗随系统运行时间的增加而增加，且低温热源进口水温越高，增加速率增大.由图3（b）可知：t=15 ℃时，COPave=3.16；t=20 ℃时，COPave=3.23；t=25 ℃时，COPave=3.10；t=30 ℃时，COPave=3.01.COP随进水温度的升高，呈现先增大后减小的趋势，t=20 ℃时，系统处于最佳运行状态.这是因为低温热源水流量恒定时，随着进水温度的升高，系统蒸发压力升高，制冷剂流量增加，功耗增加，系统制热量、制冷量增加.t≤20 ℃时，功耗增加速率小于制热量增加速率，COP增加；t≥20 ℃时，功耗增加速率大于制热量增加速率，COP下降.

2.3双工况运行时进水温度、功耗及COP随时间的变化

双工况运行指系统在进水温度（蒸发温度）连续下降，冷凝温度连续升高的工况下运行.图4为双工况运行，水流量Q=0.7 m3·h-1，初始进水温度为24.5 ℃时，进水温度、功耗及COP随运行时间的变化.从图中可知，随着系统的运行，进水温度不断下降，功耗不断升高，COP先增大后降低.在系统运行初始阶段，由于蒸发器出口制冷剂过热度大，导致热力膨胀阀开度增大、制冷剂流量增加，继而制冷量、压缩机功耗、制热量增加，且制热量增加幅度大于压缩机功耗增加幅度，COP升高；25 min后，由于进水温度降低，制冷量、制热量减少，同时随着冷凝器进、出口水温差的增加，冷凝温度升高使压比增大，压缩机功耗略有增加，导致系统COP降低.系统运行25 min时，进水温度在20 ℃左右，COP达到最大，也验证了进水温度为20 ℃时，系统处于最佳运行状态.

摘要：

水源热泵技术利用少量电能将地表水或地下水的低品位能量转移至高品位，目前正成为节能领域的研究热点.针对水源热泵变冷凝参数的相关研究缺乏的现状，通过搭建水源热泵热水器实验台进行了相应实验研究.在水流量Q为0.7～1.3 m3·h-1，进水温度t为15～30 ℃范围内，对系统功耗、制热量、制冷量、热泵性能系数COP等参数进行了测量.实验结果表明，在水流量为1.1 m3·h-1，进水温度为20 ℃时，COP达到最大值，系统平均热泵性能系数COPave为3.23，此时系统处于最佳运行工况.由此可知，寻找系统的最佳运行工况对热泵系统设计和实际工程应用具有重要的意义.

关键词：

水源热泵热水器； 进水温度； 水流量； 最佳运行工况； COP

中图分类号： TB 66文献标志码： A

国内能源短缺日益严重已成为制约我国经济发展的一大瓶颈，国家在重视能源节约和再利用的同时，也更加关注新技术的开发与利用.水源热泵技术利用少量热能将地表水或地下水的低品位能量转移至高品位热能，因其节能环保的特点，正被广泛应用[1-2].水源热泵技术的研究主要包括地表或浅层水源（如地下水、河流和湖泊）热泵和人工再生水源（工业废水、废气）热泵[3].

Yan等初步研究了不同的板片形式、制冷剂、流态对板式换热器换热效果的影响，分析了板式换热器作为冷凝器或蒸发器应用于地下水源热泵系统中的特点[4-5].王芳通过实验和仿真模拟研究发现，井水进、出口温差一定时，进口温度升高有助于提高地下水源热泵系统COP；井水进口温度一定时，进、出口温差的升高将降低系统COP[6].朱禹实验研究发现随着蒸发器侧水流量增大，热泵系统COP升高[7].陈剑波研究表明，对R410a水源热泵空调机组而言，进水温度升高时，在制热工况下有利于提高系统COP，在制冷工况下将降低系统COP[8].

上述研究多集中在冷凝或蒸发参数基本保持不变时的实验研究和模拟分析，并未分析变冷凝参数工况下热泵系统运行特性.本文通过搭建水源热泵热水器实验台，研究系统运行过程中，冷凝器侧参数不断变化时，进水温度、水流量对COP、功耗、制热量、制冷量的影响，从而得到水源热泵热水系统的最佳运行工况，为后续实际应用提供参考依据.

1实验原理及实验台组成

水源热泵实验装置原理如图1所示.实验装置主要包括两个系统：热泵系统和水系统，其中水系统又包括冷冻水系统（蒸发器侧）和冷却水系统（冷凝器侧）.热泵系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、热力膨胀阀及其它辅助部件组成.

制冷剂与低温热源循环水在蒸发器中进行热交换（蒸发吸热），经压缩机压缩后进入冷凝器与蓄热循环水进行热交换（冷凝放热），过冷液体经热力膨胀阀进入蒸发器，完成一个循环，从而达到把能量从低品位转移至高品位的目的.通过布置在系统流程中的9个温度测点、4个压力测点和1个示功器，可及时了解制冷剂各点状态参数、蒸发器和冷凝器进、出口水温及压缩机功耗.本实验采用温度可控的电加热水箱模拟低温热源.

2实验结果及分析

为研究低温热源参数对系统性能的影响，实验分为定温度变流量（进水温度t为20 ℃，水流量Q分别为0.9、1.1、1.3 m3·h-1）、定流量变温度（Q为1.1 m3·h-1，t分别为15、20、25、30 ℃）和同时制冷、制热运行三大类.当系统运行稳定后（开机约5 min），记录系统运行参数，当恒温水箱温度达到设定值时，停止工作.

2.1不同水流量下系统功耗、COP随时间的变化

图2为进水温度为20 ℃时，不同水流量下功耗、COP随运行时间的变化.由图2（a）可知，功耗随运行时间的增加而增加，且水流量越大，其增加速率越快；由图2（b）可知：Q=0.9 m3·h-1时，系统平均热泵系数COPave=3.17；Q=1.1 m3·h-1时，COPave=3.23；Q=1.3 m3·h-1时，COPave=3.13.COP随水流量增大，呈现先增大后减小的趋势，Q=1.1 m3·h-1时，系统处于最佳运行状态.这是因为在进水温度恒定时，随着水流量增加，将导致蒸发器进、出水温差减小，制冷剂流量略有增加，系统制热量、制冷量增加，功耗增加.Q≤1.1 m3·h-1时，功耗增加速率小于制热量增加速率，COP增大；当Q≥1.1 m3·h-1时，功耗增加速率大于制冷量增加速率，导致COP下降.

2.2不同进水温度下系统功耗、COP随时间的变化

图3为水流量Q=1.1 m3·h-1时，不同进水温度下，功耗、COP随运行时间的变化.由图3（a）知，功耗随系统运行时间的增加而增加，且低温热源进口水温越高，增加速率增大.由图3（b）可知：t=15 ℃时，COPave=3.16；t=20 ℃时，COPave=3.23；t=25 ℃时，COPave=3.10；t=30 ℃时，COPave=3.01.COP随进水温度的升高，呈现先增大后减小的趋势，t=20 ℃时，系统处于最佳运行状态.这是因为低温热源水流量恒定时，随着进水温度的升高，系统蒸发压力升高，制冷剂流量增加，功耗增加，系统制热量、制冷量增加.t≤20 ℃时，功耗增加速率小于制热量增加速率，COP增加；t≥20 ℃时，功耗增加速率大于制热量增加速率，COP下降.

2.3双工况运行时进水温度、功耗及COP随时间的变化

双工况运行指系统在进水温度（蒸发温度）连续下降，冷凝温度连续升高的工况下运行.图4为双工况运行，水流量Q=0.7 m3·h-1，初始进水温度为24.5 ℃时，进水温度、功耗及COP随运行时间的变化.从图中可知，随着系统的运行，进水温度不断下降，功耗不断升高，COP先增大后降低.在系统运行初始阶段，由于蒸发器出口制冷剂过热度大，导致热力膨胀阀开度增大、制冷剂流量增加，继而制冷量、压缩机功耗、制热量增加，且制热量增加幅度大于压缩机功耗增加幅度，COP升高；25 min后，由于进水温度降低，制冷量、制热量减少，同时随着冷凝器进、出口水温差的增加，冷凝温度升高使压比增大，压缩机功耗略有增加，导致系统COP降低.系统运行25 min时，进水温度在20 ℃左右，COP达到最大，也验证了进水温度为20 ℃时，系统处于最佳运行状态.

摘要：

水源热泵技术利用少量电能将地表水或地下水的低品位能量转移至高品位，目前正成为节能领域的研究热点.针对水源热泵变冷凝参数的相关研究缺乏的现状，通过搭建水源热泵热水器实验台进行了相应实验研究.在水流量Q为0.7～1.3 m3·h-1，进水温度t为15～30 ℃范围内，对系统功耗、制热量、制冷量、热泵性能系数COP等参数进行了测量.实验结果表明，在水流量为1.1 m3·h-1，进水温度为20 ℃时，COP达到最大值，系统平均热泵性能系数COPave为3.23，此时系统处于最佳运行工况.由此可知，寻找系统的最佳运行工况对热泵系统设计和实际工程应用具有重要的意义.

关键词：

水源热泵热水器； 进水温度； 水流量； 最佳运行工况； COP

中图分类号： TB 66文献标志码： A

国内能源短缺日益严重已成为制约我国经济发展的一大瓶颈，国家在重视能源节约和再利用的同时，也更加关注新技术的开发与利用.水源热泵技术利用少量热能将地表水或地下水的低品位能量转移至高品位热能，因其节能环保的特点，正被广泛应用[1-2].水源热泵技术的研究主要包括地表或浅层水源（如地下水、河流和湖泊）热泵和人工再生水源（工业废水、废气）热泵[3].

Yan等初步研究了不同的板片形式、制冷剂、流态对板式换热器换热效果的影响，分析了板式换热器作为冷凝器或蒸发器应用于地下水源热泵系统中的特点[4-5].王芳通过实验和仿真模拟研究发现，井水进、出口温差一定时，进口温度升高有助于提高地下水源热泵系统COP；井水进口温度一定时，进、出口温差的升高将降低系统COP[6].朱禹实验研究发现随着蒸发器侧水流量增大，热泵系统COP升高[7].陈剑波研究表明，对R410a水源热泵空调机组而言，进水温度升高时，在制热工况下有利于提高系统COP，在制冷工况下将降低系统COP[8].

上述研究多集中在冷凝或蒸发参数基本保持不变时的实验研究和模拟分析，并未分析变冷凝参数工况下热泵系统运行特性.本文通过搭建水源热泵热水器实验台，研究系统运行过程中，冷凝器侧参数不断变化时，进水温度、水流量对COP、功耗、制热量、制冷量的影响，从而得到水源热泵热水系统的最佳运行工况，为后续实际应用提供参考依据.

1实验原理及实验台组成

水源热泵实验装置原理如图1所示.实验装置主要包括两个系统：热泵系统和水系统，其中水系统又包括冷冻水系统（蒸发器侧）和冷却水系统（冷凝器侧）.热泵系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、热力膨胀阀及其它辅助部件组成.

制冷剂与低温热源循环水在蒸发器中进行热交换（蒸发吸热），经压缩机压缩后进入冷凝器与蓄热循环水进行热交换（冷凝放热），过冷液体经热力膨胀阀进入蒸发器，完成一个循环，从而达到把能量从低品位转移至高品位的目的.通过布置在系统流程中的9个温度测点、4个压力测点和1个示功器，可及时了解制冷剂各点状态参数、蒸发器和冷凝器进、出口水温及压缩机功耗.本实验采用温度可控的电加热水箱模拟低温热源.

2实验结果及分析

为研究低温热源参数对系统性能的影响，实验分为定温度变流量（进水温度t为20 ℃，水流量Q分别为0.9、1.1、1.3 m3·h-1）、定流量变温度（Q为1.1 m3·h-1，t分别为15、20、25、30 ℃）和同时制冷、制热运行三大类.当系统运行稳定后（开机约5 min），记录系统运行参数，当恒温水箱温度达到设定值时，停止工作.

2.1不同水流量下系统功耗、COP随时间的变化

图2为进水温度为20 ℃时，不同水流量下功耗、COP随运行时间的变化.由图2（a）可知，功耗随运行时间的增加而增加，且水流量越大，其增加速率越快；由图2（b）可知：Q=0.9 m3·h-1时，系统平均热泵系数COPave=3.17；Q=1.1 m3·h-1时，COPave=3.23；Q=1.3 m3·h-1时，COPave=3.13.COP随水流量增大，呈现先增大后减小的趋势，Q=1.1 m3·h-1时，系统处于最佳运行状态.这是因为在进水温度恒定时，随着水流量增加，将导致蒸发器进、出水温差减小，制冷剂流量略有增加，系统制热量、制冷量增加，功耗增加.Q≤1.1 m3·h-1时，功耗增加速率小于制热量增加速率，COP增大；当Q≥1.1 m3·h-1时，功耗增加速率大于制冷量增加速率，导致COP下降.

2.2不同进水温度下系统功耗、COP随时间的变化

图3为水流量Q=1.1 m3·h-1时，不同进水温度下，功耗、COP随运行时间的变化.由图3（a）知，功耗随系统运行时间的增加而增加，且低温热源进口水温越高，增加速率增大.由图3（b）可知：t=15 ℃时，COPave=3.16；t=20 ℃时，COPave=3.23；t=25 ℃时，COPave=3.10；t=30 ℃时，COPave=3.01.COP随进水温度的升高，呈现先增大后减小的趋势，t=20 ℃时，系统处于最佳运行状态.这是因为低温热源水流量恒定时，随着进水温度的升高，系统蒸发压力升高，制冷剂流量增加，功耗增加，系统制热量、制冷量增加.t≤20 ℃时，功耗增加速率小于制热量增加速率，COP增加；t≥20 ℃时，功耗增加速率大于制热量增加速率，COP下降.

2.3双工况运行时进水温度、功耗及COP随时间的变化

双工况运行指系统在进水温度（蒸发温度）连续下降，冷凝温度连续升高的工况下运行.图4为双工况运行，水流量Q=0.7 m3·h-1，初始进水温度为24.5 ℃时，进水温度、功耗及COP随运行时间的变化.从图中可知，随着系统的运行，进水温度不断下降，功耗不断升高，COP先增大后降低.在系统运行初始阶段，由于蒸发器出口制冷剂过热度大，导致热力膨胀阀开度增大、制冷剂流量增加，继而制冷量、压缩机功耗、制热量增加，且制热量增加幅度大于压缩机功耗增加幅度，COP升高；25 min后，由于进水温度降低，制冷量、制热量减少，同时随着冷凝器进、出口水温差的增加，冷凝温度升高使压比增大，压缩机功耗略有增加，导致系统COP降低.系统运行25 min时，进水温度在20 ℃左右，COP达到最大，也验证了进水温度为20 ℃时，系统处于最佳运行状态.