一种新型热泵-热水器联合循环系统的开发与优化

许黎明 吴小华 越云凯, 张振涛



一种新型热泵-热水器联合循环系统的开发与优化

许黎明1,2吴小华1越云凯1,3张振涛3

（1.北京石油化工学院机械工程学院 北京 102617；2.北京国电智深控制技术有限公司 北京 102200；3.中国科学院理化技术研究所 北京100190）

为满足家庭制冷和热水供应需求，一般需要热泵空调和热水器两套系统，夏季空调在制冷时会释放出冷凝热，如不加以利用会造成热量浪费和对环境的热污染。为充分利用家用空调系统的冷凝热，开发了一种新型热泵-热水器联合循环系统，按照最新国家标准，进行了室内机、室外机、热水器的设计与优化；通过采用两套独立系统的对比发现，新型热泵-热水器联合循环系统提高了设备利用率和安全性；与空调加电热水器、空调加燃气热水器和空调加空气源热泵热水器系统相比，新系统初投资分别可节约3.0%、14.8%和38.1%，夏季运行费用分别可节约42.6%、35.0%和28.9%。

热泵；热水器；空调；节能

0 引言

随着城镇化进程的加快，2015年我国房屋建筑施工面积近124亿m2，预计到2020年，每年还将新增建筑面积20亿m2。用于建筑物采暖、空调、通风、热水供应等方面的能源消耗也将随之不断增加，高峰时能源消耗将会达到每小时7200万吨标准煤[1,2]。

同时为了保证舒适度，居民建筑一般包括室内空调系统与热水供应系统。目前使用的分体式制冷空调器在过度季节闲置，造成空调设备利用率低；系统工作时冷凝器直接向大气散热，既会造成能源的浪费又会带来热污染。电热水器和燃气热水器利用电能和天然气等高品位能源来制取低品位生活热水，不符合可持续发展的需求，同时还有触电、一氧化碳中毒等安全隐患[3-5]。

本文提出了一种将空调系统与热泵热水系统合二为一的新型热泵-热水器联合循环系统，通过控制阀门的切换，可实现夏季制冷、制冷-热水器联合运行、空气源热泵热水器三种运行模式，既能减少系统投资、提高设备利用效率，还能降低运行费用。

1 系统设计

一种新型热泵-热水器联合循环系统原理图如图1所示。

1-压缩机；2-室外风机；3-室外侧换热器；4-储水箱；5-干燥过滤器； 6-毛细管；7-室内风机；8-室内侧换热器；9-气液分离器

系统工作过程如下：

（1）单独制冷工作过程如图2所示，从压缩机1出来的冷媒蒸汽，经管道流至室外侧换热器3中冷凝，由空气带走冷凝热，经节流后进入室内侧换热器8蒸发，实现制冷。

1-压缩机；2-室外风机；3-室外侧换热器；4-储水箱；5-干燥过滤器；6-毛细管；7-室内风机；8-室内侧换热器；9-气液分离器

（2）热泵-热水器联合运行过程如图3所示，与单独制冷工作模式不同的是：通过控制阀门的切换，从压缩机出来的冷媒蒸汽直接进入储水箱中冷凝放热，水箱中的水温度升高，供洗浴等用，实现制冷同时制取热水。

1-压缩机；2-室外风机；3-室外侧换热器；4-储水箱；5-干燥过滤器； 6-毛细管；7-室内风机；8-室内侧换热器；9-气液分离器

（3）单独制取热水工作过程如图4所示，从压缩机1出来的冷媒蒸汽经过管道流至储水箱4中冷凝放热，水箱内的水温度升高，经节流后进入室外侧换热器3中蒸发。

1-压缩机；2-室外风机；3-室外侧换热器；4-储水箱；5-干燥过滤器； 6-毛细管；7-室内风机；8-室内侧换热器；9-气液分离器

2 设计优化

为使热泵-热水器联合循环系统能满足上述三种工作模式的要求，按照最新国家标准进行了设计与优化。

2.1 压缩机设计优化

调研发现，将一台2匹的压缩机用于普通家庭空调系统或热水器系统即可满足使用需求，结合本系统特点，最终选用广东美芝制冷设备有限公司生产的热泵热水器专用压缩机，型号为PJ340M2CS-4KU，制冷剂为R134a[6]，不同测试工况下额定电功率P如表1所示。

表1 不同工况下压缩机额定功率

根据文献[7]和[8]，取压缩机指示效率η=0.8，机械效率η=0.9，电动机效率η=0.95，可得电效率：

η=η×η×η

等熵功率：

P=P×η

ASH工况下等熵功率：

P=861.84W

HPWH工况下等熵功率：

P=916.56W

2.2 制冷空调系统的设计优化

2.2.1 制冷空调系统循环参数的确定

依据国标《房间空气调节器用电动机-压缩机》（GB/T15765-2006），房间空气调节器制冷工作时循环参数及取用循环参数如表2所示。根据文 献[9]，取管道过热度为5℃，所以可得蒸发器出口温度为13.3℃。

表2 制冷工作时循环参数及取用参数

依据国标《家用和类似用途电器的安全热泵、空调器和除湿机的特殊要求》（GB4076.32-2012），制冷条件下室内机和室外机进出口空气温度参数如表3所示。

表3 制冷条件下室内外机进出口空气温度参数

2.2.2热力循环计算

热力循环的压焓图如图5所示，根据2.2.1确定的热力循环参数，查R134a的压焓图，可得各点的状态参数，如表4所示。

表4 热力循环各点的状态参数

图5 热力循环压焓图

循环的热力计算如下：

（1）等熵比功

w=2s-1=31kJ/kg

（2）点2状态的确定

查R134a的压焓图可得：

2=75℃

（3）质量流量

（4）单位质量制冷量

（5）制冷量

0=q×0=3864.2W

（6）冷凝器热负荷

Q=q×(2-4)=5108.25W

2.3 空气源热泵热水器系统设计优化

2.3.1 空气源热泵热水器系统循环参数的确定

依据国标《家用和类似用途热泵热水器用全封闭电动机-压缩机》（GB/T29780-2013），热泵热水循环标准工况参数和取用参数如表5所示。

根据文献[9]，取管道过热度为5℃，所以可得蒸发器出口温度15℃。

表5 热泵热水器循环标准工况参数和取用参数

依据国标《家用和类似用途热泵热水器》（GB/T23137-2008），空气源热泵热水器试验名义工况如表6所示。

表6 空气源热泵热水器的试验工况中的名义工况

2.3.2 空气源热泵热水器系统热力循环计算

系统热力循环的压焓图如图5所示，根据2.3.1确定的热力循环参数，查R134a的压焓图，可得各点的状态参数，如表7所示。

表7 热力循环各点的状态参数

循环的热力计算过程同2.2.2，结果如下：

（1）总吸热量

（2）室外机蒸发器吸热量

（3）冷凝器水箱热负荷

2.3.3 冷凝器水箱的结构设计

图6 通用空气源热泵热水器水箱示意图

图7 内置导流套筒的水箱结构示意图

因成本考虑，目前市场上空气源热泵热水器普遍采用等径螺旋盘管，沉浸在水箱下部作为冷凝器，其换热性能较差，影响空气源热泵热水器的整体性能[10]，示意图如图6所示。

针对这些缺点，谭辉平[11]在其文章中提出采用带导流套筒的非等径螺旋盘管换热器作为冷凝器，水箱结构示意图如图7所示，工作时，由于套筒内外加热顺序的先后，形成一定的密度差，套筒内外形成回流，提高了换热系数，达到了快速加热的目的，本文借鉴该新型结构。

2.4 制冷同时制取热水循环的设计优化

该工作循环参数同单独制冷时相同，所以热力循环计算与2.2.2相同。

冷凝温度为54.5℃，取5℃的换热温差，所以制取热水最高温度为49.4℃，当水温达到49.4℃，切换至单独制冷工作模式，水箱内以电辅助加热方式将水温提升至55℃所需热量为：

W

3 经济性分析

3.1 系统初投资对比

经走访国内多家大型家电卖场，调研普通家用空调与热水器的价格，与本文开发的一种热泵-热水器联合循环系统的价格对比如表8所示。

表8 初投资费用对比

3.2 运行费用对比

以夏季工况为例，按三个月90天计算，普通空调每天运行10个小时；根据国际《建筑给排水设计规范》（GB50015-2010），每人每天热水额定量为40～80L，计算取40L按照一般用水习惯，假设热水出水温度为55℃，自来水水温按15℃计算；参考目前北京市物价，居民用电电价0.4883元/kWh，天然气第一阶梯价格2.28元/m3，运行费用对比如表9所示。

表9 运行费用对比

综上所述，一种热泵-热水器联合循环系统不管是从初投资，还是运行费用上都比空调和热水器单独两套系统节约，符合绿色环保要求。

4 结论

按照最新国家标准，通过对室内机、室外机、热水器的设计、计算与优化，并与市场单独两套系统的对比，一种新型热泵-热水器联合系统提高了设备利用率和安全性，满足了人们多样化的需求；回收了冷凝热，克服了能源浪费与环境污染的缺点；相比于空调加电热水器、空调加燃气热水器和空调加空气源热泵热水器，新系统初投资可分别节约3.0%、14.8%和38.1%，新系统夏季可节约运行费用分别达42.6%、35.0%和28.9%。

[1] 肖鹏.空气源热泵系统在生活热水中的节能应用[J].供热制冷,2014,13(1):64-66.

[2] 金旭.双级压缩空气源热泵采暖系统实验研究[D].大连:大连理工大学,2009.

[3] 王丽欣,常琳.高密度数据中心制冷空调系统设计[J].制冷技术,2015,35(1):48-53.

[4] 寇希望.小型三用冷暖热水空调机的研究[D].大连:大连理工大学,2010.

[5] 王超,陶乐仁,申玲,等.空气源热泵热水器系统性能优化研究[J].轻工机械,2016,34(5):85-89.

[6] 王超,陶乐仁,申玲,等.空气源热泵热水器试验台的设计[J].流体机械,2016,44(8):65-82.

[7] 吴业正,李红旗,张华,等.制冷压缩机（第2版）[M].北京:机械工业出版社,2010.

[8] 郑贤德.制冷原理与装置（第二版）[M].北京:机械工业出版社,2008.

[9] 吴业正.小型制冷装置设计指导（第二版）[M].北京:机械工业出版社,1998.

[10] 张小艳,赵珊媛,洪珊瑚.水在螺旋盘管内的换热及压降特性研究[J].西安科技大学学报,2014,34(2):174-179.

[11] 谭辉平.提高空气源热泵热水器性能的途径[J].广东轻工职业技术学院学报,2008,7(2):29-32.

Development and Optimization of a Novel Combined Heat Pump-Water Heater Combined Cycle System

Xu Liming1,2Wu Xiaohua1Yue Yunkai1,3Zhang Zhentao3

( 1.Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing, 102617;2.Beijing Guodian Zhishen Control Technology Co., Ltd, Beijing, 102200;3.The Technical Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 )

To meet domestic demand for cooling and heating water, generally air conditioner and water heater are needed. Air conditioner will release heat of condensation in the summer, which will waste the energy and cause thermal pollution if it is not used. In order to make full use of the heat of condensation, a novel heat pump - water heater combined cycle system is proposed. According to the latest national standards, the indoor unit, outdoor unit, & water heater are designed and optimized. The novel system can improve the utilization and safety of the equipment compared to two independent systems. Compared with air conditioner & electric water heater, air conditioner & gas water heater, air conditioner & air-source heat pump water heater, the novel system initial investment can save 3.0%, 14.8% and 38.1% and the operation costs can save 42.6%, 35.0% and 28.9% respectively.

Heat pump; Water heater; Air conditioner; Energy conservation

1671-6612（2017）04-441-06

TB657/TK01

A

国家科技支撑计划项目（2015BAD19B02）；国家重点研发计划（SQ2016YFSF070056）

许黎明（1992-），男，本科，E-mail：xuliming@bipt.edu.cn

吴小华（1978-），男，博士研究生，讲师，E-mail：wuxiaohua@bipt.edu.cn

2017-04-01