空气源热泵热水器系统性能优化探讨

摘 要：针对全年气温相对较高的地区，空气源热泵热水器的应用相对广泛，正因为如此，采取有效措施提升热水器系统性能至关重要，在优化系统性能的基础上，可以促使能源利用率有效提升。在这种情况下，本文对室内夏季高温环境进行了模拟，并在对空气源热泵热水器实验台进行应用的过程中，详细研究了系统性能。

关键词：空气源热泵；热水器；系统性能；优化

现阶段，太阳能热水汽、电热水器以及燃气热水器等在我国得到了广泛的应用，同其他种类的热水器相比，空气源热泵热水器在应用的过程中，不仅呈现出了较高的安全性，同时运行效率以及环保性能都相对较高，因此得到了人们的认可。本文对空气源热泵热水器系统的性能优化展开了详细探讨，希望为我国热水器领域的全面发展奠定一定理论基础。

一、实验原理及方法

水循环和制冷剂循环部分共同构成了空气源热泵热水实验系统，其中翅片蒸发器、滚动转子压缩机、可视管以及电磁阀等共同构成了制冷剂循环部分；电加热箱、储水箱以及浮子流量计和循环水泵等共同构成了水系统循环部分。

试验台系统中，部分制冷剂气体在蒸发器中存在过热现象，这部分气体可以被压缩机吸收，在类似于等熵压缩处理的基础上，最后输入到冷凝器中的气体为高压气体，在流经冷水以后，高压过冷液体会在冷凝的基础上形成，将其传送到高压储液罐中以后，会想蒸发器流入，此时需要经过电子膨胀阀节流处理，最终实现整个循环。

过热状态存在于蒸发器出口处，在对其进行控制的过程中，可以利用电子膨胀阀开度调节的方式，水流量调节在水循环系统中的实现，需要对水泵转速进行转变，同时还应在调控浮子流量计顶部的阀门来实现这一目标，100L为本文所述水箱充水量。

二、实验结果和分析

（一）夏季工况下R134a系统循环特性分析

在对夏季工况下R134a系统参数进行全面记录的基础上，对参数变化进行分析，从实验工况来看：9L/min为循环水流量，8%为电子膨胀阀开度，在数据采集的过程中，是以30摄氏度循环热水为起点的，并不断提高水温，将其加热到55摄氏度。本文在展开实验的过程中，采用了23、28、30、32以及35摄氏度的环境温度，并对系统平均CCOP进行采集。

在不断升高的环境温度中，CCOP作为系统平均能效比处于逐渐提高的状态，根据本实验中的温度变化特点，产生了4.0的CCOP平均值，5.2为最大值。当23～30摄氏度为环境温度时，明显的上升现象存在与CCOP中，而在30～35摄氏度为环境温度时，这一数值的上升趋势减缓。产生这一现象的主要原因是，在不断提升环境温度的背景下，一定程度上提升了蒸发器端热负荷，这就导致蒸发温度有所升高，在这种情况下，始终拥有较小的过热度存在于蒸发器出口，此时会产生不断上升的CCOP。如果继续提高环境温度，那么会连续增加蒸发器出口过热度，此时有效换热面积在蒸发器中会明显缩小，增势减缓的现象在系统平均CCOP中产生。

在不断提升循环热水温度的过程中，线性增加的现象在压缩机功耗中形成；越高的环境温度会产生越大的耗功，然而如果循环水温相同，耗功受环境温度的影响较小，此时仅仅会产生3.6%的增加幅度。当循环水温度不断提升，由30摄氏度上升到55摄氏度时，会产生1.6倍的压缩机功耗，由此可见，此时拥有较大的增加幅度。产生这一现象的主要原因是冷凝温度、冷凝压力在不断升高的水温度情况下，也产生了提升的现象，这会增大压缩机压比，并降低容积效率；与此同时，随之增加的还有压缩机单位循环比，最终在促使热水温度不断提升的过程中，压缩机功耗也会不断升高。

（二）系统运行性能受电子膨胀阀应用的影响分析

在本次实验中，对不同状态下电子膨胀阀的系统能耗比、过热度以及蒸发器出口温度和蒸发温度的变化趋势进行了总结和分析，23摄氏度为本次实验中最初的环境温度设定值，21摄氏度为水箱进水温度，9L/min为水流量，在实验中需要不断加热水，一直需要加热到55摄氏度。

在本次实验中，需要对不同开度的电子膨胀阀进行观察，此时会发现拥有逐渐降低的过热度和不断上升的蒸发温度，平滑性强是温度整个变化过程中曲线的主要特点，同时在后期对热水进行加热处理的过程中，稳定性强成为过热度和蒸发温度变化的主要特点。热水在水箱中应不断进行加热，一直到55摄氏度为止，这一过程中拥有6%的阀开度，而8摄氏度则是过热度值，这一数值相对稳定；在8%的阀开度时，通常会拥有5摄氏度的过热度，且数值相对稳定；当拥有10%的阀开度时，通常会拥有3摄氏度的过热度，且数值相对稳定。过热度在蒸发器出口处会不断降低，而此时电子膨胀阀开度是处于不断增大的状态。产生这一现象的主要原因是，在不断增大电子膨胀阀开度的过程中，随之升高的还有蒸发温度，此时风机转速以及环境温度并不会发生任何转变，但是会不断降低过热度。

制冷剂流量在系统循环中要想得到有效的调节，应对电子膨胀阀进行应用，小范围的震荡就会在过热度和蒸发温度中形成，同时增大阀开度，就会产生更大的震荡范围。因此系统正常运行过程中，应对过热度进行有效的控制，此时温度剧烈震荡问题就不会在熱力膨胀阀中产生，而静态过热度也不需要进行频繁的调节，在这种情况下，将产生更为简单且稳定的蒸发器过热度调节过程。

当拥有较大的膨胀阀开度时，此时系统能效比将相对较高；然而在促使进口水温度在套管换热器中不断提升的过程中，此时线性降低的现象就会在CCOP中产生。产生这一现象的主要原因是当膨胀阀开度过大时，制冷剂在进入蒸发器中时量会提升，此时会减小蒸发器出口过热度，而有效相变换热面积在蒸发器中会不断提升，最终会产生不断上升的换热效率，在这种情况下，促使CCOP得到了提升。因此在稳定、安全的压缩机运行状态下，制冷剂流量可以应用膨胀阀进行调节。

三、空气源热泵热水器系统性能优化

第一，在环境温度相对较高的夏季，空气源热泵热水器冷媒为制冷剂R134a，其所呈现出的系统能效比相对较高，同时所产生的排气温度相对较低，但是如果拥有过高的环境温度，那么会极大的增加吸气过热度，同时会导致有效换热面积明显降低，最终会对换热性能产生不利影响。

第二，对热水进行加温处理，当其从30摄氏度上升值55摄氏度以后，线性增加的现象产生于功耗中，具体增长倍数为1.6；此时随之增大的还有压比，导致一定的安全隐患产生于系统中，并且加剧了压缩机的震动现象，并降低溶剂效率，在这一过程中，稳定性在系统运行中明显降低；如果始终保持45摄氏度左右的循环水进水温度，那么将产生最佳系统利用率。

第三，制冷剂流量在系统循环中要想得到有效的调节，就可以对电子膨胀阀进行应用，此时过热度在蒸发器出口处能够得到精确的控制，在这种情况下，变工况情况下系统的不稳定运行可以得到高效解决，而系统能效比也将有效提升。然而，小范围的震荡会在稳定的过热度和蒸发温度中形成，同时如果产生较大的阀开度，这以震荡问题就会更加严重；必须确保能够实现稳定且安全的压缩机运行状态，只有这样才能够在任何负荷状态下产生较高的运行效率。

结束语：

综上所述，在对空气源热泵热水器试验台进行应用的过程中，能够对热泵系统在R134a时和夏季工况下的具体运行参数进行获取，同时也促使电子膨胀阀开度实验得以实现。本文对套管换热器进出水温差、系统能效在不同水流量、周边温度环境基础上的变化进行了讨论，从而得出了具体的空气源热泵热水器系统性能优化途径，希望为相关领域的全面发展奠定一定理论基础。

作者简介：

王虹（1986-09），性别：女，籍贯：吉林省吉林市，工作单位：吉林省长热维修实业有限公司，学历：硕士研究生，职称：工程师，研究方向：公用设备设计及安装。endprint