环境温度对空气源热泵热水器系统性能的影响

袁朝阳，陶乐仁，虞中旸，黄理浩

（上海理工大学，上海 200093）

1 前言

不同于电热水器、燃气热水器和太阳能热水器，空气源热泵热水器作为新兴的节能型热水器，因具有节能、环保、方便等优点受到越来越多用户的青睐［1］。有研究指出其耗能约为普通电热水器的38%，相对燃气热水器节省约35%，太阳能热水器节省33%［2，3］。空气源热泵热水器是冷媒从外界环境的空气中吸取热量，通过压缩机做功，将热量供给较高温度的热源—储热水箱的一种逆卡诺循环装置［4］。

实际应用中发现，环境温度对系统性能的影响较为明显。胡韩莹等对外盘管空气源热泵热水器进行了试验研究，结果表明环境温度降低，COP相应降低，达不到节能的效果，热水出口水温设置过高也会大大削弱系统的节能效果［5］。董振宇等给出了空气源热泵热水器最适宜的工作温度范围在7～35℃左右，冷凝温度基本不变的情况下,制热量及COP随环境温度变化较为明显,环境温度降低时系统的压比增加，排气温度升高，吸气过热度减小［6］。系统耗功随着进水温度的升高而增大，制热量和COP随着进水温度的升高而降低［7～9］。本文利用循环加热式空气源热泵热水器试验台，模拟秋季气温多变的运行工况，分析不同环境温度下系统运行性能的变化趋势，为优化系统控制方案提供一些参考依据。

2 试验原理与方法

2.1 试验装置

空气源热泵热水器试验装置原理如图1所示，整个系统由制冷剂循环和水循环两部分组成。

图1 试验装置原理

压缩机选用自带气液分离器的上海某电器有限公司型号为WHP的R134a热泵热水器专用压缩机，理论排气量18.0 ml/rev，定频50 Hz，功率565 W。制冷剂质量流量由科氏力流量计测量，精度±0.1%。电子膨胀阀开度通过步进电机驱动器调节。蒸发器为换热管径φ9.52 mm×0.28 mm的紫铜管，正三角形排列，并配置额定风量530 m3/h的YWY型外转子轴流风机。冷凝器选用TY1222型套管换热器，原始铜管外径φ16 mm，换热面积0.61 m2。循环水泵采用RS-15/6型屏蔽泵，输入功率为93 W/67 W/46 W可调。储水箱为100 L外壳喷涂保温承压水箱，内胆304不锈钢，中间保温层采用环保型聚氨酯发泡剂。水流量计采用LZB-W（F）型浮子流量计，量程1.8～18 L/min，测量精度±2.5%。

试验装置中共布置了16个温度测点和4个压力测点，具体位置如图1所示。温度由T型热电偶测量，压力采用JYB-KH绝对压力传感器测量。试验前，通过调节循环水泵功率来控制水流量，充分混合系统内的水，避免影响换热效果；然后手动设定步进电机开度，控制电子膨胀阀在较小开度，避免开机时大量液态制冷剂涌入压缩机；最后通过小型的封闭空间不断向蒸发器正面吹入恒温的一次性风，开始试验。

2.2 试验方法

试验在模拟的秋季工况下进行，具体参数如表1所示。干球温度由蒸发器入口处的热电偶测得，相对湿度由温湿度计测得，二者所测数值代入湿空气焓湿图查询软件即可得到各个工况下的湿球温度和露点温度。不同环境温度试验过程中露点温度均在蒸发温度以上。

表1 试验工况

储水箱内热水初始温度为22℃，循环加热至55℃。系统工作过程中，热水吸收的热量包括3部分: 制冷剂过热气体的过热焓值、冷凝潜热和制冷剂过冷段的传热。单个试验过程中环境温度不变，水箱初始水温由辅助电加热调节置设定水温，膨胀阀开度设置为10%，水流量设置为11 L/min，开机3 min待压缩机稳定后开始采集试验数据，以保证数据的准确性。

2.3 计算公式

由于采用的是循环加热的方式制取热水，空气源热泵热水器运行时，随着入口水温的不断升高，系统的运行工况一直是在变化的，因此系统COP分为瞬时COPt和平均COPa，系统耗功也分为瞬时耗功P（即系统功率）和总耗功W。试验中可测量压缩机吸气温度Tsuc，排气温度Td，电子膨胀阀前温度Tv，制冷剂质量流量qm，蒸发压力Pe，系统功率 P，冷凝器进、出水温度 Tw,in，Tw,out。通过Refprop9.0物性软件可以得到制冷剂蒸发压力下的蒸发温度Te，排气焓值hd，阀前焓值hv。然后通过下列计算得到系统COP：

式中 Tsh——过热度

式中 Qh——制热量，W

式中 Pp，Pf，Pc——水泵、风机和压缩机的功率，W

式中 Mw——水箱中水的总体积，L，Mw=100 L

cw—— 循环水比热容，kJ/（kg·℃）,取cw=4.18 kJ/（kg·℃）

Tw，end——终止水温，℃，Tw，end=55 ℃

Tw，set——初始水温，℃，Tw，set=22 ℃

2.4 误差分析

由于测量器材精度的原因，每项试验结果都会存在一定的误差。本文采用Qzturk［10］的误差分析法对数据进行分析。假设参数R是由N个测量参数计算得到的，即：

则各个相关量的测量误差传递到参数R上的总误差δR为：

计算得到的瞬时COPt和平均COPa的误差分别为5.3%和4.7%。

3 试验结果与分析

图2反映了不同环境温度下制热量的变化趋势，环境温度为22℃时，制热量随着水温的升高而增大；而在其他环境温度下，制热量均是先增大后减小。系统运行前期，环境温度低时制热量大，后期环境温度低时制热量也随之降低。图3是质量流量随环境温度的变化趋势图，对比图2与图3可发现，制热量Qh和质量流量qm的变化趋势基本一致——质量流量越大制热量越大。在图3中，环境温度低时质量流量也低，这是由于环境温度降低，蒸发温度下降，蒸发压力降低，压缩机吸气比容υ随之增大，由于质量流量（qv为体积流量），过热状态滚动转子式压缩机容积效率η变化不大［11］，所以循环过程中质量流量降低。

图2 不同环境温度下制热量变化趋势

图3 不同环境温度下质量流量变化趋势

从图3中还可看出，同一环境温度下，质量流量随着过热度的降低而增大（过热度大于0 ℃时），这是由于冷凝器侧入口水温越高，蒸发压力越大，制冷剂蒸汽比体积越低，制冷剂密度越大，所以质量流量越大；而当过热度降到0 ℃时，压缩机的余隙容积中吸入了少量液态制冷剂，导致压缩机内的膨胀比体积增大，容积效率降低，工作性能变差，质量流量开始逐渐降低［12］。

从图4可以看出，同一环境温度下，蒸发器出口过热度Tsh不断下降，直至压缩机出现湿压缩。同时，环境温度越低，开机运行时的起始过热度越低，过热度降低幅度越大，压缩机会更早地进入湿压缩状态。环境温度为20，18，16和14 ℃时，系统过热度均在不断下降最终到达0 ℃；环境温度为22 ℃时，过热度虽然也在不断下降，但压缩机一直处于吸气过热状态，过热度最低约为2.6 ℃。这是由于环境温度较高时，制冷剂从空气中可吸收更多的热量，蒸发器侧的制冷量大，故蒸发器出口过热度会随着环境温度的升高而升高，过热度降到0 ℃的时间也会随之延长。在加热初期，环境温度越低制热量越大，说明吸气过热时过热度越小冷凝器侧制冷剂与水的换热效果越好，这也说明了为什么在相同的环境温度下随着过热度的降低系统的制热量是逐渐增大的。

图4 不同环境温度下过热度变化趋势

图5 示出了系统功率随环境温度的变化趋势。由式（3）可知，系统功率是风机、循环水泵和压缩机功率之和。运行过程中，风机和循环水泵的功率基本不变，系统功率的变化是由压缩机功率变化引起的。在图5中，系统功率随着水箱平均水温的增大而增大，环境温度越低功率越大，由于环境温度降低蒸发压力也会降低，而冷凝压力是受循环水温影响的，随着冷凝器入口水温的不断升高冷凝压力不断上升，在相同的水温下，不同环境温度下的冷凝压力基本不变，所以环境温度越低压缩机压比越大，如图6中所示压缩机压比随着环境温度的降低在不断增大，压比增大导致压缩机功率上升。

图5 不同环境温度下功率变化曲线

并且，在相同环境温度下，系统的耗功和压比均随着水温的升高而增大，这是由于加热过程中冷凝压力随着水温的升高而升高，虽然冷凝压力的升高使蒸发温度也会相应地升高，但受环境温度的限制蒸发温度升高的幅度有限，最终压缩机压比是逐渐升高的。另外功率和压比都是在蒸发器出口过热度为0 ℃时升高幅度变大，这也说明湿压缩会增加系统功率,降低压缩机工作性能。

图6 不同环境温度下压比变化曲线

结合图7、8可以看出，压缩机的吸气温度和排气温度均随着环境温度的降低而降低，且二者都与蒸发器出口过热度有关。

图7 不同环境温度下吸气温度变化曲线

图8 不同环境温度下排气温度变化曲线

在过热度降到0 ℃之前，随着水箱平均水温的升高，吸气温度在不断减小，这是由于过热度在不断减小，而蒸发温度在不断上升导致的；过热度降到0 ℃以后，压缩机吸气温度等于蒸发温度，而蒸发温度随水箱平均水温的上升而上升，所以吸气温度在此时出现拐点不断上升。在过热度降到0 ℃之前，随着水箱平均水温的升高，排气温度在不断增大，但增大的幅度却在减缓，当过热度在0 ℃以后排气温度下降，下降到冷凝温度附近后会随着冷凝温度的上升而上升。过热度为0℃时压缩机开始湿压缩，可有效降低系统的排气温度［13］。

图9示出了不同环境温度下系统瞬时能效比COPt的变化趋势。从图中可以看出，瞬时能效比COPt均随着水箱平均水温的上升而降低，环境温度越低，相同水温下的瞬时能效比COPt也越小。由式（4）可知，瞬时能效比COPt是与制热量Qh和功率P密切相关的。结合图2和图5分析系统的瞬时能效比COPt可以看出，环境温度为22℃时，系统制热量从1746.7 W上升到2361.3 W，增大了35.2%，系统功率从509.8 W上升到837.6 W，增大了64.3%，制热量虽然会随着过热度的降低而增大，但增大幅度仅为功率的一半，所以COPt最终会随着水温的升高而降低。当环境温度低于22 ℃时，系统功率不断增大，且在运行后期过热度为0 ℃时功率增加的幅度变大，制热量虽在吸气过热时不断增大，但在过热度为0 ℃时出现了拐点并开始下降，瞬时能效比COPt进一步降低，系统的制热效率会下降得更加明显。

图9 不同环境温度下瞬时能效比变化曲线

图10 示出了在不同环境温度下，将水从22℃加热到55 ℃时，加热时间t和系统的平均能效比COPa与环境温度的关系。从图中可以看出，平均能效比COPa随着环境温度的降低而降低，这是由于环境温度越低瞬时能效比COPt越低，整个加热过程中平均能效比COPa也就越小。COPa降低系统制热效果变差，加热热水的时间延长，因此系统的加热时间随着环境温度的降低而升高。

图10 加热时间和平均能效比随环境温度的变化趋势

4 结论

（1）系统的制热量受过热度变化的影响，而蒸发器出口过热度的大小与环境温度有关，环境温度越低过热度越小。在吸气过热的状态下，随着过热度的降低制热量在不断增大，当过热度为0℃时，制热量开始减小，如能合理控制吸气饱和时的状态,可实现让系统在较低环境下也能获得较高的制热量。

（2）系统的功率与压缩机压比有关，随着冷凝器入口水温的升高，冷凝压力增大，在蒸发温度增大幅度不大的情况下，压比是不断增大的。同时环境温度越低, 系统的压比越大、排气温度越高、过热度越小，压缩机更易湿压缩加剧功率的增长，但能有效降低排气温度。

（3）随着环境温度的降低，系统的平均能效比COPa是逐渐降低的，环境温度越低系统制热效果越差，水温被加热到55 ℃的时间也越长。

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