供水温度对低温空气源热泵制热性能的影响

(1 郑州轻工业学院能源与动力工程学院 郑州 450000；2 郑州欧纳尔冷暖科技有限公司 郑州 451100)

传统燃煤供暖方式严重污染生态环境，清洁能源的使用已成为大家关注的焦点[1]。空气源热泵利用逆卡诺循环原理，消耗少量电能，可将空气中的低品位热能转为高品位热能来制取所需冷量或生活热水[2]。空气源热泵虽具有节能、环保、高效、安装使用方便等特点，但在北方低温工况下运行时会出现排气温度过高、制热量骤减、能效较低、容易结霜等问题，阻碍了其发展和应用[3-4]，国内外学者针对这些问题展开了大量的研究。

Zhang Ze等[5-7]研究了空气源热泵热水器不同制冷剂充注量和膨胀阀开度下的制热特性，结果表明，热泵的制热性能随充注量的增加，先增加后减小，在最佳充注量下，不同的膨胀阀开度对系统的性能影响较大。Jiang Mingliu等[8-10]研究了电子膨胀阀调节对空气源热泵热水器性能的影响，研究表明，在电子膨胀阀开度一定时，制热量和能效存在最大值，当开度不同时，加热初期开度越大制热量越大，而后期则相反。O.Ibrahim等[11-12]对空气源热泵热水器的冷凝器盘管进行数值模拟，研究冷凝盘管的长度对热泵性能的影响，考虑到成本因素，最终确定了与最佳能效匹配的最短冷凝盘管长度。张洁等[13]对空气源热泵的节流机构进行了改进和优化，研究表明，环境温度较高时，采用粗而短的毛细管性能较好，而环境温度较低时，采用细而长的毛细管性能较好。Peng Jingwei等[14]在不同外温和不同水温条件下，对比了热泵热水器不同节流设备的性能，研究发现电子膨胀阀仍是热泵系统中最佳的节流设备，节流短管次之，毛细管最差。曲明璐等[15]为解决复叠式空气源热泵除霜问题，提出增设蓄热器的除霜系统，与传统热气旁通除霜相比，其除霜时间明显缩短，除霜能耗大幅降低。Xue Liping等[16]研究了环境温度、相对湿度、迎面风速对翅片管式换热器结霜性能的影响，研究表明虽然更低的环境温度或相对湿度可以降低换热器结霜量，但会增加霜层密度，提高迎面风速可以减小制热能力的下降程度。张超等[17]模拟了气冷器进水流量对热泵热水器性能的影响，发现系统制热量、COP及出口水温均随进水流量的增加而增加。吕静等[18]研究了水箱水温对CO2热泵热水器性能的影响，结果表明：随着水温的升高，功耗增加，系统制热量和能效降低，并根据实验结果对水箱提出了改进方案，有效提高了系统的性能。袁朝阳等[19]研究了初始水温对空气源热泵热水器制热性能的影响，结果表明初始水温相同时，随着加热的进行，COP下降，当初始水温不同时，受压缩机吸气带液的影响，COP先升高后下降。凌拥军等[20]研究了水侧温度对CO2空气源热泵热水机性能的影响，结果表明在进水温度不变时，随着出水温度升高，系统COP降低，在出水温度不变时，随着进水温度的升高，系统COP也降低。

从以上研究进展可以看出，为了提高低温空气源热泵的制热性能，前人在热泵系统匹配和换热器结霜融霜方面进行了较多研究，但很少以供水温度作为研究的切入点，来改善热泵的制热性能，关于空气源热泵将水加热至何种供水温度最节能的研究也较少。本文从提高低温空气源热泵的制热性能出发，研究供水温度对热泵制热性能的影响，找到最节能的供水温度点，为实际工程应用提供参考。

1 实验原理及方法

1.1 实验设备

低温空气源热泵性能检测系统如图1所示，由制冷剂循环和水循环两部分组成。

图1 低温空气源热泵性能检测系统Fig.1 The test system of low temperature air source heat pump performance

制冷剂循环部分由压缩机、板式冷凝器、高压贮液器、翅片式蒸发器、过滤器、气液分离器、经济器、电子膨胀阀等组成。压缩机采用带中间补气的涡旋式压缩机，定频50 Hz，额定制热量92.2 kW，额定功率13 kW。制冷剂选用R410A，充注量为20 kg。冷凝器采用高效的钎焊板式换热器，规格为495 mm×247 mm×201 mm，传热面积为6.4 m2，总板片数为66，有效板片数为64。翅片管式风冷式蒸发器采用铜管铝翅片，肋片厚度为0.10 mm，肋片间距为2.5 mm，换热器规格为1 850 mm×1 000 mm×65 mm，3排40孔，孔距为25 mm，排距为21.65 mm。节流机构采用电子膨胀阀，可对热泵工况进行更高精度的调节。

水循环部分由循环水泵，电加热箱和蓄水箱、电磁流量计等组成，水泵扬程为20 m，水体积流量为12.87 m3/h，电加热箱可用来调节水箱温度，蓄水箱规格为1.2 m×1.2 m×1.2 m，体积为1.73 m3，热水从水箱上部流入，下部流出，使热泵系统完成对水的循环加热。

该检测系统用于模拟低温空气源热泵室外运行环境。当热泵开启制热模式运行时，组合式空气调节机组通过开启变频风机，辅助压缩冷凝机组释放冷量，冷量由低温冷风机扩散到被试机运行空间内，平衡被试机产生的热负荷，并按照国标要求，使实验台系统维持实验所需的环境温度；为了防止蓄水箱的温度过高，用风冷热泵机组来调节蓄水箱温度；取样装置用来测量计算实验操作系统的干湿球温度和相对湿度。

实验测量的参数有：空气相对湿度，蒸发器进风温度，进、供水口温度，板换温度、盘管温度、压缩机吸排气温度及其对应的压力，水泵流量等。空气相对湿度和蒸发器进风温度由取样风机测量，测量精度为0.01 ℃，进出口水温由康铜-铂铜温度传感器测量，测量精度为0.01 ℃，冷凝器板换温度、蒸发器盘管温度、压缩机吸排气温度由布置在其上的热电偶测量，压缩机吸排气压力由压力传感器测量，水泵流量由电磁流量计测量，实验装置如图2所示。

1空气源热泵；2取样风机装置；3风机；4供水口；5进水口。图2 低温空气源热泵的实验装置Fig.2 Experimental installation of low temperature air source heat pump

1.2 实验方法

本实验在低温热泵性能实验室中进行，选择低温空气源热泵机组进行实验，根据GB/T 25127.1—2010低环境温度空气源热泵(冷水)机组[21]的要求，调节组合式空气调节机组，设置室外温度-12 ℃，并添加室外温度-6 ℃进行对照实验，控制电子膨胀阀开度为25°(反复实验确定的最佳开度)，调节水泵循环水体积流量为12.87 m3/h，设置初始水温为20 ℃，开启热泵加热，提高系统供水温度，当供水温度分别为25、30、35、40、45、50、55 ℃时，分析热泵机组的吸排气温度、压缩比、制热量、制热能效、输入功率的变化规律，总结影响空气源热泵能效的重要因素。

1.3 计算公式

在热泵性能检测实验室，可测得总功耗W、进口水温twat,in、供水温度twat,out，通过理论计算可得：

系统制热量Qhot：

Qhot=cρ水qV(twat,out-twat,in)

(1)

热泵COP：

COP=Qhot/W

(2)

2 实验结果分析

2.1 供水温度对热泵系统制热量的影响

图3所示为系统制热量随供水温度的变化。可知，当外界环境温度相同时，低温空气源热泵将水从20 ℃加热至55 ℃，制热量呈先升高后降低的趋势，即制热量存在一个最大值，这是因为随着加热过程的进行，热泵系统内流过的制冷剂流量不断增加，压缩机的吸排气温度和压缩比逐渐升高，制热量增加，当加热至约40 ℃时，制热量达到最大值(环境温度-12 ℃时，约为额定制热量的0.6倍)，且能满足用户对供热的需求。当继续加热，在蒸发温度不变的情况下，冷凝温度不断增加，冷凝压力增加，压缩机的排气温度和压缩比增加，超过正常范围值，压缩机容积效率降低，制热过程开始恶化，导致热泵系统的制热量减小，系统制热量将不能满足用户需求。

图3 系统制热量随供水温度的变化Fig.3 The heating capacity changes with water supply temperature

此外，对于环境温度-12 ℃和-6 ℃两种工况，当供水温度接近40 ℃时，制热量均存在一个最大值。这是因为同一环境温度下，热泵加热水的过程中，系统的质量流量呈先增加后减小的趋势[22]，在供水温度接近40 ℃时，系统质量流量达到最大值，即系统的制热量也达到一个最大值，但不同的环境温度所对应的最佳供水温度也不同，在工程实际应用中，应根据不同环境温度确定对应的最佳供水温度，以确定最佳运行工况点。

由图3还可知，在相同的供水温度下，提高环境温度，热泵系统的制热量增加。这是因为提高环境温度，系统的蒸发温度上升，压缩比下降，热泵制热性能改善，当供水温度为40 ℃时，将环境温度从-12 ℃升至-6 ℃，制热量从53 469 W升至57 816 W，增幅为8.1%。

2.2 供水温度对热泵系统功耗的影响

图4所示为系统功耗随供水温度的变化。由图4可知，当外界环境温度相同时，低温空气源热泵加热水的过程中，热泵系统的总功耗呈上升趋势。这是因为环境温度不变时，蒸发压力不变，而冷凝压力受供水温度变化的影响，当供水温度增加时，冷凝温度、冷凝压力、压缩比、压缩机的输入功率均增加，最终导致系统的总功耗W(包括压缩机输入功率和风机的功率等)也随之增加。

图4 系统功耗随供水温度的变化Fig.4 The power consumption changes with water supply temperature

热泵在环境温度-12 ℃工况下运行，供水温度从25 ℃增至55 ℃，系统总功耗从11 905 W增至24 417 W，增加105%，因此，热水被加热的过程中，总功耗增加十分迅速。

由图4还可知，在相同的供水温度情况下，提高环境温度，热泵系统功耗增加。这是因为在冷凝温度不变的情况下，环境温度、蒸发温度、蒸发压力均增加，压缩比下降，吸气比容减小，制冷剂的质量流量增加，引起压缩机的输入功率增加，而风机等设备的功率基本不变，当供水温度为40 ℃时，将环境温度从-12 ℃提高至-6 ℃，热泵系统功耗从18 887 W升至19 495 W，增幅为3.2%。

2.3 供水温度对热泵系统COP的影响

图5所示为系统COP随供水温度的变化。可知，当外界环境温度相同时，低温空气源热泵加热水的过程中，COP不断下降。这是因为当蒸发温度不变，随着供水温度的升高，冷凝压力不断增加，压缩比增加，制热量的增加速率<输入功率的增加速率，制热效率下降。环境温度为-12 ℃时，将水从25 ℃加热至55 ℃，系统能效从4.03降至2.11，整个系统能效下降47.6%。因为水被加热到40 ℃时，制热量最大，且能满足人们的供热需求，若继续加热，能效下降，制热恶化，供热不足，所以，环境温度-12 ℃时，供水温度40 ℃为最佳供水温度点。

图5 系统COP随供水温度的变化Fig.5 COP changes with water supply temperature

由图5还可知，在相同的供水温度下，提高环境温度，热泵系统COP增加。这是因为当冷凝温度不变时，提高环境温度，蒸发温度和蒸发压力增加，压缩比下降，吸气比容减小，制冷剂的质量流量增加，制热效果改善，系统的制热能效增加，当供水温度为40 ℃时，将环境温度从-12 ℃提高至-6 ℃，系统能效从2.83升至2.97，增幅为4.9%。

2.4 供水温度对热泵系统排气温度的影响

图6所示为系统排气温度随供水温度的变化。由图7可知，当外界环境温度相同时，低温空气源热泵将水从20 ℃加热至55 ℃，压缩机的排气温度不断增加。这是因为在蒸发温度不变时，水温增加，冷凝温度、冷凝压力、压缩比均增加，引起压缩机的吸气比容增加，流经整个回路的制冷剂流量减少，单位质量的制冷剂需要带走的热量增加，最终导致系统的排气温度上升。

图6 排气温度随供水温度的变化Fig.6 The exhaust temperature changes with water supply temperature

由图6还可知，供水温度不变时，提高环境温度，压缩机的排气温度下降。这是因为当冷凝温度不变时，提高环境温度，蒸发温度和蒸发压力上升，压缩比下降，流经整个回路的制冷剂流量增加，单位质量的制冷剂需要带走的热量减小，最终排气温度下降。当供水温度为40 ℃时，环境温度从-12 ℃升至-6 ℃，排气温度从83 ℃降至78 ℃，降幅为6.0%。

2.5 供水温度对热泵系统压缩比的影响

图7所示为系统压缩比随供水温度的变化。由图7可知，当外界环境温度相同时，低温空气源热泵将水从25 ℃加热至55 ℃，压缩机的压缩比不断增加。这是因为当环境温度不变时，蒸发压力不变，随着供水温度的升高，对应的冷凝温度升高，压缩机的排气温度和冷凝压力升高，引起系统的压缩比增加。

图7 系统压缩比随供水温度的变化Fig.7 The compression ratio changes with water supply temperature

由图7还可知，供水温度不变时，提高环境温度，压缩机的压缩比下降。这是因为供水温度不变时，冷凝压力不变，提高环境温度，蒸发温度和蒸发压力上升，引起压缩比下降。当供水温度为40 ℃时，将环境温度从-12 ℃升至-6 ℃，压缩比从7.66降至6.91，降幅为9.8%。

3 结论

本文从提高低温空气源热泵的制热性能出发，设定相同的初始水温，研究供水温度对热泵系统各制热参数的影响，得到如下结论：

1)环境温度-12 ℃和-6 ℃两种工况，在持续提高热泵系统供水温度的过程中，制热量呈先增加后降低的趋势。将水加热至约40 ℃时，热泵系统制热量达到最大值，如需继续加热，建议采用其他加热方式(如太阳能辅助加热等)，以达到节能目的。

2)环境温度-12 ℃工况，供水温度从25 ℃增至55 ℃时，系统功耗从11 905 W增至24 417 W，增加105%，功耗增长迅速，建议采用变速风机，以控制系统功耗的增加。

3)环境温度-12 ℃工况，低温空气源热泵将水从25 ℃加热至55 ℃，系统能效从4.03降至2.11，整个系统能效下降47.6%，将环境温度升至-6 ℃，制热性能得到改善，因此，可采用提高环境温度等措施提高系统制热能效。

4)当供水温度为40 ℃时，将环境温度从-12 ℃升至-6 ℃，系统制热量从53 469 W升至57 816 W，增幅为8.1%，系统功耗从18 887 W增至19 495 W，增幅为3.2%，系统能效从2.83升至2.97，增幅为4.9%，排气温度从83 ℃降至78 ℃，降幅为6.0%，压缩比从7.66降至6.91，降幅为9.8%。

符号说明

t——温度，℃

ρ水——密度，kg/m3

qV——体积流量，m3/s

c——比热容，kJ/(kg·℃)

W——功耗，W

Qhot——制热量，W