水流量對(duì)空氣源熱泵熱水器性能的影響

殷少有,吳治將,李東洺

(1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,廣東佛山528333;2.廣東高校熱泵工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心,廣東佛山528333)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,衛(wèi)生熱水的使用量逐步增加[1],衛(wèi)生熱水的耗能在整個(gè)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比例越來(lái)越大。在美國(guó)居民用于衛(wèi)生熱水的能耗占整個(gè)家庭能耗的15%以上[2],商業(yè)建筑中衛(wèi)生熱水的能耗比例為7%,每年消耗在衛(wèi)生熱水上的能量值是巨大的。熱泵熱水器作為一種新興的產(chǎn)品,具有高效、節(jié)能和環(huán)保等特點(diǎn),正在成為國(guó)內(nèi)外熱水器行業(yè)的主流產(chǎn)品[3]。

為研究水側(cè)對(duì)空氣源熱泵熱水器性能的影響,國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者作了一系列的研究。Hiller[4]和Shao[5]等人模擬和預(yù)測(cè)熱泵熱水器動(dòng)態(tài)用水過(guò)程,并進(jìn)行了全年的能耗及經(jīng)濟(jì)性分析等。王祥[3]等采用FLUNT模擬,得出水箱內(nèi)水溫隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的變化及各階段水箱內(nèi)溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)的整體分布情況。陳振豪[6]等將溫度測(cè)點(diǎn)安置在水箱中段,以減少水溫分層現(xiàn)象所帶來(lái)的誤差影響。但到目前為止,對(duì)于水流量和水箱的容積對(duì)空氣源熱泵熱水器性能的影響方面研究較少。本文針對(duì)水流量和水箱的容積對(duì)熱泵熱水器的性能進(jìn)行試驗(yàn),所得結(jié)果為今后的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考信息和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)驗(yàn)中,熱泵熱水器的壓縮機(jī)采用谷輪公司生產(chǎn)的渦旋壓縮機(jī),型號(hào)為ZR144KC-TFD,制冷劑為R22;水泵的額定流量為10m3/h。本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試原理見(jiàn)圖1所示。溫度傳感器采用Pt電阻;壓力傳感器的量程0～4MPa,精度±0.5%;流量傳感器采用LWGY-25型渦輪流量傳感器,流量范圍1～8m3/h,精度為0.5%。本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試工況為:干球溫度為20℃,濕球溫度為15℃。通過(guò)變頻器改變水泵的流量從而調(diào)節(jié)冷凝器的水流量,當(dāng)冷凝器壓力達(dá)到設(shè)定條件時(shí) (實(shí)驗(yàn)最高設(shè)定壓力為P=2.4MPa),實(shí)驗(yàn)結(jié)束,并記錄此時(shí)的相關(guān)參數(shù)(冷凝器的水流量,壓縮機(jī)、風(fēng)扇等的電流、功率及耗電量等)。

圖1 熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Scheme of experimental apparatus

2 數(shù)據(jù)處理

熱泵熱水器運(yùn)行時(shí)的熱傳遞量和耗功是一個(gè)變化值,因此,能效比分為瞬時(shí)能效比 (COPt)和平均性能比,前者為某一時(shí)刻對(duì)水的加熱量與壓縮機(jī)耗功之比,可用下式表示:

上式中:P(t)=f(Te,Tc)

其中:T1、T2表示進(jìn)出冷凝器的水溫,℃;

平均能效比為達(dá)到設(shè)定水箱溫度后,總傳熱量與總耗電量之比?？捎上率接?jì)算:

式中:

M—水箱水量,kg;

c—水的比熱,kJ/kg K;

Tu1、Tu2—開(kāi)始、結(jié)束加熱時(shí)水箱溫度,℃;

W—總耗電量,kW·s。

3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中,水箱的初始溫度為20℃,終止加熱溫度為55℃,將循環(huán)水流量調(diào)節(jié)為3m3/h、5m3/h、7m3/h和最大流量7.5m3/h進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

圖2 水流量對(duì)熱水箱溫度的影響Fig.2 Relationship between storage water tank temperature and water mass flow

圖2表示在不同水流量下水箱溫度變化的曲線。從上圖可以看出,隨著水流量的增加,水箱到達(dá)55℃時(shí)加熱的時(shí)間越短。當(dāng)循環(huán)水流量為3m3/h時(shí),水箱到達(dá)55℃時(shí)加熱的時(shí)間為148min;當(dāng)水流量增至7m3/h時(shí),加熱時(shí)間縮短為132min;當(dāng)流量增大到最大7.5m3/h,加熱時(shí)間約為131min。因此,通過(guò)增大循環(huán)水流量,可以縮短水箱的加熱時(shí)間。

圖3表示在不同的循環(huán)水流量下,冷凝器加熱進(jìn)出水溫差的變化曲線。由圖分析可知,隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,冷凝器進(jìn)出水溫差有較大的差異。當(dāng)水流量為3m3/h時(shí),進(jìn)出水平均溫差約為10.5℃;而當(dāng)流量增大到7m3/h時(shí),進(jìn)出水溫差為2～4℃,這與一般工程應(yīng)用的推薦值及優(yōu)化推薦值很接近。因此,對(duì)于這種熱泵熱水器,7m3/h是一個(gè)較合理的流量值,因?yàn)榇藭r(shí)水箱所能達(dá)到的溫度也較高。

圖4表示在不同循環(huán)水流量的情況下熱泵熱水器的能效比變化曲線。由圖分析可知,循環(huán)水流量越大,相應(yīng)的能效比也增大。當(dāng)水流量為 7m3/h時(shí),平均能效比為3.25。另外,也可以發(fā)現(xiàn),隨著水溫的升高,其差異也在擴(kuò)大。

圖5反映了水流量與排氣壓力的變化曲線。從上圖可以看出,一方面,排氣壓力隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而上升,另一方面,排氣壓力隨著水流量的增加而下降。因此,在熱泵熱水器設(shè)計(jì)時(shí),選擇恰當(dāng)?shù)难h(huán)水流量,不但可以降低壓縮機(jī)的排氣壓力,而且可以起到保護(hù)壓縮機(jī)的作用,延長(zhǎng)壓縮機(jī)的壽命。

4 結(jié)論

(1)水流量是熱泵熱水器設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)。水流量對(duì)加熱時(shí)間、能效比等性能有一定的影響,這種影響隨著流量偏離正常值而加劇。

(2)在設(shè)計(jì)熱泵熱水器時(shí)應(yīng)該考慮選擇合理的水流量值,而在應(yīng)用安裝過(guò)程中,應(yīng)考慮到水管沿程阻力對(duì)水流量的影響。如果水管較長(zhǎng),應(yīng)適當(dāng)加大管徑或者選擇揚(yáng)程大一些的水泵。

[1] 唐啟慶.國(guó)內(nèi)熱水器市場(chǎng)分析及發(fā)展趨勢(shì),http://www.sthea.com.cn

[2] John J.Tomlinson,Transferring ResidentialHeat PumpWater Heater Technology to the Market,Presentation for Discussion 1/30/2002 ASERTTI Meeting

[3] 王祥,劉穎,王芳等.基于仿真的R417A熱泵熱水器蓄熱水箱優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].流體機(jī)械,2010,38(9):64-68

[4] HillerCC,Lowenstein AI,Merriam RL.Detailed water heating simulation model[J].ASHRAE Trans.1994,100(1).948-954

[5] Shuangquan Shao,Wenxing Sh,i Xianting L,i et.A new inverterheatpump operated allyear roundwith domes-tic hotwater[J].Energy Conversion and Management,2001,45:2255-2268

[6] 陳振豪.空氣源熱泵熱水器季節(jié)性能實(shí)驗(yàn)及優(yōu)化運(yùn)行研究[J].能源技術(shù),2005,26(3):117-119