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      空氣源熱泵熱水器季節(jié)性能的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

      2022-03-15 09:44:14黎志瑜
      中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年1期
      關(guān)鍵詞:熱水器環(huán)境溫度源熱泵

      黎志瑜

      ( 廣東瑞星新能源科技有限公司,廣東 江門 529700)

      季節(jié)性能評估作為一種常用的檢測方法,主要用于對熱水器性能指標(biāo)的精確化檢測,從而確定出影響熱水器性能的季節(jié)因素,同時(shí),還能實(shí)現(xiàn)對熱水器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益的精確化分析,因此,該檢測方法被廣泛地應(yīng)用于太陽能熱水器領(lǐng)域中,由于缺乏相關(guān)試驗(yàn)理論知識的指導(dǎo)和借鑒,因此在熱泵熱水器領(lǐng)域中的應(yīng)用較少,為了解決這一問題,提高空氣源熱泵熱水器季節(jié)性能檢測結(jié)果的精確性,如何對其試驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)和分析是相關(guān)人員必須思考和解決的問題。

      1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

      1.1 試驗(yàn)裝置

      該試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示,從圖1中可以看出,該試驗(yàn)裝置主要由以下部分組成:1)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)所選用的旋轉(zhuǎn)式具有一定的全封閉性,額定功率通常達(dá)到735W。2)蓄熱水箱。蓄熱水箱的容積達(dá)到了150L,所選用的水箱種類主要以承壓式為主,該類型水箱內(nèi)膽材質(zhì)為不銹鋼板。內(nèi)膽和外殼之間充滿一定量的填充物,該填充物為聚氨脂發(fā)泡保溫材料。3)螺旋形冷凝盤管。該冷凝盤管的安裝位置主要集中于水箱底部。4)風(fēng)冷換熱器。風(fēng)冷換熱器主要由以下兩個(gè)部分組成,一個(gè)是蒸發(fā)盤管,另一個(gè)是軸流風(fēng)扇。5)節(jié)流元件。節(jié)流元件內(nèi)部含有大量的毛細(xì)管。壓縮機(jī)和毛細(xì)管兩種零件均被設(shè)置于指定的恒溫室內(nèi),恒溫室溫度通常為-5℃ ~35℃。

      圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

      1.2 試驗(yàn)方法

      該試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)方法如下:在不同季節(jié)下,對恒溫室環(huán)境溫度進(jìn)行模擬和調(diào)節(jié),然后,在不同環(huán)境溫度下,對該熱水器在加熱期間所產(chǎn)生的設(shè)備能耗和水箱水溫進(jìn)行完全記錄,其中,設(shè)備能耗在實(shí)際的統(tǒng)計(jì)中,需要利用功率計(jì)對其進(jìn)行采集和計(jì)算,水箱水溫在實(shí)際的統(tǒng)計(jì)中,要利用熱敏電阻1,對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化、智能化采集,熱敏電阻1所采集的數(shù)據(jù)對象主要以水箱水溫參數(shù)為主,在指定的水箱中段處安裝和固定相應(yīng)的溫度測點(diǎn),可以有效地避免水溫分層現(xiàn)象,確保最終計(jì)算結(jié)果的精確性。另外,在該試驗(yàn)中,還要利用熱敏電阻2,對蒸發(fā)盤管側(cè)溫度進(jìn)行全面采集和整理,然后,確定出系統(tǒng)、完善的執(zhí)行化霜流程。最后,通過利用熱敏電阻3,對環(huán)境溫度進(jìn)行自動(dòng)化采集和模擬,并向恒溫室中心處設(shè)置相應(yīng)的溫度測點(diǎn)。在整個(gè)試驗(yàn)期間,還要根據(jù)系統(tǒng)性能評判指標(biāo),通過利用系統(tǒng)性能值,對水箱初始水溫進(jìn)行科學(xué)設(shè)置,使其達(dá)到15℃。

      2 試驗(yàn)結(jié)果分析

      2.1 水箱設(shè)定溫度的影響

      該試驗(yàn)對空氣源熱泵熱水器水箱所設(shè)置的溫度進(jìn)行全面測試,發(fā)現(xiàn)水箱設(shè)定溫度的變化,將會(huì)直接影響系統(tǒng)運(yùn)行性能。水箱設(shè)定溫度的影響測試結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出,當(dāng)水箱溫度所設(shè)定的溫度不斷升高時(shí),系統(tǒng)值呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。同時(shí),當(dāng)水箱所設(shè)定的溫度達(dá)到60℃,系統(tǒng)運(yùn)行性能值降到最低。此外,當(dāng)環(huán)境溫度不斷升高時(shí),曲線整體呈現(xiàn)出比較平坦的狀態(tài)。在水箱設(shè)定溫度整個(gè)變化范圍內(nèi),系統(tǒng)運(yùn)行性能值始終保持在0.2~0.4。當(dāng)環(huán)境溫度不斷下降時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行性能值會(huì)呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,值變化范圍通常集中在0.7~1.5。當(dāng)值達(dá)到1.5時(shí),說明系統(tǒng)運(yùn)行性能不佳,此時(shí),需要派遣指定人員前來維修。

      圖2 各種環(huán)境溫度Tn下水箱設(shè)定溫度對COP的影響

      2.2 環(huán)境溫度的影響

      通過模擬出不同的環(huán)境溫度,對空氣源熱泵熱水器的運(yùn)行性能進(jìn)行試驗(yàn)測試,得出如圖3所示的測試結(jié)果。從圖3中可以看出,在環(huán)境溫度的不斷變化下,系統(tǒng)值變化曲線可以劃分為三個(gè)區(qū)域:1)低溫區(qū)域。低溫區(qū)域通常為-5℃~5℃,在這一范圍內(nèi)變動(dòng)幅度較小,整體走勢比較平坦,并且當(dāng)值達(dá)到比較低的狀態(tài)時(shí),難以保證其運(yùn)行效果。2)中溫區(qū)域。中溫區(qū)域范圍為5℃~30℃,在這一范圍內(nèi),呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢,變化幅度較大,達(dá)到2.5以上,這表明當(dāng)環(huán)境溫度處于中溫區(qū)域時(shí),對影響比較顯著,當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到30℃時(shí),空氣源熱泵熱水器達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。3)高溫區(qū)域。高溫區(qū)域范圍集中在30℃以上,在這一范圍內(nèi),值呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,同時(shí),下降幅度達(dá)到1,當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到35℃時(shí),整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率較低,這一測試結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用完全不符,出現(xiàn)以上問題的根本原因是該熱水器無法與高溫區(qū)域系統(tǒng)進(jìn)行有效匹配,導(dǎo)致系統(tǒng)熱負(fù)荷過高,造成整個(gè)系統(tǒng)無法可靠、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

      圖3 各種水箱設(shè)定溫度Tset下水箱設(shè)定溫度下環(huán)境溫度對COP的影響

      2.3 結(jié)果分析

      通過分析以上試驗(yàn)結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)水箱設(shè)定溫度不斷上升時(shí),空氣源熱泵熱水器運(yùn)行性能處于不斷下降的狀態(tài)。同時(shí),當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到最低時(shí),這種影響程度越來越明顯。根據(jù)環(huán)境溫度對系統(tǒng)的影響程度,將環(huán)境溫度劃分為以下三個(gè)區(qū)域,分別是高溫區(qū)域、中溫區(qū)域和低溫區(qū)域。其中,中溫區(qū)域環(huán)境溫度一旦出現(xiàn)明顯變化,會(huì)對該熱水器運(yùn)行性能造成顯著的影響,同時(shí),當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到30℃時(shí),系統(tǒng)將會(huì)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài),為操作人員開展相關(guān)作業(yè)提供了極大的便利。由此可見,為了進(jìn)一步提高該熱水器的運(yùn)行性能,確保系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài),技術(shù)人員除了要做好對中溫區(qū)域環(huán)境溫度的控制外,還要將環(huán)境溫度設(shè)置為30℃。

      3 試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

      在對以上試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)期間,將“上海地區(qū)”設(shè)置為試驗(yàn)場地,并繪制出上海地區(qū)的四季平均氣溫資料(見表1),從表1中的數(shù)據(jù)可以看出,上海地區(qū)的晝夜溫差往往比較顯著,一年四季平均氣溫主要集中在4.9℃~26.4℃。另外,還要采用多模式流程控制方式,對以上試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),用戶可以根據(jù)自己實(shí)際使用需求,在充分結(jié)合季節(jié)變化情況的基礎(chǔ)上,對以下四種工作模式進(jìn)行選擇。1)午間模式。熱泵系統(tǒng)具有一定的高效性,在午間時(shí)段內(nèi),需要對該系統(tǒng)進(jìn)行加熱處理,在其他時(shí)段內(nèi),可以采用保溫方式,維持該系統(tǒng)的恒定溫度。此外,由于全天環(huán)境溫度峰值通常集中出現(xiàn)在午后至傍晚這一時(shí)間段內(nèi),所以,對其進(jìn)行加熱處理,可以最大限度地提高系統(tǒng)值。2)谷電模式。為降低經(jīng)濟(jì)成本,需要在谷電差價(jià)時(shí)段內(nèi),對該系統(tǒng)進(jìn)行加熱處理,在其他時(shí)段內(nèi),采用相應(yīng)的保溫措施,盡管值出現(xiàn)大幅度下降現(xiàn)象,但是,由于電費(fèi)為半價(jià)狀態(tài),系統(tǒng)總體運(yùn)行費(fèi)用較低,從而起到節(jié)約費(fèi)用成本的作用。3)谷電加午間模式。該模式主要適用于那些早上、晚上熱水用量較大的用戶,極大地滿足了用戶的用電需求。4)正常模式和即時(shí)加熱模式。為了保證空氣源熱泵熱水器使用的舒適性和可控性,用戶要根據(jù)自身的實(shí)際需求,對加熱啟停時(shí)間進(jìn)行科學(xué)設(shè)置,或者,根據(jù)實(shí)際需求,采用臨時(shí)加熱的方式進(jìn)行短時(shí)間加熱處理,以保證熱水器整體加熱的均勻性。

      根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合上海氣候特征發(fā)現(xiàn):當(dāng)春季環(huán)境溫度和秋季環(huán)境溫度處于中溫區(qū)域時(shí),一旦環(huán)境溫度出現(xiàn)變化,系統(tǒng)值會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變化趨勢,這表明晝夜環(huán)境溫差對該熱水器的運(yùn)行性能影響較大,因此,要優(yōu)先選用午間模式,將水箱設(shè)定溫度范圍設(shè)置為52℃~56℃,在該范圍內(nèi)節(jié)能效果較好。當(dāng)用戶熱水用量比較大時(shí),可以將午間模式與谷電模式進(jìn)行充分結(jié)合。夏季,環(huán)境溫度普遍高于如表1所示的溫度,在高溫環(huán)境下,難以保證系統(tǒng)運(yùn)行性能,此時(shí),需要優(yōu)先選用谷電模式,有效優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行性能,另外,由于水箱設(shè)置溫度并不會(huì)對系統(tǒng)運(yùn)行性能產(chǎn)生直接影響,因此,可以將水箱設(shè)定溫度控制為56℃~60℃,如果用戶熱水用量變得越來越大時(shí),需要將谷電模式和即時(shí)加熱模式進(jìn)行充分結(jié)合,以滿足用戶龐大的用電需求。在冬季,一旦室外環(huán)境溫度高于10℃以上時(shí),系統(tǒng)值比夜間溫度多出0.6℃左右。此時(shí),需要采用午間模式,以保證最終的節(jié)能效果,從而取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。另外,在冬季環(huán)境下,水箱所設(shè)定的溫度會(huì)對系統(tǒng)的整體工作效率產(chǎn)生顯著的影響,當(dāng)水箱所設(shè)定的溫度為48℃~52℃時(shí),用戶熱水用量往往比較多,此時(shí),需要將午間模式與谷電模式進(jìn)行充分結(jié)合,避免出現(xiàn)用戶用水量供不應(yīng)求的現(xiàn)象。

      表1 上海地區(qū)的四季平均氣溫℃

      4 經(jīng)濟(jì)性分析

      “以上海試驗(yàn)場地”為例,通過采用優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案,全面分析空氣源熱泵熱水器的經(jīng)濟(jì)效益,得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2),從表2中的數(shù)據(jù)可以看出,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案實(shí)施后,在不同季節(jié)下,空氣源熱泵熱水器均取得良好的節(jié)能效果。與以前熱水器能耗相比,全年實(shí)際能耗節(jié)省量達(dá)到了30%,其中,春秋季運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省17.7%;夏季運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省50.0%、冬季運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省51.0%,與優(yōu)化前相比,全年運(yùn)行費(fèi)用較低,僅為460元,節(jié)省60.3%,這表明該文所提出的空氣源熱水器季節(jié)性能設(shè)計(jì)方案具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

      表2 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行前后的經(jīng)濟(jì)性比較

      在常規(guī)模式下,當(dāng)水箱所設(shè)定溫度達(dá)到60℃時(shí),優(yōu)化設(shè)計(jì)方案取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。通過計(jì)算加熱量與系統(tǒng)熱效率之間的比值,可以精確地得出系統(tǒng)的實(shí)際能耗,如果每日用水量為200L,水箱水溫會(huì)不斷上升,由之前的15℃上升至55℃;單季總天數(shù)統(tǒng)一控制為90天。另外,上海地區(qū)電價(jià)和谷電電價(jià)通常被設(shè)置為0.61元/kW·h、0.30元/kW·h。由此可見,經(jīng)過優(yōu)化后的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng),可以有效地降低用電成本,取得良好的節(jié)能效益,這表明該系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景,值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

      5 結(jié)語

      綜上所述,該試驗(yàn)所得到的結(jié)論如下:1)當(dāng)水箱所設(shè)置的溫度不斷升高時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響空氣源熱泵熱水器運(yùn)行性能,同時(shí),當(dāng)環(huán)境溫度呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢時(shí),水箱所設(shè)置的溫度對的影響程度越來越大。2) 對環(huán)境溫度來說,其值變化對的影響產(chǎn)生一定的分區(qū)作用。中溫區(qū)域溫度為30℃~150℃時(shí),一旦環(huán)境溫度出現(xiàn)明顯變化,會(huì)對空氣源熱泵熱水器效率產(chǎn)生明顯的影響,當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到30℃時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行性能將會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)。3)根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果,多模式流程控制方案的應(yīng)用,除了可以提高系統(tǒng)能效比外,還能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益,因此,該文所提出的控制方案具有較高的應(yīng)用價(jià)值。對空氣源熱泵熱水器來說,在春秋季、夏季、冬季不同季節(jié)下所表現(xiàn)出的運(yùn)行性能均存在一定的差異,為此,相關(guān)人員要對該熱水器在不同季節(jié)下的運(yùn)行性能進(jìn)行試驗(yàn),然后,分別測定和評估設(shè)定溫度和環(huán)境溫度對系統(tǒng)工作效率產(chǎn)生的影響程度,然后,制定出一套系統(tǒng)、完善的優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,該方案主要用于自動(dòng)化、智能化、高效化地控制空氣源熱泵熱水器的運(yùn)行,為最大限度地提高系統(tǒng)全年運(yùn)行能效比打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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