外盘管空气源热泵热水器不同工况下的试验研究

　　模拟5 个不同的环境工况，对外盘管空气源热泵热水器进行了一系列的试验研究。分析了环境温度对水加热速率的影响，以及环境温度和水温变化对系统制热量、压缩机压比、性能系数( COP) 、排气温度、排气压力等参数的影响，为提高系统性能的进一步研究提供了理论依据。

前言

　　热泵热水器是继电热水器、燃气热水器和太阳能热水器后的第4 种热水器，近年来越来越受到人们的青睐。目前国内空气源热泵热水器基本上每年保持150% -200%的比率增长。空气源热泵热水器对存在于空气中的可再生、低品质能源的利用率60% ～80%，制热效率约是电热水器的3 ～4 倍，能显著减少碳排放，是一种高效节能的供热水产品; 运行成本低，还能够实现“移峰填谷”，缓解电网紧张状况; 此外采用水电分离技术，安全系数相当高，有着广阔的发展空间和应用前景。

2、试验方案

　　外盘管空气源热泵热水器系统的工作原理如图1 所示。

图1 外盘管空气源热泵热水器系统工作原理

　　研究配置外盘管水箱，采用静态加热方式的的空气源热泵热水器，在不同环境工况下，实现制热水的节能环保性能。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)在综合分析热泵系统运行性能基础上，重点考察系统COP 随环境温度与水温的变化趋势，其次考察极端环境( 即高温和低温工况) 下运行的可靠性等。

　　系统主要由蒸发器、冷凝器( 外盘管水箱) 、压缩机、节流装置( 毛细管) 4 部分组成。通过制冷工质蒸发、压缩、冷凝、节流到再蒸发的热力循环过程，不断将空气中的热量吸收利用，并转移到水中。

　　空气源热泵热水器是以消耗一部分电能P作为代价的( 主要为压缩机耗电和风机耗电) ，从环境中吸收的热量为Qa，输出能量Qh = Qa + P。本试验主要考察的性能指标为性能系数COP，COP 与制热量Qh和耗电量P 密切相关，计算公式为:

2.1、试验装置

　　本试验测试是采用广州某公司自主研发的一台型号为ZKFRJ -120 的空气源热泵热水器作为主机，并配置一台150L 外盘铜管承压水箱。主机内的压缩机采用松下万宝高效旋转全封闭式压缩机。蒸发器采用管翅式，高效内螺纹紫铜管胀接于亲水波纹铝翅片中。

　　节流装置采用简单可靠的毛细管。风机采用内置过敏热阻过热保护的低转速轴流风机。冷凝器采用外盘铜管承压水箱，换热方式为静态，制冷剂通过水箱内胆外壁放热，热量再由外壁向内部储存的水进行换热。控制器为自主开发，运行状态显示包括水箱水温，盘管温度，排气温度，压缩机电流机组运行故障等显示。

　　控制器还具有全方位控制保护功能，包括开机延时保护，吸气压力过低保护，排气温度过高保护，排气压力过高保护，压缩机电机过流保护，压缩机防频繁启停，风机过载保护，温度传感器故障告警，压缩机内置保护，同时也包含了三时段定时开关机，掉电记忆功能，自动化霜技术，水箱温度设定等控制功能。

2.2、试验仪表精度

　　热电偶分辨率: 0. 1℃; 功率表和电流表: 0. 2级; 干球和湿球控制精度是± 0. 1℃。

2.3、试验条件

　　不同环境工况的模拟通过焓差试验室来实现，通过设置空气干球和湿球温度来自动调节。本试验的主要测试工况如表1 所示，设置水箱水温达到55℃时主机自动停机。

表1 试验测试工况 ( ℃)

3、试验结果及分析

结论

　　(1) 从试验测试的结果可以得知，外盘管空气源热泵热水器系统在-7 ～ 43℃环境下均运行正常，名义工况下系统COP 可达到4，即使-7℃的极端环境仍大于1，说明外盘管空气源热泵热水器相对于传统的燃气热水器、电热水器，节能效果比较显著。

　　(2) 同样从测试数据可以推测，如若环境温度继续升高( > 43℃) ，极易出现排气温度和排气压力过高保护，如环境温度继续降低，也必然会出现低压保护，或者COP 过低，达不到节能的效果。另外热水出口温度设置的提高，也会大大削弱系统的节能效果。因此，外盘管空气源热泵热水器的使用依然受到环境温度和热水出口温度的限制。若想要突破以上限制，获得更好的性能，除了继续优化系统，强化蒸发器和冷凝器的传热外，还可以采用两级压缩、复叠循环来降低压缩机的压缩比，或者采用新形式的压缩机，使用新制冷剂或混合工质来改善性能。