关于CO2空气源热泵热水器冬季运行制热量衰减问题的试验研究

关于CO2空气源热泵热水器冬季运行制热量衰减问题的试验研究南京佳力图空调机电有限公司杨静☆摘要本文研究了二氧化碳热泵热水器在冬季运行时，随着环境温度降低、进水温度升高而引起的系统制热量衰减现象。根据实验数据分析系统制热量衰减的原因，并提出减少制热量衰减的可行性措施。关键词二氧化碳空气源热泵冬季运行制热量衰减ExperimentalstudyonthethermaldegradationofCO2airsourceheatpumpwaterheaterinwinterByYangJing★AbstractThispaperstudiestheco2heatpumpwaterheaterrunninginwinter,astheenvironmentaltemperaturedecrease,feedwatersystemcausedbytemperatureriseofheatattenuationphenomenon.Accordingtoexperimentaldateanalysis,thecauseoftheattenuationofthermalsystemandputforwardthemeasurestoreducethefeasibilityofmakingheatattenuationKeywordscarbondioxide，airsourceheatpump，winteroperation，heatattenuation★NanjingcanatalAirconditioningmechanicalandelectricalco.,LTD，Nanjing，China0引言二氧化碳热泵热水器是一种特定用途的热泵制冷设备，它是以二氧化碳作为制冷剂，吸收环境中的热量，通过制冷循环，将热量传递给热水器中的热水，作为沐浴和其他生活热水使用，也可以用于房间的采暖供热[1]。由于二氧化碳是一种对环境无害的环保天然制冷剂，而且与其他制冷剂相比，有较高的单位容积制冷量，较低的压缩比，较好的传热性能和流动性能，不会燃烧或爆炸，价格相对便宜。与空气能相比较，空气能热泵受气候温度的影响较大，在低温寒冷地区，传统空气能热泵的制热量和效率会随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制，但以二氧化碳为工质的热泵热水器低温性能良好，与传统热水器相比还具有供热水温度范围大，能提供高温热水的优点。空气源热泵热水器冬季运行的额定工况是建立在室外温度7℃基础上的。当空气源热泵热水器实际使用的室外环境温度低_________________________☆杨静，男，1985年6月生，大学211111南京市江宁区苏源大道88号（0）13776559660E-mail:[e-mail]于额定工况时，空气本身的含热量自然也会减小，比焓也会降低，所以热泵制热量的大幅度衰减便是理所当然且无法避免的[2]。本文通过实验，对二氧化碳热泵热水器在冬季运行的特性进行实验研究，分析在典型工况（7℃、2℃、-7℃）下热泵运行参数的变化规律，总结环境温度以及热泵热水器进水温度对制热量衰减的影响。1实验方案通过人工环境实验室模拟室外环境，试验水箱提供实验所需的恒定温度用水。实验样机为一台1.5HP的家用二氧化碳空气源热泵热水器，制冷剂是R747（CO2），额定制热量4500W，额定功率1150W。在压缩机、室外侧换热器、室内侧换热器、电子膨胀阀出分别设置了温度、压力测点；同时通过二氧化碳热泵测试装置，测出进、出室外侧换热器的干球温度、湿球温度、空气流量；室内侧换热器进、出水的温度、流量。2试验参数空气源热泵热水器通过室外换热器从大气中获取的热量并不仅取决于空气焓的绝对值，还取决于蒸发器进出口空气的焓差。CO2空气源空气源热泵热水器通过室外蒸发器获取的热量计算可参考普通工质热泵热水器，按公式（1）计算：ii00ΙVΙVQ（1）式中：Q——蒸发器获取的热量，kJ/h；V——通过蒸发器的空气流量，m3/h；0——蒸发器出口空气质量密度，kg/m3；0Ι——蒸发器出口空气的焓，kJ/kg干空气；i——蒸发器入口空气的质量密度，kg/m3；iΙ——蒸发器入口空气的焓，kJ/kg干空气。空气源热泵热水器的气体冷却器获取的热量不仅与进出水温度有关，还与冷却水的体积流量有关。空气源热泵热水器的系统制热量可按公式（2）计算：1000)(w12wvkttcqQp（2）式中：kQ——系统制热量，kJ/h；vq——冷却水体积流量，m3/h；——冷却水密度，kg/m3；pc——冷却水的比定压热容，J/(kg·K)1wt——冷却水进口温度，K；2wt——冷却水出口温度，K。根据以上计算公式，我们从公式（1）可以得出系统的制热量与进入蒸发器的风量、蒸发器进出口空气的焓值、蒸发器进出口的空气质量密度有关；从公式（2）可以的出系统的制热量与进入气冷器的冷却水流量、冷却水进出口温差有关。下面分别针对这两种情况对热泵热水器的制热量衰减问题进行实验分析研究。一种是保证气冷器进水温度恒定，对7℃、2℃、-7℃三种入口空气温度情况下热泵热水器制取的热量作一比较；另一种是保证入口空气温度恒定，对20℃、25℃、30℃、35℃、40℃五种气冷器进水温度情况下热泵热水器制取的热量作一对比。3制热量衰减分析3.1环境温度降低引起的制热量衰减分析3.1.1制热量衰减规律与普通空气源热泵热水器相比，二氧化碳热泵热水器在冬季运行的性能优势更加明显，但是也会因环境温度降低引起制热量的衰减。将二氧化碳热泵热水器放置于不同的室外环境温度下运行，保持热泵热水器的风量V不变（风机转速不变），室外空气相对湿度都是70%，气冷器进水温度保持不变，分别调节环境温度至7℃、2℃、-7℃，将系统制热量作以比较。制热量衰减趋势见图1所示。图1制热量随环境温度降低的衰减情况通过图1可知：热泵热水器在保持风量V不变（风机转速不变），气冷器进水温度设定在某一固定值（分别为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃）时，随着室外环境温度的降低，热泵热水器的制热量呈逐渐衰减趋势。导致空气源热泵热水器冬季运行制热量衰减的因素主要有以下几个方面：一是室外空气温度的降低，导致空气焓值的减小，进出口空气的焓差减小，蒸发器获取的热量减少；二是随着室外空气温度的降低，制冷循环中的蒸发温度和蒸发压力也随之降低，压缩机的吸气压力也会降低，吸入制冷剂的密度减小，压缩机的实际单位时间质量排量减小，制热量也随之降低；三是当室外环境温度和吸气压力下降时，为了确保热水器加热的效果，冷凝温度和冷凝压力还得保持相应的高水平。这样一来，制冷循环中的压缩比便不得不增大，随着压缩比的增大，压缩机电机线圈的散热负荷增大，压缩机壳体的散热量增大，系统管路的散热量增大，也会降低制冷循环性能。四是当室外温度低于7℃时，室外侧蒸发器表面结霜会增大热阻，减小单位时间内的换热量，另外为了除去蒸发器盘管上的霜层，机组需要进行除霜运行，导致热泵热水器的单位时间制热量减小。以上这些都是导致二氧化碳热泵热水器在冬季运行时制热量衰减的因素。3..1.2制热量衰减问题解决方案想要改善二氧化碳热泵热水器在冬季运行的性能，使其在较低的环境温度范围内制热量不衰减或者少衰减，也就必须针对引起制热量衰减的原因分别采取相应的措施。由于室外温度的降低，空气的焓差减小，由公式（1）中看出，换热量ii00ΙVΙVQ，要保持换热量Q不变，只有加大风量V予以补偿，可以增大风机电机的转速或者使用更大直径的扇叶等方式来实现。另一方面，也可加大压缩机转速，提升压缩机的运行频率，增大压缩机单位时间内工质的质量排量。或者是改进制冷循环，比如改为双级压缩，但是增加了制冷系统的复杂性，提高了成本。还有一方面就是做好压缩机壳体、系统管路、配件的保温，减少高压侧热量的损失。3.2进水温度升高引起的制热量衰减3.2.1制热量衰减规律二氧化碳热泵热水器在实际使用过程中，随着水箱内的温度不断地升高，气冷器的进水温度也会逐渐的升高。保持二氧化碳热泵热水器室外侧进入蒸发器的空气温度恒定，根据实验要求使其分别稳定在7℃、2℃、-7℃，在针对这三种环境温度条件，分别调节气冷器进水温度至20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，保持风机风量V不变（风机转速不变），对系统的制热量作以比较。制热量衰减情况见下图2。图2制热量随进水温度升高的衰减情况由公式1000)(w12wvkttcqQp可知，系统的制热量由气冷器进出水温差和水流量两方面因素决定。热泵热水器在风量V不变（风机转速不变），入口空气温度（室外环境温度）一定的情况下，当气冷器进水温度由20℃上升到30℃时，虽然换热温差减小，但是水流量会逐渐增大，制热量变化并不明显。但是当气冷器的进水温度从30℃调节到35℃时，系统制热量出现一个明显的下降，大约衰减15%~25%。分析原因为：当气冷器进水温度升高到30℃以上后，气冷器出口冷媒温度高于二氧化碳的临界点温度31.1℃，由于气冷器冷媒出口距离电子膨胀阀之间的管路很短，冷媒温度从气冷器出口到膨胀阀前的变化很小，所以冷媒在膨胀阀前的温度依然高于临界点，此时的二氧化碳没有过冷度，以气液混合状态流动，当经过膨胀阀节流后，二氧化碳仍然是气液混合状态，根据CO2的P-h图可知，此时气体状态更多，通过蒸发器从外界吸收的热量也就更少，此过程为放热过程，造成了热量损失，导致系统制热量衰减。3.2.2制热量衰减解决方案为了改善气冷器进水温度高于二氧化碳临界温度点而引起的制热量衰减问题，则需要针对二氧化碳的特性，降低节流前的二氧化碳温度至临界点以下，减少节流损失，以提升系统的制热量。我们可以在制冷系统中增加回热器，或者是增加内部换热器，使冷凝后的冷媒得到再冷却，则可降低进入膨胀阀前的冷媒温度，增加节流前的冷媒液体状态，以减少闪发气体的产生，保证膨胀阀节流效果的正常发挥，减少节流时的热量损失，增加制冷剂在蒸发器蒸发时吸收的热量。4结论二氧化碳热泵热水器在冬季运行制取热水时，随着环境温度的降低、进水温度的升高，都会不可避免的引起制热量的衰减，导致制热量衰减的因素是多样的。主要原因有：二氧化碳热泵热水器在冬季运行时，室外侧换热器结霜，换热器的热阻增大；融霜运行减少了热泵制热运行的时间，使制热量减小；随着室外侧温度降低，进出室外侧换热器前后的空气焓差减小，直接造成制热量的减小；随着气冷器入口水温的升高，出口水温恒定，则进出口的温差在减小，而冷却水的体积流量会增加，制热量的变化与温差成反比，与体积流量成正比。主要衰减的原因是进水温度超过30℃后，导致二氧化碳的冷凝温度高于临界点温度，在节流前出现了气化，导致制热量的减小。由上述分析已经知道了二氧化碳热泵热水器在冬季运行时制热量衰减的原因，那么要想做到热泵热水器的制热量在冬季较低的室外环境温度下不衰减或者是少衰减，就必须对上述各项因素采取相应的措施。一是提高压缩机转速，增大压缩机单位时间内制冷剂的循环流量；二是适时提高风机转速，加大风量，以补充换热量的降低；三是改进制冷循环，譬如增加回热器或者内部换热器，也可改用二级压缩，不过这样会增加制冷系统的复杂性，提高生产生产成本和产品价格。综合以上论述：不管是从理论上，还是从实践上，只要针对具体问题采取相应的措施在一定程度上予以解决，都可以达到减少制热量的衰减甚至不衰减的目的。参考文献：[1]周子成．二氧化碳热泵热水器[J]．制冷与空调，2005(4)9-18[2]周祖毅．关于空气源热泵机组冬季运行制热量衰减问题的思考[J]．《暖通空调》2006年第36卷06期[3]郑贤德．制冷原理与装置[M]．北京：机械工业出版社，2000.11[4]朱瑞琪．制冷装置自动化[M]．西安：西安交通大学出版社，1994