R410A即热式空气源变频热泵热水系统的模拟和实验对比_精品文档资料下载.pdf

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即热式系统运行稳定，排气压力较低；

在环境为-7、20和43、产出42、6L/min的热水时，热泵模块的制热COP分别为3.75、4.8和12.6，制热性能较高，可以作为家用、满足一般用水量要求。

关键词关键词热泵热水系统即热模拟变频制热性能CONSTRACTOFSIMULATIONANDEXPERIMENTOFR410AINSTANTHEATEDAIR-SOURCEHEATPUMPWATERHEATERWITHANINVERTORLeiMingjing1ZhangHua1YouXiaokuan2WangYankun1CheMin3（1.InstituteofRefrigerationandCryogenics,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai,200093,China;

2.InstituteofRefrigerationandCryogenics,ZheJiangUniversity,Hangzhou,310027,China;

3.HaierGroupTechnologyCenter,Qingdao,266101,China）AbstractThearticlestudiesaR410Ainstant-heatedair-sourceheatpumphotwatersystemandanalyzesthesuctionandexhaustpressureofthecompressor,thebestfrequency,theminimumoptimalpowerandthebestheatcoefficientofperformanceofthesystemindifferentenvironmentaltemperaturesandwaterinlettemperatureswhenthewateryieldis426L/min.Itestablishesamathematicalmodelofthesystem,buildsatestbenchtocompareandvalidatethesimulationresults.Theresultsareasfollows:

Thetrendsofsimulationvalueandexperimentvaluewiththechangeofenvironmentaltemperatureisconsistent,andheerrorsofthebestfrequencyminimumpowerandheatingCOPbetweensimulatedvaluesandexperimentalvaluesarewithin7.5%,15%and12%respectively,sothesimulationhasreferencevalue;

Instant-heatedheatpumphotwatersystemrunsstablyandtheexhaustpressureislow;

Whenthehotwateryieldis426L/min,theheatCOPoftheheatpumpmoduleare3.75,4.8and12.6respectivelyinambienttemperatureof-7,20and43.Thesystemcanbeusedasahouseholdheatpumpwaterheatertosatisfydomesticwaterconsumption.KeywordsHeatpumpwaterheaterInstant-heatedSimulationFrequencyconversionHeatCOP0前言空气源热泵热水系统利用逆卡诺循环，通过压缩机做功，将空气中的热量转移到被加热的水中，作者简介：

雷明镜，（1989-），女，硕士研究生，实验室教学制取生活热水。

消耗的功率仅占制热量的30%左右，具有更高的能效1,2，且能效很大程度上取决于环境温度。

按其加热方式可以分为一次加热式、循环加热式和静态加热式3。

当前家用的热泵热水机组，一般采用循环加热式和静态加热式，鉴于水箱储水的特点，具有水量受水箱容积限制、再次用水等水时间长、水箱漏热等缺点4，可以考虑采用直热式系统解决上述问题。

针对直热式热泵热水系统已有部分研究。

吕静比较了一次加热式和循环加热式CO2热泵热水器的运行，一次加热式的运行COP远远高于循环加热式的，降低气冷器进水温度，可提高系统运行稳定性和制热性能5。

Kim采用集总参数模型分析了压缩机和热水的动态性能，容积较小的水箱瞬态性能降低较大，出水温度稳定性不好，而大尺寸的水箱在存蓄热水时则容易引起额外的热量损失，因此在设计水箱尺寸时应从热量散失和性能退化两个方面综合考虑6。

Hyunkyu实验研究了一种多功能热泵热水机组，其提出的小储水箱可以减少压缩机启停且合理设计置于小水箱内部的冷凝器的尺寸和排列方式有助于机组性能的提高，改变通过冷凝器的流量也可以提高机组性能7。

在此，提出一种R410A一次加热式的空气源热泵热水系统，并对比了模拟计算和实验的结果。

该系统的明显特点是带有一个有温度分层效果的缓冲小水箱和可以实现即开即热的功能。

1-变频压缩机，2-冷凝器，3-电子膨胀阀4-翅片管式蒸发器（带变频风机）5-变频水泵，6-电磁阀，7-缓冲水箱，8-电磁阀，9-管道电加热图1系统原理图1系统介绍系统原理图如图1，包括热泵模块和水路模块两部分。

其中，热泵模块采用传统变频空调设计，水路模块配有一个小容积、承压的缓冲水箱，主要起到减少压缩机启停的作用、减缓直热的瞬态性能的作用8。

即热式变频空气源热泵热水系统，可以实现四种运行方式：

（1）直热模式：

热泵模块开启，自来水流经水泵和水热换热器后，流向用户；

（2）水箱供水模式：

热泵模块关闭，自来水从水箱底部进入水箱，压着水箱里的水从顶部流出，供给用户；

（3）混流模式：

热泵模块开启，自来水一部分流水箱，一部分流冷凝器，混合后供给用户；

（4）循环加热：

水泵以一定转速开启，热泵模块开启，用户端待机不用水时，水箱里的水在水路中循环，给水箱里的水循环加热。

下面将主要分析，变工况下，系统直热模式和混流模式的性能。

2模拟模型和实验测试2.1数学模型基于压缩制冷循环，建立和整合各个部件的传热和传质过程，得到R410A即热式空气源变频热泵热水系统的数学模型。

其中，变频压缩机作为循环中的核心部件，它的运行状况对整个系统的性能有着至关重要的影响。

根据文献8,10，模型可不考虑制冷剂通过节流阀、换热器和压缩机内部零件造成的制冷剂流量的变化，则循环制冷剂的质量流量的计算公式为:

=

（1）其中，和分别是压缩机转速，吸气容积和容积效率，是压缩机进口处制冷剂的密度。

容积效率可以用下式计算：

=1+（）/

（2）其中，是压缩机余隙效率，和分别是冷凝压力和蒸发压力，和分别是压缩机进口处制冷剂的定容比热和定压比热。

模拟计算的压缩机为松下双转子式压缩机（型号：

H160D5RZAAC2），排量为16.1cc/r，计算时取压缩机等熵效率为70%10。

参考文献11,12和实验用蒸发器和冷凝器的各个参数，模拟计算的蒸发温度、吸气过热度、冷凝温度和过冷度的选取见表1。

在此基础上，以EES软件13为工具，建立了R410A即热式空气源热泵热水系统的数学模型。

2.2实验台搭建即热式空气源变频热泵热水系统中热泵模块和水路模块安装在一个箱体内，是一个整体式的机组，如图2。

在一个焓差实验室进行实验，用一台冷水机组和一台恒温水箱提供给机组各种温度的自来水，用两台涡轮流量计测试系统水流量，一台安装在总出口，另一台安置在冷凝器出口，并安装多个水龙头，模拟用户用水。

此外还有压缩机调频器、风机调频器、节流阀开度调节器、水泵调频器和热电偶、压力传送器和数据采集装置等，测试实验台如图3。

实验工况参考热泵热水器国家标准（GBT23137-2008），见表1。

在不同的环境干湿球温度和进水温度下、出水6L/min、42时，实验压表1模拟和实验的工况缩机运行的最佳频率、最小功率、吸排气压力和温度和制热COP等参数等的变化，有以下说明：

（1）测试机组在环境干球温度在20及其以上温度时，机组实现由热泵机组一次加热供水，在20以下由热泵机组和水箱联合供水，水流量分配见表1；

（2）在环境干湿球温度-7/-8和7/6，需要先开启电加热加热水箱内水到80后，再进行实验，要求实验过程中水箱出水温度为80不变；

（3）环境干湿球温度-7/-8时，需要开启图1所示的管道电加热（2.0KW）。

图2即热式空气源变频热泵热水机组图3实验测试装置图3结果分析3.1运行稳定性即热式系统的显著特点是，在某一特定的环境工况下，由于冷凝器进水温度和流量不变，系统运行可以达到稳定状态，即吸气压力和排气压力稳定。

如图3为系统在高温工况下运行15min后的吸气压力和排气压力曲线。

可见，吸气压力和排气压力变化波动很小、达到稳定状态，分别为1.82MPa和2.45MPa。

而循环加热式或静态加热式R410A热泵热水系统由于流入冷凝器水的温度越来越高，吸气压力和排气压力均逐渐上升，定频机组的最高排气可以达到3.7MPa，变频机组在低频下运行排气压力会稍有降低，但是最高会达到3.5MPa14。

可见，即热式系统可以有效降低压缩机排气压力，使压缩机排气温度不会升得太高，有助于压缩机安全、稳定运行。

此外，即热式系统的换热器进出口处，水温和制冷剂温度均保持稳定、平均传热温差大，换热性能稳定并且维持在较高水平。

图3压缩机吸气压力和排气压力曲线3.2压缩机频率图4是随着环境温度的变化，机组满足出水6L/min、42时，模拟计算的最佳压缩机频率与实测压缩机最佳频率的曲线。

可知：

1）随着环境温度的升高，二者随环境温度的变化趋势一致，整体上随环境温度的升高而降低。

这是由需要的制热量和系统循环性能的变化导致的，随着环境温度的升高，自来水进水温度升高，所需要的制热量降低，循环制冷剂循环质量流量降工况实验工况模拟工况水流量环境干球（）环境湿球（）自来水温度（）蒸发温度（）吸气过热度（）冷凝温度（）冷凝过热度（）总流量（L/min）冷凝器（L/min）水箱（L/min）高温工况432729302444660标准工况201515102444660低温工况-7-85-20229464.31.7其他工况352420222444660769-32