空气源热泵热水器的性能分析

空气源热泵热水器的性能分析

蒋德冰

中山市汉功电器科技有限公司广东中山528400

摘要：目前市场上主要的热水器品种有燃气热水器、热电热水器、太阳能热水器。燃气热水器和热电热水器主要消耗天然气、电能等高品位热能，具有耗能高、污染环境等缺点；太阳能热水器市场上较受欢迎，但受到气候和安装条件的限制。空气源热泵热水器作为第四代热水器已引起国内外的重视。空气源热泵热水器具有节能、环保、安全、高效、安装方便的优点。

关键词：空气源；热泵热水器；性能

引言

空气源热泵热水器以其高效、节能及环保安全等优势，在热水供应方面得到了广泛应用。不同于常规空调热泵，空气源热泵热水器将水加热到55℃以上，运行工况范围广，高低压力变化大，冷凝温度时变，尤其当机组运行至较高水温时，系统性能会明显下降。针对这一特性，寻求具体的运行策略以优化系统性能显得极为重要，国内外学者对此已进行了大量的研究。

1实验装置与实验样机

1.1测试用空气源热泵热水器

本实验为一般家用式空气源热泵热水器，压缩机采用转子式压缩机，风侧换热器采用翅片式换热器，水侧换热器采用板式换热器，制冷剂采用R410A。考虑到冬季热水的使用量大，空气源热泵加热热水没有达到设定的水温可采用辅助电加热或燃气加热。

制热水循环过程是常温常压的制冷剂液体在翅片式蒸发器中蒸发吸热，吸收来自于空气中的热量，然后经压缩机压缩为高温高压的气体，进入套管式冷凝器放出热量用来加热水。除霜循环过程是利用四通阀换向除霜，制冷剂经压缩变为高温高压的制冷剂蒸气，经四通阀换向进入空气侧换热器，蒸气放出热量用于除霜。

1．2实验测试工况

制热水工况：出水温度15～55℃，环境温度－10～20℃

1．3实验测试内容

本实验在焓差实验室进行性能测试，根据《GB/T7725—2004》在标准工况选出最优的水流量，采用控制水流量、改变环境温度和改变出水温度的方法，得出空气源热泵热水器性能参数的变化。

2实验结果分析

2．1对吸排气压力的影响

图1和图2分别给出了吸排气压力随出水温度的变化。由图2和图3可知，当环境温度一定时，排气压力和吸气压力随出水温度的升高而升高，但是排气压力的升高速度要大于吸气压力的升高速度，所以随着出水温度的升高会导致压缩机的压比增大，即压缩机的功耗增大。当出水温度一定时，排气压力和吸气压力随着环境温度的降低而降低，但是吸气压力降低的幅度要大于排气压力降低的幅度，所以在环境温度较低时，吸排气的压差大即压比大，排气温度较高，从而容易导致压缩机在低工况运行时出现故障。

图1不同环境温度下吸气压力随出水温度的变化

图2不同环境温度下排气压力随出水温度的变化

2．2对制热量的影响

图3给出了不同环境温度下制热量随出水温度的变化。由图3可知，当环境温度一定时，制热量随出水温度的升高而降低。当出水温度一定时，制热量随环境温度的升高而升高。当环境温度过低（－10℃）时，空气源热泵制热量太低（仅仅有9kW），空气源热泵的优势已经不存在，这时需要进行辅助加热，可以采用电加热、燃气加热等。

图3不同环境温度下制热量随出水温度的变化

2．3对功率的影响

图4给出了不同环境温度下压缩机功率随出水温度的变化。由图4可知，当环境温度一定时，功耗随着出水温度的升高而升高。这是由于环境温度一定时，压缩机的压比随着出水温度的升高而升高，即压比升高功耗变大。当出水温度一定时，在出水温度为20℃以上时，随着环境温度的升高，压缩机的吸气压力升高，而排气压力几乎不变，因此压缩机的压比减小。吸气压力升高会导致压缩机的输气系数升高，容积系数提高，制冷剂的比容减小。所以制冷剂的质量流量逐渐变大，压缩机容积制冷量增大，系统制热量提高，单位质量制冷剂功耗下降，但是由于制冷剂流量的增大，所以压缩机的功耗仍然是增大的。在出水温度为20℃以下，随着环境温度的升高，功耗降低，原因是随着环境温度的升高，流量升高，但是压缩机的压比降低，单位制冷功耗降低。流量升高导致功耗的增加要小于压比降低导致功耗的减小，因此在出水温度为20℃以下，随着环境温度的升高，功耗降低。

图4不同环境温度下功率随出水温度的变化

2．4对COP的影响

图5给出了不同环境温度下COP随出水温度的变化。由图5可知，当环境温度一定时，COP随着出水温度的升高而降低，变化趋势越来越缓。当出水温度一定时，COP随着环境温度的升高而升高。当环温升高时，蒸发器的蒸发温度升高，即吸热量升高，功率升高，但功率升高的幅度小于吸热量，所以COP升高。

图6不同环境温度下COP随出水温度的变化

3结论

在焓差实验室通过改变环境温度和出水温度来测试机组的性能，实验结果显示外界环境温度的变化和冷凝器出口水温度的变化直接影响了空气源热泵热水器运行效率、安全性。

（1）在环境温度较低的运行工况下，压缩机的压比大，排气压力、排气温度过高，压缩机在低温运行时寿命降低和出现排气温度保护。可以采用喷淋冷却的方法来降低压缩机的排气温度。

（2）在环境温度较低的运行工况下，制冷量较小，效率低，不能达到所需的水温，因此需要辅助加热，例如电加热、燃气加热。

（3）在环境温度较低的运行工况下，从压缩机排气到进入冷凝器放热加热水，由于环境温度与排气温度相差过大，热损失较为严重。所以应尽量减小制冷剂与水、制冷剂与空气的传热温差。

（4）在环境温度较低的运行工况下，空气侧换热器容易结霜。盘管结霜会导致三个问题，一是增大换热热阻，二是阻碍空气的流通，三是盘管空气流量不均匀。随着霜层的增厚，盘管的换热热阻增大，风量减小，使机组的换热效果越来越差。盘管空气流量的不均匀还会导致局部支路蒸发不完全而产生带液，会严重影响压缩机的安全运行。

参考文献：

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