随着国内对能源消耗的增大, 发展节能产品已成为主流。空气源热泵热水器以其节能、便于安装等特点已成为了家用和商用热水器的发展趋势。影响空气源热泵热水器能效的因素很多, 因此, 如何进一步提高节能效果已成为目前研究的重点。
热泵热水器是一种节能、高效的供热水产品, 其主体是热泵系统, 以电能作为驱动力, 利用制冷工质吸收环境中的热量, 并通过热泵循环将该部分热量传递给水来制取热水。
热泵技术的基本原理是逆卡诺循环, 实质上是一种热量提升装置, 即从周围环境中吸取热量, 并把它传递给被加热的对象。其主要装置由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成。
空气源热泵热水器具有高效节能的特点, 其节能效果是电热水器的4倍, 是燃气热水器的3倍。在运行费用上, 空气源热泵热水器的初期投资虽然较高, 是煤气、天然气、电热水器的三至五倍, 但其日常运行成本较低。据专家测算, 120升水从15℃上升到55℃, 煤气热水器所需的运行费用为1.74元, 天然气热水器为1.26元, 电热水器为3.60元, 而空气源热泵热水器约为0.95元。
空气源热泵热水器在使用中受到环境温度、进水温度、组成部件性能等的影响, 目前, 国内外的诸多学者已经在换热器的结构、节流机构、压缩机等系统结构方面开展了诸多的研究。
管路设计是影响换热器换热性能的一个主要因素, 对管翅式换热器而言, 分流的支路数热泵系统中有很大差别。黄东等利用软件模拟热泵蒸发器, 指出蒸发器的换热量在管路支路数较少时受传热温差和传热系数共同影响;在支路数较多时则主要受传热系数的影响, 即适当的支路数才能保证蒸发器充分发挥换热能力。
换热器的盘管结构对换热器换热性能有很大的影响, 目前, 盘管所采用的多是铜管, 盘管结构主要指铜管的内径、形状和盘管的形状等。目前空气源热泵热水器的铜管主要是内肋铜管如内螺纹铜管等, 室外换热器的盘管形状一般都是水平U型管。盘管结构方面的研究工作主要是铜管的内径和冷凝盘管的形状, 以及如何减少用料、降低成本。对铜管内径的研究, 主要研究是制冷剂在不同内径的各种管路中的换热系数及其关联式研究。对精度较高的冷凝、沸腾换热特性的关联式做进一步研究, 对减小铜管管径、节省材料、降低产品的试验难度有一定的帮助。
对于冷凝盘管, 其形状对储水桶的换热能力有很大的影响, 陈嘉澍等对容量为90L的立式储水桶中冷凝盘管分别采用等径螺旋盘管和非等径螺旋盘管进行对比试验研究, 发现非等径螺旋盘管的换热性能要高于等径盘旋盘管, 说明对容量较小 (100L以内) 的立式储水桶采用非等径螺旋盘管, 换热性能较优越。但对于容量较大的立式储水桶, 使用类似的盘管存在用料多、不易固定等问题, 一般采用在底部安装等径螺旋冷凝盘管, 利用自然对流加热的方法。
翅片结构也是影响换热器换热性能的一个因素, 翅片主要有平翅片、开缝翅片、波纹翅片等。目前大部分空气源热泵热水器都是采用开缝翅片, 不同开缝翅片的形状和间距会产生不同的换热效果。因此, 翅片结构也是目前国内外学者的一个重要研究课题。
对节流机构是热泵热水器系统的一个重要组成部分, 常见的节流机构有毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等。采用毛细管作为节流机构的热泵热水器, 其优势是降低了生产成本, 缺点是工况适应能力差。热力膨胀阀分为单向和双向热力膨胀阀, 热泵热水器中主要采用双向热力膨胀阀, 张良俊等实验研究了热力膨胀阀对空气源热泵热水器稳定特性的影响, 指出膨胀阀开度和制冷剂充注量是影响系统稳定特性的重要因素, 且热力膨胀阀对热泵热水器系统全年运行的流量调节有一定的局限性。电子膨胀阀拥有调节精度高、调节范围大、快速制热制冷等特点, 在变频系统中已经有了很好的应用。可以看出, 三种节流元件各有优缺点, 具有一定的适用范围, 在热泵热水器中的应用中, 应根据用户的不同要求采用不同的节流机构。
压缩机是热泵系统中最重要的部件, 目前国内外很多企业都在进行专门应用于热泵系统的压缩机, 谷轮、大金、东芝等已经有产品推出。目前常见的压缩机如往复活塞式压缩机、滚动转子压缩机、涡旋压缩机等在热泵热水器中都有应用。
压缩机的应用一般是根据不同的工质来进行选择。目前在家用热泵热水器中, 常用的工质主要是R22、R417A、R410A等, 采用的压缩机大多是滚动转子式压缩机, 游斌等试验研究表明环境温度-7℃~43℃之间时, 转子压缩机在R22空气源热泵热水器中有很好的可靠性。涡旋压缩机在家用热泵热水器中也有所应用, 在研究出专门的热泵压缩机之前, 有专家提出用涡旋压缩机作为热泵热水器的过渡压缩机, 采用“两步换热法”来保证涡旋压缩机在热泵热水器中应用的可靠性。
摘要：热泵热水器以其节能、环保、高效、全天候使用, 已得到了越来越广泛的使用, 空气源热泵热水器因其安装方便也已进入到了普通的家庭用户。影响空气源热泵热水器能效的因素很多, 本文主要介绍空气源热泵热水器在系统结构方面的研究动向。
关键词：空气源,热泵热水器,系统结构,研究
[1] 黄东, 李权旭.R22与R410A热泵中蒸发器性能随支路数变化的比较[J].西安交通大学学报, 43 (7)
[2] 陈嘉澍, 陈姝, 卓献荣等.立桶式家用热泵热水器冷凝器性能的研究[J].仲恺农业技术学院学报, 2006 (19)
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