摘要：随着人民生活水平的提高，空气源热泵热水器得到了广泛的应用，然而在使用的过程当中，空气源热泵热水器本身的设计缺陷突显了出来。本文根据空气源热泵热水器的技术原理，并提出了几点优化设计的建议，以期改进空气源热泵热水器的热系统，减少能耗，提高使用性能。
关键词：空气源热泵；热水器；性能优化
1空气源热泵热水器的工作原理与运行特性
1.1工作原理
空气源热泵热水器是创新一代的热水设备，是一种高效集热并转移热量的装置，由压缩机、电子膨胀阀、干燥过滤器、四通阀、蒸发器等部件组成。空气源热泵热水器成功地运用了逆卡诺原理。压缩机从蒸发器中吸入低温低压气体制冷剂，通过做功将制冷剂压缩成高温高压气体；高温高压气体进入冷凝器，在冷凝器中被冷凝成低温液体而释放出大量的热量；水吸收高温高压气体冷凝过程中释放出的热量，温度不断上升。
1.2运行特性
从空气源热泵热水器提供热量方面分析，它的制热量随着制冷剂流量的增大而增大，整个系统的输入功率逐渐增大，同时，使得制冷系数先增大后减小。通过空气源热泵热水器的这一制冷特性，可知，制冷剂的充注量并不是越大越好，而是存在一个使系统性能最高的最佳制冷剂充注量。另外，进水温度对空气源热泵热水器的影响并不大，但制冷系统却随着进水温度的增加而不断减小，同时，进水温度高时排水温度也会相应提高，对压缩机的运行不利。因此，就需要控制好空气源热泵热水器的进水温度，使其在试用中达到最佳效果。
2 空气源热泵热水器性能实验和优化实例分析
2.1实验装置
对空气源热泵热水器进行实验，整个实验系统包括两部分：分别为制冷剂循环部分以及水循环部分。
图1 实验装置原理图
制冷剂循环部分，包括：压缩机、质量流量计、高压储液器等。制冷循环部分的主要作用是有效地处理压缩机在运行中出现的过热现象。压缩机的吸气口本身配备了气液分离器，一旦压缩机开始吸进液态制冷剂，由于刚吸入时制冷剂含量较少，所以会在非常短的时间内将机体散发的热量迅速吸收，同时制冷剂的热量也会在这一过程中即刻蒸发，所以即便处于长时间的运行状态也不会对压缩机的使用性能造成任何不良影响。
水系统循环部分，包括：电加热箱、循环水泵等。其中，电加热箱可以在一定程度上对初始水温进行调节，具体加热的程度由调压调功器进行操控。利用浮子流量计测出循环水流量qv的实际值。在进行加热的过程中，热水注入到储水箱上方的入水口，然后再从下方的出水口进行回水，通过不断的循环实现加热。在循环过程中，水和制冷剂呈反方向的流动，同时表现为逆流换热的状态。通过智能数显功率表进行数据的收集，将测量出的总耗功设为Wt。P代表压力，T代表温度测点。
2.2实验方法
在实验正式开始前，需要对循环水泵的运行功率进行调节，从而保证水的流量维持在11L/min，然后对系统内的水进行混合，使水循环内的初始水温相同。将蒸发器入风时的初始温度设置为15℃。本次实验需要在两个不同的工况下分开进行，工况1：只对电子膨胀阀开度做出改变，其他因素不发生变化；工况2：只对加热水箱内的初始水温做出改变，其他因素不发生变化。系统进入运行时的水温设为tw，系统终止时的水温设为tend，将tw和tend都设置为55℃。
2.3实验结果分析
（1）电子膨胀阀开度产生的影响
阀开度对COP产生的影响：在不同工况的膨胀阀开度下，COP都呈现出降低的趋势，但两种下降趋势具有显著的差异，导致COP在加热期间发生交叉现象。在加热温度进行到20～30℃时，阀开度和COP呈正比例变化，COP随阀开度的增加而不断扩大。但当加热进行到45～55℃时，阀开度和COP呈反比例变化，COP随着阀开度的增加而不断变小。阀开度对制热量产生的影响：在不同工况的膨胀阀开度下，制热量都呈现出先增大后降低的趋势，交叉区间和COP相同。在进行加热的初期，阀开度和制冷剂的质量、流量呈正比例变化。与此同时，系统制热量也开始扩大。另外，随着阀开度的不断加大，蒸发温度上升，吸排气压比不断降低，系统耗功下开始下降。所以，在进行加热的初期，阀开度和COP呈正比例变化。阀开度对过热度产生的影响：在持续加热的情况下，过热度一直呈现下降的趋势，直到温度降为0℃，此时压缩机启动吸气带液。随着阀开度的不断扩大，当过热度将为0℃时，水箱内的平均水温会不断下降。因为阀开度的扩大会导致制冷剂的质量、流量不断增加。在这种情况下，蒸发温度的上涨致使制冷剂与空气二者之间的换热温差下降。因此，如果水箱内的平均温度保持一致，则阀开度和过热度呈反比例变化。
（2）初始水温产生的影响
在膨胀阀开度和初始水温均不相同的情况下，COP均保持在加热的过程中不断降低的趋势。在初始加热时期，COP呈现出比较缓慢的下降趋势，但是在加热后期，压缩机吸气带液不断增大，系统整体性能出现恶化，导致COP呈现出快速下降的趋势。在膨胀阀开度不同的情况下，制冷剂的质量、流量均和阀开度呈现正比例变化趋势，便于换热器进行换热，COP也随着增加。但质量、流量的增加致使水箱过热度不断降低，于是当系统在进入后期运行时，压缩机吸气带液扩大，使得COP呈现出快速降低的趋势。在初始水温不同的情况下，因为系统启动后需要短暂的“预热”，所以在初始加热阶段，水箱温度保持一致的情况下，处于低水温系统下的COP即使在加热期间呈现出持续降低的趋势，但依旧高于刚启动时系统下的COP，导致低温下的系统COP较大。而且随着持续加热，处于低温下的系统会先下降至0℃，导致COP在进入加热后期时下降幅度持续上涨，从而低于高温下的系统COP。
3空气源热泵热水器系统性能优化
在环境温度相对较高的夏季，空气源热泵热水器冷媒为制冷剂R134a，其所呈现出的系统能效比相对较高，同时所产生的排气温度相对较低，但是如果拥有过高的环境温度，那么会极大的增加吸气过热度，同时会导致有效换热面积明显降低，最终会对换热性能产生不利影响。
第二，对热水进行加温处理，当其从 30 摄氏度上升值 55 摄氏度以后，线性增加的现象产生于功耗中，具体增长倍数为 1.6；此时随之增大的还有压比，导致一定的安全隐患产生于系统中，并且加剧了压缩机的震动现象，并降低溶剂效率，在这一过程中，稳定性在系统运行中明显降低；如果始终保持 45 摄氏度左右的循环水进水温度，那么将产生最佳系统利用率。
第三，制冷剂流量在系统循环中要想得到有效的调节，就可以对电子膨胀阀进行应用，此时过热度在蒸发器出口处能够得到精确的控制，在这种情况下，变工况情况下系统的不稳定运行可以得到高效解决，而系统能效比也将有效提升。然而，小范围的震荡会在稳定的过热度和蒸发温度中形成，同时如果产生较大的阀开度，这以震荡问题就会更加严重；必须确保能够实现稳定且安全的压缩机运行状态，只有这样才能够在任何负荷状态下产生较高的运行效率。
4结语
空气源热泵热水器可以具有很多优良特性，如：节能环保、清洁度高、高效安全等。因此，对空气源热泵热水系统进行优化和性能的分析具有非常重要的现实意义。本文针对空气源热泵热水器的性能优化提出两种优化策略，并对此进行了分析和探讨。
参考文献：
[1]周雄健.分析空气源热泵热水器的季节变化实验及优化策略[J].山西农经，2017（16）
[2]张培煊.空气源热泵热水器系统性能优化分析[J].科技经济导刊，2017（16）
论文作者:吴挺立
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/28
标签：制冷剂论文; 热水器论文; 空气论文; 系统论文; 源热泵论文; 压缩机论文; 温度论文; 《基层建设》2019年第6期论文;