关键词：空气源热泵热水器；变工况；数学模型；试验
中图分类号：TK11 文献标志码：A 文章编号：
0 引言
随着经济的快速发展与人们生活水平的提高，生活热水已成为人们生活的必需品，传统的热水器具有能耗大、费用高、污染严重或受到气象条件的制约等缺点。而空气源热泵热水器一方面，能够利用丰富的自然资源，如空气源、地热源和余热等；另一方面，不会产生废气。所以空气源热泵热水器是继燃气热水器、电热水器和太阳能热水器的新一代热水装置，是可替代锅炉的供暖水设备。由于其明显的优势（环境保护、高能效和节能），空气源热泵热水器已被更广泛的应用[1]。空气源热泵热水器作为一种以空气为低温热源，经电能做功从低温侧吸收热量来加热生活用水，热水通过循环系统直接送入用户，以此作为热水供应或利用风机盘管来进行小面积采暖[2]，由此空气能热水器作为第四代热水器是未来发展的趋势。
无论哪种空气源热泵热水器都会遇到变工况的问题，其性能随周围环境的影响很大。冬天温度低，性能差；夏天温度高，性能好。本文将对这些情况进行分析并拟结合已有的试验结果，建立热泵热水器动态性能仿真模型，将试验和仿真模拟的结果进行对比，验证了模型的总体可靠性。
1 热泵热水器的工作原理与试验设备
1.1 热泵热水器的工作原理
空气源热泵热水器由压缩机、表面冷凝器、蒸发器、热水循环泵、毛细管、储水箱等几部分组成。热泵热水器工作原理与空调器类似，它们的工作原理都采用“逆卡诺”循环原理。实质上是将热量搬运并提升的装置，从周围空气中吸取热量，并把它传递给被加热的冷水，其工作原理如图1所示。通过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量)→压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。
该系统具有两个循环回路：一个是循环工质回路，工质通过毛细管节流降压后流入蒸发器，在风扇作用下与环境空气进行换热，吸收大气中的低品位热能而蒸发，然后被压缩机吸入并压缩成高温高压的蒸气，而后流入套管式冷凝器的外管，加热在内管中流动的循环水，从而使储水箱中的水温升高，冷凝后的工质再次进入毛细管，如此不间断进行循环；另一个是循环水回路，系统运行时，在循环水泵的作用下，冷水从储水箱流入冷凝器中加热，然后热水从冷凝器回到储水箱中，并与储水箱中的水充分混合，使储水箱内的水温均匀升高[3]，达到制热水的目的。
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图2 热水器结构设计方案
实验台自动测试系统由1台计算机和1台Agilent34970A多功能数据采集仪组成，采用Lab -VIEW图形化软件平台编制相应的测试程序并通过串口通讯对仪器进行控制。
热泵热水器结构设计方案如图2所示，其结构主要由压缩机、支撑板、表面冷凝器、热水循环泵、风机及底座、风机固定架、蒸发器、电器盒及水箱组成。
2 空气源热泵热水器变工况特性分析
2.1 ASHPWH的理论循环
热水泵的理论循环假设：(1)压缩过程可逆；(2)除两个热交换器外，其余各个部分绝热；(3)在冷凝与蒸发过程中与两恒温热源间无传热温差；(4)工质流动中无压力损失[4]。热泵的理论循环如图3所示：图中l一2为等熵压缩过程；2—3为无相变的等压冷却过程；3—4为有相变的等压等温冷凝过程；4—5为节流膨胀过程；5—l为有相变的等压等温蒸发过程。
3 数学模型和仿真过程
由于考虑到热泵热水器在工作过程中，蒸发器、冷凝器、压缩机的散热损失和泄漏损失等因素对整个系统的工作性能的影响，为了便于计算，将整个装置简化用后数学模型来表达。这些模型都是建立在传热学和热力学原则的基础上[8,9]。
3.1 压缩机的数学模型
由于制冷剂蒸气压缩是个多变的过程，压缩机的能量方程[10]可写成：
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3.2 蒸发器的数学模型
蒸发器中制冷剂的流动分别是饱和态及过热态，而且随着热水温度的升高，蒸发器中的过热度是在逐渐变化的[10]。其数学模型为：
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；Utp,e、Ush,e：蒸发器两相、过热传热系数，kW/(m2 K)；Ai,e、Ao,e：管内、外换热面积，m2；Cr,sh,e：蒸发器中过热态制冷剂的比热，kJ/(kg·K)；Ta、Te、T1：空气温度、蒸发器温度、制冷剂出蒸发器温度，℃；αtp,e、αsh,e：蒸发器两相、过热传热系数，kW/(m2 K)；di,e、do,e：蒸发器内管、外管直径，m；λtube：铜管导热系数，kW/(m·K)；αo,s,e：蒸发器外管显热转移，kW/(m2K)；ξ：蒸发器析湿系数；ηfin：翅片效率。
3.3 冷凝器的数学模型
冷凝器的质量平衡方程[10]为：
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：冷凝器过热区制冷剂的比容，KJ/(kg·K)；Tc、Tw、T2、T4：冷凝器、水及状态点2、3点的温度，℃；Ush,c、Usc,c、Utp,c：冷凝器过热区、过冷区、两相区的传热系数，kW/(m2·K)；rc：冷凝器的潜伏热，kJ/kg；Ai,c、Ao,c：冷凝器管内、外换热面积，m2，αsh,c、αsc,c、αtp,c、αw：冷凝器过热区、过冷区、两相区及水的传热系数，kW/(m2 K)；di,c、do,c：冷凝器管内、外直径，m。
3.4 节流装置的数学模型
毛细管截流模型可以采用简单的等焓过程方程：
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（19）
3.5 性能指标
性能系数COP：衡量热泵性能的最主要参数，ASHPWH（空气源热泵热水器）的经济性能以消耗单位电功量N0 (压缩机电耗+水泵电耗+风机电耗)所得到的热量Q0 (用于加热卫生热水)来衡量，称为制热系数[4]，用COP来表示：
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（20）
式中：ρw：热水的密度，kg/L；cw：热水的定压比热，kJ/(kg·℃)；Vw：储水箱的容积，m3；twi、two：分别为储水箱循环水进、出口的温度，℃；Δt：单位时间间隔，s；ΔP：单位时间间隔内的平均功率，kW。良好的ASHPWH的系统性能对于普通消费者来说是非常有吸引力的[11]。
基于热泵热水器的数学模型，开发了一个仿真程序，对系统进行仿真，来估计系统的性能。仿真输入的数据为结构参数、气象数据和水箱中水的初始温度。输出数据为热容、电耗、系统的COP和所有状态点的数据（温度、压力、比容、比焓和质量流率等）。
3.6 试验结果与模型验证
为了进一步研究热泵热水器的性能，根据合肥的气象数据，在不同的环境条件下，在环境室内做了一系列的试验。在试验中，假设周围的环境为恒量，启动电源，水箱中的150L的水由初始温度被加热到55℃，然后系统将通过一个微处理器停止加热。
由上所述，在试验中热泵热水器热容随着水温和气温的变化而变化，因此导致COP的变化。图10表明，随着水温从16℃加热到53.5℃，试验和仿真的COP的变化。不管是冬天还是夏天，COP都随着水温的升高而降低。试验的平均COP比仿真的平均COP低，原因是在实际操作过程中存在压降和系统热损失。图中数据显示试验结果与仿真结果大致吻合，对于同一个水温，试验与仿真的最大误差小于10%。
以上研究表明，在系统稳定运行时试验结果与仿真结果基本吻合，说明建立的数学模型较好地反映了热泵热水器的实际运行状况，因此为系统进一步的优化奠定了良好的基础。
4 结论
（1）空气源热泵热水器的供热系数COP主要受水温和环境温度的影响。COP随水温的升高而降低，因此要尽量避免在高温水循环下运行热泵热水机组；COP随气温的升高而升高。因此在冬天应综合考虑各因素的优化，使系统的COP提高。
（2）当出水温度恒定情况下,供热功率、供水量、蒸发器表面温度、理论COP和水温随气温的上升而上升，冷凝器传热系数除外（先下降后上升）。
（3）通过试验和仿真结果表明：蒸发、冷凝压力随水温的升高而升高；热容随水温的升高先上升后下降，COP随水温的升高而降低。
（4）结合已有的试验结果，建立了系统的工程数学模型，通过对试验和仿真模拟的结果进行对比，表明试验结果与仿真结果基本吻合，验证了模型的总体有效性和可靠性。因此，稳态仿真在一定的工作情况下, 能够保证一定的仿真精度, 能够为生产和工程实验提供一定的参考依据，也为系统的进一步优化奠定了良好的基础。
参考文献
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论文作者:戴道成，乔红娇
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第17期
论文发表时间:2020/3/4
标签：热水器论文; 冷凝器论文; 蒸发器论文; 空气论文; 水温论文; 热泵论文; 系统论文; 《科学与技术》2019年第17期论文;