空氣源靜態(tài)加熱式熱泵熱水器換熱效率分析對(duì)比

陳進(jìn)

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

1 概述

空氣源熱泵熱水器根據(jù)其冷凝方式可分為直熱式熱泵熱水器、循環(huán)式熱泵熱水器和靜態(tài)加熱式熱泵熱水器。靜態(tài)加熱式熱泵熱水器，根據(jù)其換熱盤管位置又可分為外繞盤管式熱泵熱水器和內(nèi)繞（浸泡）盤管式熱泵熱水器。如圖1。兩種形式的熱泵熱水器，無論在結(jié)構(gòu)還是系統(tǒng)性能上都各有優(yōu)缺。本文僅限于討論其換熱性能，其他方面優(yōu)缺對(duì)比在本文中暫不提及。

2 理論分析

2.1 壓焓圖對(duì)比

如圖2所示熱泵循環(huán)壓焓圖，對(duì)于冷凝溫度相對(duì)較低的循環(huán)1→2→3→4→1，有：

對(duì)于冷凝溫度相對(duì)較高的循環(huán)1→2’→3’→4’→1，有：

由于： 0

所以： COP'

即，對(duì)于一個(gè)既定的系統(tǒng)，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，由上述推導(dǎo)可知，當(dāng)冷凝溫度/壓力升高時(shí)：

? 壓縮比增大

? 壓縮功提高

? 排氣溫度上升

? 制熱能效比降低

2.2 傳熱介質(zhì)對(duì)比

對(duì)于空氣源熱泵熱水器而言，采用不同的冷凝方式、冷凝設(shè)備會(huì)導(dǎo)致不同的冷凝溫度、冷凝壓力，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生不同的制熱能效比。

圖1 靜態(tài)加熱式熱泵熱水器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 熱泵循環(huán)壓焓圖

圖3 熱量傳遞示意圖

圖4 內(nèi)外盤冷凝溫度對(duì)比圖

圖5 內(nèi)外盤高壓對(duì)比圖

圖6 內(nèi)外盤消耗功率對(duì)比圖

如圖3所示，在熱量的傳遞方向上，熱量從高溫冷媒轉(zhuǎn)移到低溫水，需要經(jīng)過如下環(huán)節(jié)：

外繞盤管式熱泵熱水器：冷媒→銅管壁→空氣間隙→水箱內(nèi)膽壁→水；

內(nèi)繞盤管式熱泵熱水器：冷媒→銅管壁→水。

外盤式在傳熱方向上多出接觸熱阻和水箱內(nèi)膽壁熱阻，當(dāng)外盤式與內(nèi)盤式冷媒側(cè)保持相同狀態(tài)時(shí)，由于外盤式多出兩重?zé)嶙?，因此傳熱效率上，外盤式將比內(nèi)盤式低。

在制取相同水溫?zé)崴畷r(shí)，熱量由高溫物體向低溫物體傳遞，如圖3所示，可直觀地看出外繞盤管式冷凝溫度明顯高于內(nèi)繞盤管式冷凝溫度。根據(jù)圖2推導(dǎo)出的 ，對(duì)于同一個(gè)熱泵熱水系統(tǒng)，理論上，采用外繞盤管式冷凝方式其制熱能效比將采用內(nèi)繞盤管式冷凝方式低。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)：KFRS-3.3J/A配外繞盤管水箱、內(nèi)繞盤管水箱，冷媒灌注量：1300g R22。

試驗(yàn)方法按照GB/T 23137—2008《家用和類似用途熱泵熱水器》的試驗(yàn)要求，最后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

測(cè)試表明，內(nèi)繞盤管式熱泵熱水器其能效高于外繞盤管式熱泵熱水器。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)機(jī)組，在相同的系統(tǒng)條件下，內(nèi)繞盤管式熱泵熱水器能效高出外繞盤管式0.35。

內(nèi)繞盤管式及外繞盤管式在不同水溫時(shí)的高低壓數(shù)據(jù)及測(cè)試功率數(shù)據(jù)分別見表2和表3。

內(nèi)盤管式與外盤管式熱泵熱水器在一個(gè)熱水周期內(nèi)的冷凝溫度對(duì)比、高壓對(duì)比、消耗功率對(duì)比分別見圖4、圖5、圖6。（一個(gè)熱水周期是指將平均溫度為15℃的水加熱到平均溫度55℃）

從圖4至圖6可以看出，實(shí)際測(cè)試情況與第2部分的理論分析相吻合。即，由于內(nèi)繞盤管熱泵熱水器在熱量傳遞方向上比外繞盤管減少了接觸熱阻與水箱內(nèi)膽壁面熱阻，因此在同等條件下，其傳熱效果好（冷凝效果好），平均冷凝溫度低→冷凝壓力低→壓縮比小→壓縮功小→壓縮機(jī)運(yùn)行功率低→機(jī)組運(yùn)行耗電量少→機(jī)組制熱能效比高。

4 結(jié)論

在理論及實(shí)際上，內(nèi)繞盤管式熱泵熱水器換熱效率優(yōu)于外繞盤管式熱泵熱水器，要達(dá)到內(nèi)盤式熱泵熱水器的相同能效比，外盤式將會(huì)付出更多的代價(jià)；內(nèi)盤式熱泵熱水器雖然能效高，但又存在盤管易腐蝕的先天缺陷。當(dāng)然，在實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)過程中，不同公司會(huì)采取不同的辦法來提高外盤式熱泵熱水器的換熱效率；同時(shí)，由于各公司技術(shù)研發(fā)實(shí)力存在差異，研發(fā)出的內(nèi)盤式熱泵熱水器換熱效率也可能千差萬別。

表1 空氣源靜態(tài)加熱分體式熱泵熱水器測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

表2 內(nèi)繞盤管式測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 外繞盤管式測(cè)試數(shù)據(jù)

[1]GB/T 23137—2008,家用和類似用途熱泵熱水器[S].

[2]王朝鑫.靜態(tài)加熱式空氣源熱泵熱水器運(yùn)行性能的試驗(yàn)研究[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,5