空氣源熱泵熱水器季節(jié)性能的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

黎志瑜

（ 廣東瑞星新能源科技有限公司，廣東 江門 529700）

季節(jié)性能評估作為一種常用的檢測方法，主要用于對熱水器性能指標(biāo)的精確化檢測，從而確定出影響熱水器性能的季節(jié)因素，同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)對熱水器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益的精確化分析，因此，該檢測方法被廣泛地應(yīng)用于太陽能熱水器領(lǐng)域中，由于缺乏相關(guān)試驗(yàn)理論知識的指導(dǎo)和借鑒，因此在熱泵熱水器領(lǐng)域中的應(yīng)用較少，為了解決這一問題，提高空氣源熱泵熱水器季節(jié)性能檢測結(jié)果的精確性，如何對其試驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)和分析是相關(guān)人員必須思考和解決的問題。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，從圖1中可以看出，該試驗(yàn)裝置主要由以下部分組成：1）壓縮機(jī)。壓縮機(jī)所選用的旋轉(zhuǎn)式具有一定的全封閉性，額定功率通常達(dá)到735W。2）蓄熱水箱。蓄熱水箱的容積達(dá)到了150L，所選用的水箱種類主要以承壓式為主，該類型水箱內(nèi)膽材質(zhì)為不銹鋼板。內(nèi)膽和外殼之間充滿一定量的填充物，該填充物為聚氨脂發(fā)泡保溫材料。3）螺旋形冷凝盤管。該冷凝盤管的安裝位置主要集中于水箱底部。4）風(fēng)冷換熱器。風(fēng)冷換熱器主要由以下兩個(gè)部分組成，一個(gè)是蒸發(fā)盤管，另一個(gè)是軸流風(fēng)扇。5）節(jié)流元件。節(jié)流元件內(nèi)部含有大量的毛細(xì)管。壓縮機(jī)和毛細(xì)管兩種零件均被設(shè)置于指定的恒溫室內(nèi)，恒溫室溫度通常為-5℃ ~35℃。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)方法如下：在不同季節(jié)下，對恒溫室環(huán)境溫度進(jìn)行模擬和調(diào)節(jié)，然后，在不同環(huán)境溫度下，對該熱水器在加熱期間所產(chǎn)生的設(shè)備能耗和水箱水溫進(jìn)行完全記錄，其中，設(shè)備能耗在實(shí)際的統(tǒng)計(jì)中，需要利用功率計(jì)對其進(jìn)行采集和計(jì)算，水箱水溫在實(shí)際的統(tǒng)計(jì)中，要利用熱敏電阻1，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化、智能化采集，熱敏電阻1所采集的數(shù)據(jù)對象主要以水箱水溫參數(shù)為主，在指定的水箱中段處安裝和固定相應(yīng)的溫度測點(diǎn)，可以有效地避免水溫分層現(xiàn)象，確保最終計(jì)算結(jié)果的精確性。另外，在該試驗(yàn)中，還要利用熱敏電阻2，對蒸發(fā)盤管側(cè)溫度進(jìn)行全面采集和整理，然后，確定出系統(tǒng)、完善的執(zhí)行化霜流程。最后，通過利用熱敏電阻3，對環(huán)境溫度進(jìn)行自動(dòng)化采集和模擬，并向恒溫室中心處設(shè)置相應(yīng)的溫度測點(diǎn)。在整個(gè)試驗(yàn)期間，還要根據(jù)系統(tǒng)性能評判指標(biāo)，通過利用系統(tǒng)性能值，對水箱初始水溫進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，使其達(dá)到15℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水箱設(shè)定溫度的影響

該試驗(yàn)對空氣源熱泵熱水器水箱所設(shè)置的溫度進(jìn)行全面測試，發(fā)現(xiàn)水箱設(shè)定溫度的變化，將會(huì)直接影響系統(tǒng)運(yùn)行性能。水箱設(shè)定溫度的影響測試結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，當(dāng)水箱溫度所設(shè)定的溫度不斷升高時(shí)，系統(tǒng)值呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。同時(shí)，當(dāng)水箱所設(shè)定的溫度達(dá)到60℃，系統(tǒng)運(yùn)行性能值降到最低。此外，當(dāng)環(huán)境溫度不斷升高時(shí)，曲線整體呈現(xiàn)出比較平坦的狀態(tài)。在水箱設(shè)定溫度整個(gè)變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行性能值始終保持在0.2~0.4。當(dāng)環(huán)境溫度不斷下降時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行性能值會(huì)呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，值變化范圍通常集中在0.7~1.5。當(dāng)值達(dá)到1.5時(shí)，說明系統(tǒng)運(yùn)行性能不佳，此時(shí)，需要派遣指定人員前來維修。

圖2 各種環(huán)境溫度Tn下水箱設(shè)定溫度對COP的影響

2.2 環(huán)境溫度的影響

通過模擬出不同的環(huán)境溫度，對空氣源熱泵熱水器的運(yùn)行性能進(jìn)行試驗(yàn)測試，得出如圖3所示的測試結(jié)果。從圖3中可以看出，在環(huán)境溫度的不斷變化下，系統(tǒng)值變化曲線可以劃分為三個(gè)區(qū)域：1）低溫區(qū)域。低溫區(qū)域通常為-5℃~5℃，在這一范圍內(nèi)變動(dòng)幅度較小，整體走勢比較平坦，并且當(dāng)值達(dá)到比較低的狀態(tài)時(shí)，難以保證其運(yùn)行效果。2）中溫區(qū)域。中溫區(qū)域范圍為5℃~30℃，在這一范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，變化幅度較大，達(dá)到2.5以上，這表明當(dāng)環(huán)境溫度處于中溫區(qū)域時(shí)，對影響比較顯著，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到30℃時(shí)，空氣源熱泵熱水器達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。3）高溫區(qū)域。高溫區(qū)域范圍集中在30℃以上，在這一范圍內(nèi)，值呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，同時(shí)，下降幅度達(dá)到1，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到35℃時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率較低，這一測試結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用完全不符，出現(xiàn)以上問題的根本原因是該熱水器無法與高溫區(qū)域系統(tǒng)進(jìn)行有效匹配，導(dǎo)致系統(tǒng)熱負(fù)荷過高，造成整個(gè)系統(tǒng)無法可靠、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

圖3 各種水箱設(shè)定溫度Tset下水箱設(shè)定溫度下環(huán)境溫度對COP的影響

2.3 結(jié)果分析

通過分析以上試驗(yàn)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水箱設(shè)定溫度不斷上升時(shí)，空氣源熱泵熱水器運(yùn)行性能處于不斷下降的狀態(tài)。同時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到最低時(shí)，這種影響程度越來越明顯。根據(jù)環(huán)境溫度對系統(tǒng)的影響程度，將環(huán)境溫度劃分為以下三個(gè)區(qū)域，分別是高溫區(qū)域、中溫區(qū)域和低溫區(qū)域。其中，中溫區(qū)域環(huán)境溫度一旦出現(xiàn)明顯變化，會(huì)對該熱水器運(yùn)行性能造成顯著的影響，同時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到30℃時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，為操作人員開展相關(guān)作業(yè)提供了極大的便利。由此可見，為了進(jìn)一步提高該熱水器的運(yùn)行性能，確保系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，技術(shù)人員除了要做好對中溫區(qū)域環(huán)境溫度的控制外，還要將環(huán)境溫度設(shè)置為30℃。

3 試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對以上試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)期間，將“上海地區(qū)”設(shè)置為試驗(yàn)場地，并繪制出上海地區(qū)的四季平均氣溫資料（見表1），從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，上海地區(qū)的晝夜溫差往往比較顯著，一年四季平均氣溫主要集中在4.9℃~26.4℃。另外，還要采用多模式流程控制方式，對以上試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)自己實(shí)際使用需求，在充分結(jié)合季節(jié)變化情況的基礎(chǔ)上，對以下四種工作模式進(jìn)行選擇。1）午間模式。熱泵系統(tǒng)具有一定的高效性，在午間時(shí)段內(nèi)，需要對該系統(tǒng)進(jìn)行加熱處理，在其他時(shí)段內(nèi)，可以采用保溫方式，維持該系統(tǒng)的恒定溫度。此外，由于全天環(huán)境溫度峰值通常集中出現(xiàn)在午后至傍晚這一時(shí)間段內(nèi)，所以，對其進(jìn)行加熱處理，可以最大限度地提高系統(tǒng)值。2）谷電模式。為降低經(jīng)濟(jì)成本，需要在谷電差價(jià)時(shí)段內(nèi)，對該系統(tǒng)進(jìn)行加熱處理，在其他時(shí)段內(nèi)，采用相應(yīng)的保溫措施，盡管值出現(xiàn)大幅度下降現(xiàn)象，但是，由于電費(fèi)為半價(jià)狀態(tài)，系統(tǒng)總體運(yùn)行費(fèi)用較低，從而起到節(jié)約費(fèi)用成本的作用。3）谷電加午間模式。該模式主要適用于那些早上、晚上熱水用量較大的用戶，極大地滿足了用戶的用電需求。4）正常模式和即時(shí)加熱模式。為了保證空氣源熱泵熱水器使用的舒適性和可控性，用戶要根據(jù)自身的實(shí)際需求，對加熱啟停時(shí)間進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，或者，根據(jù)實(shí)際需求，采用臨時(shí)加熱的方式進(jìn)行短時(shí)間加熱處理，以保證熱水器整體加熱的均勻性。

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合上海氣候特征發(fā)現(xiàn)：當(dāng)春季環(huán)境溫度和秋季環(huán)境溫度處于中溫區(qū)域時(shí)，一旦環(huán)境溫度出現(xiàn)變化，系統(tǒng)值會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變化趨勢，這表明晝夜環(huán)境溫差對該熱水器的運(yùn)行性能影響較大，因此，要優(yōu)先選用午間模式，將水箱設(shè)定溫度范圍設(shè)置為52℃~56℃，在該范圍內(nèi)節(jié)能效果較好。當(dāng)用戶熱水用量比較大時(shí)，可以將午間模式與谷電模式進(jìn)行充分結(jié)合。夏季，環(huán)境溫度普遍高于如表1所示的溫度，在高溫環(huán)境下，難以保證系統(tǒng)運(yùn)行性能，此時(shí)，需要優(yōu)先選用谷電模式，有效優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行性能，另外，由于水箱設(shè)置溫度并不會(huì)對系統(tǒng)運(yùn)行性能產(chǎn)生直接影響，因此，可以將水箱設(shè)定溫度控制為56℃~60℃，如果用戶熱水用量變得越來越大時(shí)，需要將谷電模式和即時(shí)加熱模式進(jìn)行充分結(jié)合，以滿足用戶龐大的用電需求。在冬季，一旦室外環(huán)境溫度高于10℃以上時(shí)，系統(tǒng)值比夜間溫度多出0.6℃左右。此時(shí)，需要采用午間模式，以保證最終的節(jié)能效果，從而取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，在冬季環(huán)境下，水箱所設(shè)定的溫度會(huì)對系統(tǒng)的整體工作效率產(chǎn)生顯著的影響，當(dāng)水箱所設(shè)定的溫度為48℃~52℃時(shí)，用戶熱水用量往往比較多，此時(shí)，需要將午間模式與谷電模式進(jìn)行充分結(jié)合，避免出現(xiàn)用戶用水量供不應(yīng)求的現(xiàn)象。

表1 上海地區(qū)的四季平均氣溫℃

4 經(jīng)濟(jì)性分析

“以上海試驗(yàn)場地”為例，通過采用優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案，全面分析空氣源熱泵熱水器的經(jīng)濟(jì)效益，得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表2），從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案實(shí)施后，在不同季節(jié)下，空氣源熱泵熱水器均取得良好的節(jié)能效果。與以前熱水器能耗相比，全年實(shí)際能耗節(jié)省量達(dá)到了30%，其中，春秋季運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省17.7%；夏季運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省50.0%、冬季運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省51.0%，與優(yōu)化前相比，全年運(yùn)行費(fèi)用較低，僅為460元，節(jié)省60.3%，這表明該文所提出的空氣源熱水器季節(jié)性能設(shè)計(jì)方案具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行前后的經(jīng)濟(jì)性比較

在常規(guī)模式下，當(dāng)水箱所設(shè)定溫度達(dá)到60℃時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。通過計(jì)算加熱量與系統(tǒng)熱效率之間的比值，可以精確地得出系統(tǒng)的實(shí)際能耗，如果每日用水量為200L，水箱水溫會(huì)不斷上升，由之前的15℃上升至55℃；單季總天數(shù)統(tǒng)一控制為90天。另外，上海地區(qū)電價(jià)和谷電電價(jià)通常被設(shè)置為0.61元/kW·h、0.30元/kW·h。由此可見，經(jīng)過優(yōu)化后的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，可以有效地降低用電成本，取得良好的節(jié)能效益，這表明該系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景，值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

5 結(jié)語

綜上所述，該試驗(yàn)所得到的結(jié)論如下：1）當(dāng)水箱所設(shè)置的溫度不斷升高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響空氣源熱泵熱水器運(yùn)行性能，同時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢時(shí)，水箱所設(shè)置的溫度對的影響程度越來越大。2） 對環(huán)境溫度來說，其值變化對的影響產(chǎn)生一定的分區(qū)作用。中溫區(qū)域溫度為30℃~150℃時(shí)，一旦環(huán)境溫度出現(xiàn)明顯變化，會(huì)對空氣源熱泵熱水器效率產(chǎn)生明顯的影響，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到30℃時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行性能將會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)。3）根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果，多模式流程控制方案的應(yīng)用，除了可以提高系統(tǒng)能效比外，還能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，因此，該文所提出的控制方案具有較高的應(yīng)用價(jià)值。對空氣源熱泵熱水器來說，在春秋季、夏季、冬季不同季節(jié)下所表現(xiàn)出的運(yùn)行性能均存在一定的差異，為此，相關(guān)人員要對該熱水器在不同季節(jié)下的運(yùn)行性能進(jìn)行試驗(yàn)，然后，分別測定和評估設(shè)定溫度和環(huán)境溫度對系統(tǒng)工作效率產(chǎn)生的影響程度，然后，制定出一套系統(tǒng)、完善的優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，該方案主要用于自動(dòng)化、智能化、高效化地控制空氣源熱泵熱水器的運(yùn)行，為最大限度地提高系統(tǒng)全年運(yùn)行能效比打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。