分享學(xué)習微通道換熱器用于空氣源熱泵熱水器橫式一體機的實驗研究

  摘要：本文對一臺80L熱泵熱水器橫式一體機進行了動態(tài)實驗研究，設(shè)計了4組實驗方案以驗證不同蒸發(fā)器和冷凝器對整機性能的影響。結(jié)果表明：在材料成本持平的情況下，用16mm扁管代替原機25mm扁管冷凝器，可以有效的提高整機能效，加快熱水加熱速度;對應(yīng)蒸發(fā)器，用微通道替代原機銅管翅片，同等性能情況下，能夠降低成本及重量。

  0 引言

  空氣源熱泵熱水器利用熱泵制熱的“逆卡諾”制冷循環(huán)原理，將空氣中低溫位熱量轉(zhuǎn)移至待加熱的水中，使水溫升高[1]。在家用熱水器領(lǐng)域，逐漸取代了一部分電加熱式熱水器及燃氣熱水器。

  由于電加熱儲水式熱水器目前仍是家用熱水器主流產(chǎn)品，每年千萬臺以上規(guī)模，而純電加熱式熱水器，盡管安全性已隨技術(shù)升級而基本得到確保，但電熱轉(zhuǎn)換效率僅95%左右，因此用熱泵加熱方式替代電加熱用于家用壁掛式電熱水器[2]，成為近年來家電節(jié)能技術(shù)方向之一。本文主要介紹在上述類型熱泵熱水器中，以微通道換熱器替代傳統(tǒng)銅管翅片蒸發(fā)器，并優(yōu)化微通道冷凝器，從而提高能效及加熱速度，降低成本及重量。

  1 系統(tǒng)簡介

  熱泵熱水器一體機由空氣源熱泵系統(tǒng)和水箱構(gòu)成，相對于傳統(tǒng)的電熱水器，增加了冷媒系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。由于家用壁掛式安裝承重限制及外觀要求，通常外形與傳統(tǒng)電熱水器相同，如圖2所示。

  2 換熱器規(guī)格對比

  試驗樣機為國產(chǎn)品牌熱泵熱水器橫式一體機，制冷劑為R134a，水箱標稱容積80L，原機蒸發(fā)器為傳統(tǒng)銅管翅片換熱器，冷凝器為微通道扁管包覆搪瓷內(nèi)膽外壁面的結(jié)構(gòu)。

  本文蒸發(fā)器如圖3所示，采用微通道換熱器替代原機銅管翅片換熱器，可以有效降低重量和成本;冷凝器如圖4所示采用新型微通道扁管，并優(yōu)化了與內(nèi)膽外壁面的接觸面積，成本持平的情況下增加了約30%的換熱面積。表1及圖5表示了蒸發(fā)器和冷凝器的規(guī)格及重量對比。

  3 實驗測試方案

  按照國標GB29541-2013加熱方式分類，屬于普通靜態(tài)加熱式[4]，且一體機用于室內(nèi)工況，不涉及低溫結(jié)霜問題，測試評價方法及工況如表2。

  熱泵系統(tǒng)制熱量(不含輔助電加熱)計算按GB23137-2008中6.3.2.3方法，功率按6.4計算方法[3]，最終能效比按如下公式計算：

  本文為了更好的評價替代方案的蒸發(fā)器和冷凝器的性能，進行了四組不同換熱器組合的實驗，詳細的實驗方案如表3所示。

  4 實驗結(jié)果分析

  四種方案均是在環(huán)境溫度20/15的標況下，將水從15℃加熱到55℃時停止測試。

  圖6和圖7分別為四組不同方案，總COP隨水溫的變化情況以及水溫從15℃加熱到55℃的整機能效數(shù)值。從圖中可以看出，COP隨著水溫的升高不斷降低，主要原因在于，隨著水溫的上升，高低壓壓比增大，壓縮機功耗增加，能力降低，COP從而不斷下降;

  對于同一個冷凝器，不同蒸發(fā)器COP隨水溫的變化基本保持一致，表明蒸發(fā)器微通道雙排16的替代方案與原機銅管翅片換熱器的能力相當;通過方案1與方案3，方案2和方案4的對比，冷凝器16mm扁管的替代方案能夠使原機的COP提高0.3左右，相當于整機能效等級提升1~2個等級。

  圖8為四組不同方案，水溫隨加熱時間的變化情況。四組方案水溫隨加熱時間的變化曲線在水溫加熱到35℃前基本吻合，水溫超過35℃后，16mm扁管冷凝器方案的水溫上升速度略快于原機。

  5 結(jié)論

  本文通過對四組換熱器組合方案的熱泵熱水器的動態(tài)加熱過程的實驗探究，得到了以下結(jié)論：

  (1)對于熱泵熱水器蒸發(fā)器而言，微通道換熱器與原機銅管翅片蒸發(fā)器能力基本一致，但重量更輕，材料成本較低，可以考慮替代銅管翅片用于熱泵熱水器橫式一體機蒸發(fā)器。

  (2)對于熱泵熱水器冷凝器而言，在成本基本不變的情況下，采用16mm扁管替代原機25mm扁管冷凝器，扁管之間間距更小，與儲水箱的貼合面積更大，能有效提高整機能效0.3左右，能效等級方面可以提升1~2個等級，加熱速度也略有加快。

  (3)本實驗側(cè)重于換熱器性能對比，對于冷凝器的絕熱采用手工包覆保溫材料方式，相比熱水器廠家發(fā)泡方式，有一定的漏熱，但不影響冷凝器的橫向?qū)Ρ�，如果用于正式產(chǎn)品，能效值有進一步提升空間。

  參考文獻

  [1]陳東，陳繼紅.熱泵技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

  [2]張華俊，陳偉，李勇.空氣源熱泵熱水器研究與發(fā)展前景[J].中國建設(shè)信息供熱制

  冷.2007(8)：11.13.

  [3]家用和類似用途熱泵熱水器[S].GB/T23137-2008.

  該論文榮獲2018中國熱泵行業(yè)年會優(yōu)秀論文一等獎;作者：張海峰 趙登基 高強 單位：杭州三花微通道換熱器有限公司 題目：《微通道換熱器用于熱泵熱水器橫式一體機》