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上海志海制冷电器有限公司

家用空气能热水器的性能研究

  1 引言
  随着社会经济的发展和生活水平的提高,人们对生活热水的需求越来越大,生活热水器的百户拥有量已从1995 年的30.05 台增长至2011 年的89.14 台,其中,燃气热水器和电热水器占到应用总量的70%[1]。然而,大量采用价格较高的天然气和高品位的电能为主要能源制备热水显然是不经济、不科学的。特别是近年来随着部分地区气荒、电荒等问题的频繁出现,在建筑中应用节能高效技术提高能源利用效率已逐步受到居民的关注与重视。而空气源热泵热水器作为一种新兴的热水制备设备,仅需消耗少量电能,便可从空气中提取大量热量用于制备生活热水,具有稳定、节能等优点,近年来得到了大面积推广,其应用数量也呈现持续快速增长的态势。许多学者也开始对空气源热泵热水器的运行性能进行研究,并取得了诸多成果。裴刚在相同条件下对空气源热泵热水器的即热模式和循环加热模式进行对比,发现即热模式具有更好的运行性能,其平均COP 比循环模式高出24%[2]。王朝鑫在标准工况下对静态加热式空气源热泵热水器的运行性能进行了实验研究,研究表明其平均性能系数可达4.76[3]。冯百乐对空气源热泵热水器的节能效果进行了理论研究,并分析了其节能环保效益[4]。
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虽然诸多学者已对空气源热泵热水器进行了详尽的实验和理论研究,但是绝大多数研究均是在标准工况下进行的,即水箱温度从15℃加热至55℃的全过程,这显然是与实际运行工况不符的,难以客观描述空气源热泵热水器的实际运行效果。因此,为评估空气源热泵热水器的实际运行性能,本文选取佛山某家庭为对象,研究了在家庭使用中空气源热泵热水器的运行效果,对存在的问题进行了分析。
  2 空气源热泵热水器
  研究项目选取了佛山某家庭为对象,对一套处于正常使用中的空气源热泵热水器的运行性能进行了实测研究。该家庭共有三层,常用热水点两个,均位于二层卫生间,分别为洗脸盆和淋浴。该系统配置的闭式保温水箱容量为260L,空气源热泵热水器的额定制热量为5150W、额定功率1270W,标准工况下COP 约4.06。
  1 空气源热泵 ,2 水箱, 3 淋浴, 4 水龙头5 温度自计议 ,6 电量表
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  测试过程中,共设置温度测点4 个和电量测点1 个,空气源热泵热水器系统的测点布置如图1 所示。其中,采用型号为WZY-1 的温度自计议记录水箱和各用水点热水的温度数据;采用智能电量测试仪记录空气源热泵热水器的功耗数据,实验数据每分钟采集一次(由于热水器采用闭式水箱,实验过程中难以直接测量水箱内部温度,故采用热水供水管与水箱连接处的温度作为水箱温度)。
  3 实验研究与结果分析
  本文对空气源热泵热水器的运行参数进行了实测,并依据测试结果对空气源热泵热水器在实际使用中存在的问题进行了分析。其中,空气源热泵热水器的测试时间为2015 年4 月23 日11:00 至24 日13:00,环境平均温度约20℃。
  3.1 性能系数
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  如图2 所示为空气源热泵热水器的运行性能参数曲线。从图中可知,在实验期间,空气源热泵热水器启动3 次, 分别是23 日11:55 至12:30、23:05 至00:00 和24 日8:50 至9:20,受到环境温度波动及热水使用情况变化等因素的影响,热水加热时间在30~55 分钟波动。从热泵功耗来看,在加热过程中,热泵功率随水箱温度增加呈快速上升趋势,且由于热泵运行时水箱温度均处于较高温度区间,致使空气源热泵的逐时功率均高于设备标准工况下的额定功率,平均1566W,测试期间累计耗电量达3.27kWh。从水箱温度来看,由于空气源热泵热水器启动后采用循环加热模式运行,呈现出显著地双位调节的特点,促使水箱温度在49~56℃波动,长期维持在较高温度水平。从实际运行性能系数来看,测试期间空气源热泵热水器的平均COP 约1.94 左右,远高于电热水器的加热效率,具有一定的节能效果,但却低于标准工况下的COP。
 
  结合空气源热泵热水器水箱温度与COP 的变化规律,如图3 所示,可以看出造成实际测试中COP 偏低的主要原因是由于运行工况下水箱温度的差异引起的。标准工况下空气源热泵热水器是较为理想的水箱温度从15℃至55℃的加热过程,但这种工况仅在热水器初次使用和长期断电后再次启动的情况下才会出现,在应用过程中并不具有典型意义。而在实际工况中,空气源热泵热水器通常采用结构简单的双位调节模式,保证水箱温度长期处于50℃以上,而这个温度恰恰是热水器运行效率最低的阶段,导致空气源热泵热水器的实际COP 低于标准工况下的COP 的情况出现。此外,由于实际使用过程中空气源热泵热水器采用补水直接混水的工作模式,让低温水与高温水在水箱内直接混合,造成水箱热能品位整体下降,既浪费了大量耗电得来的高品位热能,又使低温水错过了热水器运行的高效区间,得不偿失。综上可见,采用“补水直接混水、双位调节控制”的工作模式是直接导致空气源热泵热水器“高效设备、低效运行”的主要原因,使空气源热泵热水器的性能优势未能充分发挥。
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  3.2 使用参数
  如图4 所示为用户热水使用过程中各热水用水点的温度曲线。可以看出,空气源热泵热水器的热水制备模式与家庭热水使用规律存在较大差异。一方面,家庭热水使用规律是非连续的、呈突变状态的,相邻两次用水间隔普遍在5 小时以上,而空气源热泵热水器在无法确定用户用水规律的情况下,只能采用连续运行模式,保证水箱温度在50~55℃之间波动,因而造成了在实际应用中大量高温热水长期处于闲置状态、未能及时使用等情况出现,致使热量在水箱储存过程中散失到周围环境,特别是在现阶段绝大部分保温水箱选型普遍偏大的情况下,这一问题更加凸显。另一方面,在家庭热水系统中,受到管道管径普遍较少、管段偏长且保温不佳等因素的影响,热水在输运过程中热量散失明显,水箱出水点至热水用水点间的温差可达4℃以上,再加之用户的间歇运行模式及洗手、做饭等单次热水用量较少等客观情况,致使管道中冷却的热水温度达不到使用要求被排放。
  4 结论
  (1)实验表明空气源热泵热水器具有良好的节能效果,测试期间平均COP 约1.94,远高于电热水器的工作效率。但是受到热水器补水模式、控制方式等因素的影响,空气源热泵热水器存在“高效设备、低效运行”的现象,性能优势未能充分发挥。(2)空气源热泵热水器的热水制备模式与家庭用户用水模式不一致,高温热水长期处于闲置状态,同时受管道管径、材料、长度及保温等因素的影响,热水在储存和输运过程中存在能源浪费现象。(3) 空气源热泵热水器的应用宜与实际使用情况相结合,因地制宜地设置运行模式和控制模式,才可以充分发挥设备节能高效的性能优势。
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