空气源热泵热水器性能试验研究

空气源热泵热水器性能试验研究

1制冷剂在热泵热泵供热中的应用近年来，建筑能量消耗比例增加，节能形式严格，热量应对，高效节能，安全系数高等优点，得到了迅速发展和普及。从节约能源和环保的观点来看,热泵热水器具有其独特的优点和市场前景。热泵热水器运行性能的好坏在一定程度上取决于制冷工质的特性,因此选择合适的制冷剂对于热泵热水器性能的提高相当重要。1987年9月《关于消耗臭氧层物质(ODS)的蒙特利尔议定书》于加拿大签约生效;议定书规定:发达国家2020年后禁止使用HCHC制冷剂,发展中国家于其后的十年禁用。目前,热泵热水器市场中,尽管R22属于HCFC类物质,但由于良好的热力性能,在我国仍广泛使用,因此探索替代制冷新工质的路还很漫长。我国有研究人员对制冷剂在热泵热水器中的应用做了一些研究,如陈嘉澍等对R22和R134a制热性能做了对比分析;曹锋等在变进水温度、变水量、变蒸发温度等工况下对R417a试验样机进行相关性能测试,桂秋静等对应用于热泵热水器的工质性能进行了对比研究,认为R22、R134a、R407C和R417a4种工质中R134a和R417a最具推广价值,但是结果还有待试验的进一步论证。本文将对同一台热泵热水器进行3种制冷工质的不同工况试验并进行分析。2r397aaR134a属于不完全卤化氟烃化合物(HFCs)制冷剂,按当前的国际协议可以长期使用,对金属的腐蚀性较小,稳定性好,不溶于水,由于不含亲油性基的氯原子,不能与矿物润滑油亲和,为了确保相溶性,须采用聚酯合成润滑油(POE油)或烷基苯润滑油(AB油)。R417a是由法国罗地亚Rhodia公司(该制冷剂业务现已被美国杜邦DuPont公司收购)研制,是一种近共沸混合工质。从表1中可以看到,R417a为HFC类物质,其ODP为0,而GWP,R417a比R22和其他替代物略高但总体属于中等范围。在20℃下,R417A的饱和压力为0.86MPa左右,比R22略低,高于R134a。在安全性方面,R417a为安全、低毒性、化学性质稳定的制冷剂。R417a在正常使用条件下,可与大多数冷冻压缩机油(PAG、POE、矿物油、合成冷冻油)和制冷系统的部件相适应。对钢、铸铁、黄铜、锡、铅锌、铝、密封橡胶、绝缘漆无腐蚀性。R22属于HCFCs制冷工质,化学性质稳定,广泛用于空调制冷装置。3种制冷工质的热力性能参数见表1。3试验设备和试验点的配置3.1被测样机装置试验在焓差测试台上完成,测试采用同一台空气源热泵热水器,由焓差测试台室外侧模拟不同环境工况,分别测试4个典型工况:-5℃,7℃/6℃(干球温度7℃,湿球温度6℃),20℃/15℃,43℃/26℃下被测样机充注不同制冷工质时的参数。试验样机主要部件如下:谷轮压缩机1台;板式换热器(水路与制冷剂管路逆流布置);热水箱;丹佛斯电子膨胀阀;旁通毛细管支路(电子膨胀阀节流能力不足时,开启节流旁通)。试验测试系统原理如图1所示。试验中,被测样机分别充注R134a、R417a、R22,将样机分别置于不同测试环境中,保持板式换热器进出水5℃温差,分别测试50℃/55℃(50℃进水,55℃出水)、55℃/60℃;60℃/65℃工况时,被测样机的各项参数变化。测试过程中,维持热水箱温度恒定,由冷冻水水阀、固态继电器电加热调节。试验测试系统主要由被测热泵热水器、三相功率表、流量计、恒温水箱、水泵、电动三通调节阀、铜球阀、PID调节表、数据采集仪、计算机、压力变送器、铂电阻温度计等组成。3.2机组充注量对系统运行的影响制冷剂充注量对制冷系统性能有较大的影响,在制冷系统运行工况和结构参数给定的情况下,存在着制冷剂的最佳充注量的问题。热泵热水器测试试验中,将热泵热水器机组置于室外标准工况20℃/15℃时,进行制冷剂最佳充注量匹配试验,具体过程如下:(1)热泵热水器机组抽真空,为保证系统运行安全、高效、稳定,抽真空至15Pa以下;(2)先充入一定量的制冷剂,根据参数据经验判断预充注量,试运行一段时间稳定后采集数据;(3)向机组中再充入100g制冷剂,试运行一段时间,稳定后采集数据;(4)重复(3)中的操作,根据实际工况调整补充制冷剂量;(5)不断增加充注量的试运行过程中,根据采集的数据拟合曲线,观察制热量、COP的变化趋势,一般是先升高后降低,中间有峰值。根据匹配测试中所得的曲线判断分析最佳充注量,在试验中发现:制冷剂的最大制热量、最大COP往往不是在同一充注量下获得,因此应根据实际测试需要,优化分析匹配,选择合适的充注量,对于热泵热水器机组性能至关重要。3.3在线监测、检测和测量参数控制试验测试中需要采集温度、压力等状态参数。温度采集点主要包括压缩机的进出口、板式换热器进出口、蒸发器进出口、环境温度。在压缩机进出口设置2支压力传感器,测量压缩机进出口压力。温度、压力等测量参数由数据采集仪采集和水流量计、功率表所测参数一并传送给计算机,通过VB编程的操作界面显示,计算得出制热量、样机COP、过热度等,并通过EXCEL形式表格输出保存数据。所有仪表、设备可以通过中央级计算机集中监控。3.4板式换热器t1衡量空气源热泵热水器的重要指标是COP,表示消耗单位电功量,所能获得的热量。COP=QW=cm(t1−t2)ΔpΔtCΟΡ=QW=cm(t1-t2)ΔpΔt式中Q——制热量,WW——输入功率,Wc——热水的定压比热,kJ/(kg·℃)m——热水的质量,kgt1——板式换热器出水水温,℃t2——板式换热器进水水温,℃Δp——单位时间内平均功率,kJ/sΔt——作用时间,s4制冷工质充注过程试验中分别测试室外环境温度为-5℃,7℃/6℃(干球温度7℃,湿球温度6℃),20℃/15℃,43℃/26℃时被测样机充注不同制冷工质时的参数。试验过程中,调节电子膨胀阀,使被测样机过热度保持5℃,待相应工况下测试系统稳定后采集数据。(图中环境温度指干球温度)4.13市场环境对系统输入功率的影响从图2可以看出,在50℃进水、55℃出水的工况时,随着室外环境温度的变化,3种制冷工质系统的吸排气温度变化趋势基本一致,吸气温度随环境温度的升高而增大,而排气温度随环境温度的升高而降低。3种制冷工质系统的吸气温度差别不大,而排气温度R22较高,在-5℃时最高达到了127℃,R134a、R417a排气温度差别不大,在-5℃时最高达到了90.6℃。由此可见R134a、R417a性能明显优于R22,更利于系统的安全运行。从图3可以看出,随着室外环境温度的变化,3种工质系统吸排气压力变化基本一致,随环境温度的升高而增大,吸气压力较排气压力变化明显。吸、排气压力R22>R417a>R134a,R417a和R134a明显优于R22,且R134a吸、排气压力随环境温度变化较小。图4反映了3种制冷工质系统的输入功率随室外环境温度的变化关系。从图中可以看出,3个制冷工质系统的压缩机输入功率的变化趋势基本一致。在环境温度变化过程中,R134a系统压缩的平均输入功率为2585.75W,R417a系统的平均输入功率为3410.5W,R22系统的平均输入功率为3714.5W。R134a系统与R22系统相比,平均输入功率下降了约30%,而R417a系统约下降了约8.2%,R134a、R417a有效降低了压缩机的负荷,利于热泵热水器机组的运行。图5反应了制热水时系统制热功率随环境温度的变化关系。由图可知R134a、R417a系统的制热功率都比R22系统的低,R134a的平均制热量为6858W,R417a的平均制热量为8736.75W,R22的平均制热量为9924.75W,R134a系统的平均制热功率相当于R22的70%,而R417a系统的平均制热功率相当于R22的88%。这主要是因为R417a是三元非共沸混合物,温度滑移约2.3℃左右,使得R417a的换热性能受到影响,特别是在核状沸腾条件下的气泡脱离阻力,使得R417a的换热系数比R22要低,从而导致总的制热功率比R22要低一些。图6为3种制冷工质系统随环境温度的变化关系。从图中可以看出3种制冷工质系统COP都是随着环境温度的升高而变大的,但在不同的室外环境温度区间内,COP变化有一定的差别。图中显示,在环境温度7℃以下时,制冷工质性能系数大小为R22>R417a>R134a;在7℃~20℃范围内,R417a比R134a,R22都小一些;而在20℃以上区域,R134a>R22>R417a,但总的来看,差别不大。R134a的平均性能系数约为2.67,R417a的平均性能系数约为2.56,R22的平均性能系数约为2.68,可见此时,R134a、R417a的COP略低于R22,说明了在热泵热水器加热50℃水时,定温差工况下(50℃/55℃),R417a效果不是很理想。4.23室外空气温度下的性能对比典型工况-5℃,7℃/6℃(7℃代表干球温度,6℃代表湿球温度),20℃/15℃,43℃/26℃时,由于R22排气温度、排气压力过高保护,使部分环境温度工况下,60℃进水定温差试验未能完成。对于R134a和R417a所有环境温度工况下都可以完成60℃进水5℃定温差试验。由图7可以看出,R134a、R417a系统的性能系数(COP)随着室外环境的温度的升高而变大,同时随着热泵热水器的冷凝器进水温度的升高而变小。R417a与R134a相比,优势在于7℃以下温度区间。在所测试室外环境温度工况下,R134a、R417a、R22系统的平均性能系数对比如表2所示。表中可以看出:在50℃进水时,R134a系统和R22系统的COP基本相等,比R417a大约0.1左右,但是受排气压力的限制,R22不能制取较高温度的热水。而由前面分析可知,R417a的平均制热量比R134a要高,在这方面要优于R134a。因此在替代R22工质的研究中,应结合实际具体分析,合理利用,才能发挥更大的节能空间。5供热系统性能对比(1)3种制冷工质系统进出水温差5℃,随着环境温度从-5℃变化到43℃的过程中,热泵热水器的排气温度是下降的,吸气温度是上升的,且R22系统的排气温度明显高于R134a系统和R417a系统。另外,3种工质系统吸排气压力变化基本一致,对于系统的吸、排气压力,R22>R417a>R134a,R417a和R134a明显优于R22,且R134a吸、排气压力随环境温度变化较小。这表明了R134a、R417a比R22更利于热泵热水器的安全可靠运行;(2)热泵热水器的制热功率随着环境温度的升高变化不大,而R134a、R417a系统来说,与R22系统相比,R134a系统的平均输入功率下降了约30%,而R417a系统下降了8%左右,有利于延长热泵热水器机组的使用寿命;(3)随着环境温度的升高,3种制冷工质系统的制热量都是变大的,且变化趋势一致。R134a、R417a系统的制热功率都比R22系统的低,R134a系统的平均制热功率仅相当于R22的70%,而R417a系统的平均制热功率相当于R22的88%,主要是受温度滑移的影响;(4)3种制冷工质系统COP都是随着环境温度的升高而变大的,且在不同的室外环境温度区间内,COP大小有一定的变化。7℃以下环境温度时,制冷工质性能系数大小为R22>R417a>R134a;在7~20℃范围内,R417a比R134a,R22都小一些;20℃