摘要:水源熱泵技術(shù)利用少量電能將地表水或地下水的低品位能量轉(zhuǎn)移至高品位，目前正成為節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).針對(duì)水源熱泵變冷凝參數(shù)的相關(guān)研究缺乏的現(xiàn)狀，通過(guò)搭建水源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究.在水流量Q為0.7～1.3 m3・h-1，進(jìn)水溫度t為15～30 ℃范圍內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)功耗、制熱量、制冷量、熱泵性能系數(shù)COP等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水流量為1.1 m3・h-1，進(jìn)水溫度為20 ℃時(shí)，COP達(dá)到最大值，系統(tǒng)平均熱泵性能系數(shù)COPave為3.23，此時(shí)系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行工況.由此可知，尋找系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況對(duì)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際工程應(yīng)用具有重要的意義.
關(guān)鍵詞：
水源熱泵熱水器； 進(jìn)水溫度； 水流量； 最佳運(yùn)行工況； COP
中圖分類號(hào)： TB 66文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A
國(guó)內(nèi)能源短缺日益嚴(yán)重已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大瓶頸，國(guó)家在重視能源節(jié)約和再利用的同時(shí)，也更加關(guān)注新技術(shù)的開(kāi)發(fā)與利用.水源熱泵技術(shù)利用少量熱能將地表水或地下水的低品位能量轉(zhuǎn)移至高品位熱能，因其節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，正被廣泛應(yīng)用[1-2].水源熱泵技術(shù)的研究主要包括地表或淺層水源（如地下水、河流和湖泊）熱泵和人工再生水源（工業(yè)廢水、廢氣）熱泵[3].
Yan等初步研究了不同的板片形式、制冷劑、流態(tài)對(duì)板式換熱器換熱效果的影響，分析了板式換熱器作為冷凝器或蒸發(fā)器應(yīng)用于地下水源熱泵系統(tǒng)中的特點(diǎn)[4-5].王芳通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真模擬研究發(fā)現(xiàn)，井水進(jìn)、出口溫差一定時(shí)，進(jìn)口溫度升高有助于提高地下水源熱泵系統(tǒng)COP；井水進(jìn)口溫度一定時(shí)，進(jìn)、出口溫差的升高將降低系統(tǒng)COP[6].朱禹實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)隨著蒸發(fā)器側(cè)水流量增大，熱泵系統(tǒng)COP升高[7].陳劍波研究表明，對(duì)R410a水源熱泵空調(diào)機(jī)組而言，進(jìn)水溫度升高時(shí)，在制熱工況下有利于提高系統(tǒng)COP，在制冷工況下將降低系統(tǒng)COP[8].
上述研究多集中在冷凝或蒸發(fā)參數(shù)基本保持不變時(shí)的實(shí)驗(yàn)研究和模擬分析，并未分析變冷凝參數(shù)工況下熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性.本文通過(guò)搭建水源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，冷凝器側(cè)參數(shù)不斷變化時(shí)，進(jìn)水溫度、水流量對(duì)COP、功耗、制熱量、制冷量的影響，從而得到水源熱泵熱水系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況，為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù).
1實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成
水源熱泵實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示.實(shí)驗(yàn)裝置主要包括兩個(gè)系統(tǒng)：熱泵系統(tǒng)和水系統(tǒng)，其中水系統(tǒng)又包括冷凍水系統(tǒng)（蒸發(fā)器側(cè)）和冷卻水系統(tǒng)（冷凝器側(cè)）.熱泵系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、熱力膨脹閥及其它輔助部件組成.
制冷劑與低溫?zé)嵩囱h(huán)水在蒸發(fā)器中進(jìn)行熱交換（蒸發(fā)吸熱），經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入冷凝器與蓄熱循環(huán)水進(jìn)行熱交換（冷凝放熱），過(guò)冷液體經(jīng)熱力膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器，完成一個(gè)循環(huán)，從而達(dá)到把能量從低品位轉(zhuǎn)移至高品位的目的.通過(guò)布置在系統(tǒng)流程中的9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)、4個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)和1個(gè)示功器，可及時(shí)了解制冷劑各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)、蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)、出口水溫及壓縮機(jī)功耗.本實(shí)驗(yàn)采用溫度可控的電加熱水箱模擬低溫?zé)嵩?
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
為研究低溫?zé)嵩磪?shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，實(shí)驗(yàn)分為定溫度變流量（進(jìn)水溫度t為20 ℃，水流量Q分別為0.9、1.1、1.3 m3・h-1）、定流量變溫度（Q為1.1 m3・h-1，t分別為15、20、25、30 ℃）和同時(shí)制冷、制熱運(yùn)行三大類.當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后（開(kāi)機(jī)約5 min），記錄系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)恒溫水箱溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止工作.
2.1不同水流量下系統(tǒng)功耗、COP隨時(shí)間的變化
圖2為進(jìn)水溫度為20 ℃時(shí)，不同水流量下功耗、COP隨運(yùn)行時(shí)間的變化.由圖2（a）可知，功耗隨運(yùn)行時(shí)間的增加而增加，且水流量越大，其增加速率越快；由圖2（b）可知：Q=0.9 m3・h-1時(shí)，系統(tǒng)平均熱泵系數(shù)COPave=3.17；Q=1.1 m3・h-1時(shí)，COPave=3.23；Q=1.3 m3・h-1時(shí)，COPave=3.13.COP隨水流量增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，Q=1.1 m3・h-1時(shí)，系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài).這是因?yàn)樵谶M(jìn)水溫度恒定時(shí)，隨著水流量增加，將導(dǎo)致蒸發(fā)器進(jìn)、出水溫差減小，制冷劑流量略有增加，系統(tǒng)制熱量、制冷量增加，功耗增加.Q≤1.1 m3・h-1時(shí)，功耗增加速率小于制熱量增加速率，COP增大；當(dāng)Q≥1.1 m3・h-1時(shí)，功耗增加速率大于制冷量增加速率，導(dǎo)致COP下降.
2.2不同進(jìn)水溫度下系統(tǒng)功耗、COP隨時(shí)間的變化
圖3為水流量Q=1.1 m3・h-1時(shí)，不同進(jìn)水溫度下，功耗、COP隨運(yùn)行時(shí)間的變化.由圖3（a）知，功耗隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加而增加，且低溫?zé)嵩催M(jìn)口水溫越高，增加速率增大.由圖3（b）可知：t=15 ℃時(shí)，COPave=3.16；t=20 ℃時(shí)，COPave=3.23；t=25 ℃時(shí)，COPave=3.10；t=30 ℃時(shí)，COPave=3.01.COP隨進(jìn)水溫度的升高，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，t=20 ℃時(shí)，系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài).這是因?yàn)榈蜏責(zé)嵩此髁亢愣〞r(shí)，隨著進(jìn)水溫度的升高，系統(tǒng)蒸發(fā)壓力升高，制冷劑流量增加，功耗增加，系統(tǒng)制熱量、制冷量增加.t≤20 ℃時(shí)，功耗增加速率小于制熱量增加速率，COP增加；t≥20 ℃時(shí)，功耗增加速率大于制熱量增加速率，COP下降.
2.3雙工況運(yùn)行時(shí)進(jìn)水溫度、功耗及COP隨時(shí)間的變化
雙工況運(yùn)行指系統(tǒng)在進(jìn)水溫度（蒸發(fā)溫度）連續(xù)下降，冷凝溫度連續(xù)升高的工況下運(yùn)行.圖4為雙工況運(yùn)行，水流量Q=0.7 m3・h-1，初始進(jìn)水溫度為24.5 ℃時(shí)，進(jìn)水溫度、功耗及COP隨運(yùn)行時(shí)間的變化.從圖中可知，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，進(jìn)水溫度不斷下降，功耗不斷升高，COP先增大后降低.在系統(tǒng)運(yùn)行初始階段，由于蒸發(fā)器出口制冷劑過(guò)熱度大，導(dǎo)致熱力膨脹閥開(kāi)度增大、制冷劑流量增加，繼而制冷量、壓縮機(jī)功耗、制熱量增加，且制熱量增加幅度大于壓縮機(jī)功耗增加幅度，COP升高；25 min后，由于進(jìn)水溫度降低，制冷量、制熱量減少，同時(shí)隨著冷凝器進(jìn)、出口水溫差的增加，冷凝溫度升高使壓比增大，壓縮機(jī)功耗略有增加，導(dǎo)致系統(tǒng)COP降低
