国内能源短缺日益严重已成为制约我国经济发展的一大瓶颈,国家在重视能源节约和再利用的同时,也更加关注新技术的开发与利用.水源热泵技术利用少量热能将地表水或地下水的低品位能量转移至高品位热能,因其节能环保的特点,正被广泛应用^{[1 , 2]}.水源热泵技术的研究主要包括地表或浅层水源(如地下水、河流和湖泊)热泵和人工再生水源(工业废水、废气)热泵^[3].

Yan等初步研究了不同的板片形式、制冷剂、流态对板式换热器换热效果的影响,分析了板式换热器作为冷凝器或蒸发器应用于地下水源热泵系统中的特点^{[4 , 5]}.王芳通过实验和仿真模拟研究发现,井水进、出口温差一定时,进口温度升高有助于提高地下水源热泵系统COP;井水进口温度一定时,进、出口温差的升高将降低系统COP^[6].朱禹实验研究发现随着蒸发器侧水流量增大,热泵系统COP升高^[7].陈剑波研究表明,对R410a水源热泵空调机组而言,进水温度升高时,在制热工况下有利于提高系统COP,在制冷工况下将降低系统COP^[8].

上述研究多集中在冷凝或蒸发参数基本保持不变时的实验研究和模拟分析,并未分析变冷凝参数工况下热泵系统运行特性.本文通过搭建水源热泵热水器实验台,研究系统运行过程中,冷凝器侧参数不断变化时,进水温度、水流量对COP、功耗、制热量、制冷量的影响,从而得到水源热泵热水系统的最佳运行工况,为后续实际应用提供参考依据. 1 实验原理及实验台组成

水源热泵实验装置原理如图 1所示.实验装置主要包括两个系统:热泵系统和水系统,其中水系统又包括冷冻水系统(蒸发器侧)和冷却水系统(冷凝器侧).热泵系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、热力膨胀阀及其它辅助部件组成.

图 1

Fig. 1

图 1 水源热泵热水器实验装置原理图 Fig.1 Schematic of test facility for the water source heat pump water heater

制冷剂与低温热源循环水在蒸发器中进行热交换(蒸发吸热),经压缩机压缩后进入冷凝器与蓄热循环水进行热交换(冷凝放热),过冷液体经热力膨胀阀进入蒸发器,完成一个循环,从而达到把能量从低品位转移至高品位的目的.通过布置在系统流程中的9个温度测点、4个压力测点和1个示功器,可及时了解制冷剂各点状态参数、蒸发器和冷凝器进、出口水温及压缩机功耗.本实验采用温度可控的电加热水箱模拟低温热源. 2 实验结果及分析

为研究低温热源参数对系统性能的影响,实验分为定温度变流量(进水温度t为20 ℃,水流量Q分别为0.9、1.1、1.3 m³·h^-1)、定流量变温度(Q为1.1 m³·h^-1,t分别为15、20、25、30 ℃)和同时制冷、制热运行三大类.当系统运行稳定后(开机约5 min),记录系统运行参数,当恒温水箱温度达到设定值时,停止工作. 2.1 不同水流量下系统功耗、COP随时间的变化

图 2为进水温度为20 ℃时,不同水流量下功耗、COP随运行时间的变化.由图 2(a)可知,功耗随运行时间的增加而增加,且水流量越大,其增加速率越快;由图 2(b)可知:Q=0.9 m³·h^-1时,系统平均热泵系数COP_ave=3.17;Q=1.1 m³·h^-1时,COP_ave=3.23;Q=1.3 m³·h^-1时,COP_ave=3.13.COP随水流量增大,呈现先增大后减小的趋势,Q=1.1 m³·h^-1时,系统处于最佳运行状态.这是因为在进水温度恒定时,随着水流量增加,将导致蒸发器进、出水温差减小,制冷剂流量略有增加,系统制热量、制冷量增加,功耗增加.Q≤1.1 m³·h^-1时,功耗增加速率小于制热量增加速率,COP增大;当Q≥1.1 m³·h^-1时,功耗增加速率大于制冷量增加速率,导致COP下降.

图 2

Fig. 2

图 2 不同水流量下功耗、COP随运行时间的变化 Fig.2 Dependence of power consumption and COP on running time at different inlet water flow

图 3为水流量Q=1.1 m³·h^-1时,不同进水温度下,功耗、COP随运行时间的变化.由图 3(a)知,功耗随系统运行时间的增加而增加,且低温热源进口水温越高,增加速率增大.由图 3(b)可知:t=15 ℃时,COP_ave=3.16;t=20 ℃时,COP_ave=3.23;t=25 ℃时,COP_ave=3.10;t=30 ℃时,COP_ave=3.01.COP随进水温度的升高,呈现先增大后减小的趋势,t=20 ℃时,系统处于最佳运行状态.这是因为低温热源水流量恒定时,随着进水温度的升高,系统蒸发压力升高,制冷剂流量增加,功耗增加,系统制热量、制冷量增加.t≤20 ℃时,功耗增加速率小于制热量增加速率,COP增加;t≥20 ℃时,功耗增加速率大于制热量增加速率,COP下降.

图 3

Fig. 3

图 3 不同进水温度下功耗、COP随运行时间的变化 Fig.3 Dependence of power consumption and COP on running time at different inlet water temperature

双工况运行指系统在进水温度(蒸发温度)连续下降，冷凝温度连续升高的工况下运行.图 4为双工况运行,水流量Q=0.7 m³·h^-1,初始进水温度为24.5 ℃时,进水温度、功耗及COP随运行时间的变化.从图中可知,随着系统的运行,进水温度不断下降,功耗不断升高,COP先增大后降低.在系统运行初始阶段,由于蒸发器出口制冷剂过热度大,导致热力膨胀阀开度增大、制冷剂流量增加,继而制冷量、压缩机功耗、制热量增加,且制热量增加幅度大于压缩机功耗增加幅度,COP升高;25 min后,由于进水温度降低,制冷量、制热量减少,同时随着冷凝器进、出口水温差的增加,冷凝温度升高使压比增大,压缩机功耗略有增加,导致系统COP降低.系统运行25 min时,进水温度在20 ℃左右,COP达到最大,也验证了进水温度为20 ℃时,系统处于最佳运行状态.

图 4

Fig. 4

图 4 双工况运行时进水温度、功耗、COP随运行时间的变化 Fig.4 Dependence of the heat-source temperature, power consumption and COP on running time

通过水源热泵热水器实验发现,低温热源水流量增大或进水温度升高,并不意味着系统性能一定会提高.在某临界工况点系统性能系数达到最大,尔后性能系数降低.本实验中,t=20 ℃、Q=1.1 m³·h^-1时,COP_ave=3.23,系统COP达最大值,处于最佳工作状态;Q=1.3 m³·h^-1、 COP_ave=3.13时,相对于最佳工况点,系统COP下降了3%;Q=1.1 m³·h^-1、t=30 ℃时,COP_ave=3.01,相对于最佳工况点,系统COP下降了7%.

研究表明,对于热泵系统而言,均存在最佳运行工况点.当水流量或进水温度小于该最优值时,压缩机功耗增加速率放缓,但制热量、制冷量增加的速率也将减缓,且减缓幅度将加大,甚至反而导致制热量、制冷量减小,系统COP均会下降;当水流量或进水温度大于该最优值时,压缩机耗功增加速率加快,制热量、制冷量也将增加但增加速率较小,也会导致系统COP降低,系统不节能甚至耗能的情况也有可能出现.因此必须深入了解热泵系统运行特性,从而更好地掌握热泵系统设计,为实际工程应用提供有效的参考依据.