并联式太阳热泵热水器中热泵子系统性能

    1 　并联式太阳热泵热水器流程

    图1 显示了并联式太阳能热泵热水器两种典型流程安排,两种流程基本类似,都由太阳集热子系统和热泵加热子系统两部分组成。当太阳条件足够好时不需要开启热泵子系统而直接得到温度足够高的热水,当环境条件恶劣而导致水箱中的水不能达到要求温度时,热泵子系统工作并将水箱中的水加热到合适的温度。布置冷凝部件来加热水箱中的热水一般有两种不同方式,图1a 中将冷凝盘管直接放置在水箱中,而图1b 中使用一个循环水泵将水箱中的冷水泵入另外一个单独的热交换器与高温制冷工质换热,然后将升温后的热水泵回水箱。

    第一种方式类似于目前广泛采用的辅助电加热方式,只是用冷凝盘管来取代电加热棒,而第二种方式就是把目前类似的独立热泵热水器和独立太阳热水器结合起来。在第一种方式中,现有产品的水箱需要重新设计和制造,特别是不同于通电后高温的电加热棒,一般冷凝温度和水温温差不能过大,否则会很大程度上影响热泵系统的效率,而且冷凝盘管管外是自然对流方式,换热系数比较低,这样势必导致冷凝盘管的面积和体积十分大, 从而水箱的制造成本和体积也会上升,此外在该方式中冷凝盘管的通用性差,很难在市场上直接购得合适的产品,冷凝盘管在水箱上的进出口密封、长期浸泡在水中的可靠性等问题也较难解决。而第二种方式虽然引入了额外的热交换器和循环泵,但是对现在的太阳热水器变动小,甚至可以不进行任何变动,只需要在水箱合适的进出水管道上留出接口即可,故此总体成本和可靠性更高。

    在第二种方式中,当冷凝热交换器面积足够大时,循环水泵的水流量会影响到系统的总体性能。假设水箱中的初始温度为Twi 、加热终了温度为Twf 、蒸发温度为Te ,当循环水流量足够小时,从水箱来的冷水每次通过冷凝换热器后其温度会达到需要的终了温度,这样热泵的性能系数是稳定的,完全由温度Twi 、Twf和Te 决定。当循环的水流量较大时,每次从水箱来的低温水通过冷凝换热器后其温升很小,水箱中的水温逐渐升高,这样热泵开启初期,其性能系数较高,随着水箱温度升高,热泵的性能系数逐渐降低,直至水箱的温度达到终了温度。显然在该方式中热泵系统始终处于一种变动的工况下运行,普通热泵性能的评估方式已经不能适用,本文建立了一些相对合理的假设,就此进行模拟和研究。

    2 　基本假设及模型建立
 
    作为初步研究,本文对一些具体情况进行合理的假设,并以一个2t 的工程用太阳热泵模块为研究对方,建立了计算模型。基本的假设如下:

    1) 热泵和太阳能系统以图1b 中的第二种方式连接;

    2) 冷凝换热器面积足够大,这样在不同蒸发温度下都可以达到预期的出水温度;

    3) 因为工质过热度对换热影响很小,故在蒸发温度改变的情况下,保持过热度恒为25°;

    4) 过冷度虽然会对热泵的性能和换热量产生较大的影响,为了分析方便认为过冷度始终为0°;

    5) 由于冷凝换热器一般采用套管或板式换热器,因此认为在冷凝过程中水流和制冷工质顺流换热,同时考虑到换热面积足够大,假设水流出口温度最终达到冷凝温度,即忽略换热温差的影响;

    6) 模拟过程中不考虑流体流过管道、阀门以及其它部件时的压力损失;

    7) 水箱中的水温有稳定的分层温度效应,不考虑水箱中不同温度层中水相互之间的换热,即只有水箱中的水全部达到加热下一个温度下后,才进入下一个加热循环过程。

    如图2 所示,初始时水箱水温为Twi ,循环水泵将水箱中的水从底部打入冷凝换热器,第一次换热后,这些水的温度升高到Tw,1 并返回到水箱顶部,水泵继续工作,直至将水箱中的所有水都加热到Tw,1 ,从而完成一次加热循环。该过程中热泵系统的冷凝温度为Tc ,1 ,其T - S 图如图2 左下部所示,因为根据第5 条假设,这时冷凝温度和出水温度相同,即有Tw,1 = Tc ,1 ;然后,水泵继续将水箱中温度为Tw,1的水送入冷凝换热器进行第2 个换热循环,周而复始,在n - 1 次循环后, 水箱中的水温达到Tw, n - 1 , 然后进入最后一次循环,其T - S 图如图2 右下部所示,直至水温大于或等于设定的水箱终了温度Twf ,这样整
个加热过程完毕。从分析中可见,为了达到一定温度,加热过程需要经历多个循环过程,在整个过程中,冷凝温度逐渐提高,每个循环的出水温度也逐渐提高,根据热泵的工作特性,具体的冷凝温度是多少完全是由换热量和压缩机工作特性来决定,以下将建立整个过程中热泵工作模型。

    首先来考察第j 次循环中,如何确定冷凝温度。因为当压缩机选定后,压缩机的功耗和蒸发吸热量完全由蒸发温度和冷凝温度决定,具体参数可查阅压缩机生产厂家所给出的性能曲线,这样在第j 次循环中,加热量为:
    Qc.j = Qe.j(Te,Tc.j)+Wj(Te,Te.j) (1)

    第j 次循环中,热水需要吸收的热量为:
    Qw.j=Cp.w*mw(Tw.j-Tw.j-1) (2)

    显然,在第j 次循环中,热水吸热量应该和制冷剂放热量相同,即有:
    Qw.j=Qc.j (3)

    这样只要给定初始水箱温度Twi 、蒸发温度Te以及循环水泵流量就可以求出整个工作过程中的所有参数,例如最终水箱温度、实际循环COP、压缩机的总功耗等。

    3 　计算结果及分析

    选用谷轮公司ZR61KC 涡旋压缩机,工质为R22进行模拟计算,给定水箱初始温度为20 ℃,设定终了温度为50 ℃,蒸发温度为- 5 ℃,改变循环泵的流量进行计算,得到每次循环后排出冷凝换热器的出水温度如图3 所示。从图中可见,当循环水量较小时,每次通过热泵后水温上升幅度较大,而且由于温差较大,在最后一次出水前,水箱内的温度可能还没有达到设定温度Twf ,但是最后一次通过热泵后,导致水箱实际温度Tw, n 会远大于设定温度,这对热泵的工作十分不利。图4 是每次循环中热泵的性能系数COPj ,可见随着水箱中温度的升高,热泵性能系数逐渐下降。在图中规定了一个基准COP ,该基准值就是热泵在冷凝温度50 ℃下的COP ,这也是目前在估算将热泵加入太阳能系统后如何计算性能系数常用的方法,很显然,这种估算方法和实际情况有很大偏差,因为特别是随着循环水量的增加,热泵在大部分工作时间其性能系数总是大于基准COP。

    图5～图8 是改变蒸发温度以及改变循环水量的变化范围后,在完成整个加热过程中,热泵子系统各个参数的变化关系。从图5 中可见,在小循环流量、不同蒸发温度下,水箱中的实际终了温度都远大于设定的温度,这是因为小流量下,每次通过热泵后
水的升温很大。图6 是完成整个加热过程后,热泵子系统实际的性能系数随着循环水量的变化关系,显然当水量小时,实际的性能系数甚至会小于基准COP ,这是因为循环次数较少,而最后一次循环中冷凝温度很高,导致总性能系数下降很多,这从图7 中总功耗的变化关系可以看出来。图8 是完成加热总时间随着循环水量的变化关系,从图中可见,也是在小流量下,加热总时间大大延长,远大于电加热所需要的时间。

    随着循环泵水流量的加大,整个加热过程中各个参数趋于平稳,因为水流量加大后,通过热泵系统后水的温升比较小,因此水箱中实际的终了温度可以很接近于设定的终了温度,这样不会消耗大量无用的时间和功耗。在不考虑循环水泵功耗的情况下,很显然在大流量时,热泵实际的性能系数远大于目前评估所用的基准COP ,其实际消耗的压缩机功也小于评估所认为的基准功耗。当然,随着循环水量的增加,泵的排量也需要增加,这样泵的功耗和泵的成本也会大幅度上升,故此流量也并非越大越好。

    4 　结　论

    并联式太阳热泵热水器对现有产品的改动较小,可直接将热泵系统和太阳能系统耦合在一起,甚至可对现有的太阳热水器进行改装,从而最大程度上节约功耗,在各种天气条件下得到稳定的热水。在并联式太阳热泵热水器流程中设置一个单独的冷凝换热器无需对现在保温水箱进行变动,有利于简化设计和安装过程。但是鉴于在该系统中的热泵子系统工作时冷凝温度由循环水量和选用压缩机工作特性决定,热泵可能在完成整个加热过程中始终处于一种非稳定的工作方式,传统的评估方法很难预测热泵实际的工作性能系数,通过本文的分析计算发现,循环水量对总性能系数、压缩机功耗以及加热时间影响较大,当水流量较小时,实际水箱终了温度会远大于设定的温度值;当水量增加后,各个参数趋于平稳,考虑到流量会影响循环的成本和功耗,就本文所研究的2t 工程用太阳热水器而言,合适的循环流量在10m3Ph 左右。

    但是,考虑到本文在模型的建立过程中忽略了传热温差以及假设换热面积很大,而且蒸发温度是直接选取,而不是由环境温度计算得到的,故此计算结果和实际情况有一定的偏差,建立更完善的模型是今后研究的方向。

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