分享學習微通道換熱器用于空氣源熱泵熱水器橫式一體機的實驗研究

  摘要：本文對一臺80L熱泵熱水器橫式一體機進行了動態實驗研究，設計了4組實驗方案以驗證不同蒸發器和冷凝器對整機性能的影響。結果表明：在材料成本持平的情況下，用16mm扁管代替原機25mm扁管冷凝器，可以有效的提高整機能效，加快熱水加熱速度;對應蒸發器，用微通道替代原機銅管翅片，同等性能情況下，能夠降低成本及重量。

  0 引言

  空氣源熱泵熱水器利用熱泵制熱的“逆卡諾”制冷循環原理，將空氣中低溫位熱量轉移至待加熱的水中，使水溫升高[1]。在家用熱水器領域，逐漸取代了一部分電加熱式熱水器及燃氣熱水器。

  由于電加熱儲水式熱水器目前仍是家用熱水器主流產品，每年千萬臺以上規模，而純電加熱式熱水器，盡管安全性已隨技術升級而基本得到確保，但電熱轉換效率僅95%左右，因此用熱泵加熱方式替代電加熱用于家用壁掛式電熱水器[2]，成為近年來家電節能技術方向之一。本文主要介紹在上述類型熱泵熱水器中，以微通道換熱器替代傳統銅管翅片蒸發器，并優化微通道冷凝器，從而提高能效及加熱速度，降低成本及重量。

  1 系統簡介

  熱泵熱水器一體機由空氣源熱泵系統和水箱構成，相對于傳統的電熱水器，增加了冷媒系統，系統原理圖如圖1所示。由于家用壁掛式安裝承重限制及外觀要求，通常外形與傳統電熱水器相同，如圖2所示。

  2 換熱器規格對比

  試驗樣機為國產品牌熱泵熱水器橫式一體機，制冷劑為R134a，水箱標稱容積80L，原機蒸發器為傳統銅管翅片換熱器，冷凝器為微通道扁管包覆搪瓷內膽外壁面的結構。

  本文蒸發器如圖3所示，采用微通道換熱器替代原機銅管翅片換熱器，可以有效降低重量和成本;冷凝器如圖4所示采用新型微通道扁管，并優化了與內膽外壁面的接觸面積，成本持平的情況下增加了約30%的換熱面積。表1及圖5表示了蒸發器和冷凝器的規格及重量對比。

  3 實驗測試方案

  按照國標GB29541-2013加熱方式分類，屬于普通靜態加熱式[4]，且一體機用于室內工況，不涉及低溫結霜問題，測試評價方法及工況如表2。

  熱泵系統制熱量(不含輔助電加熱)計算按GB23137-2008中6.3.2.3方法，功率按6.4計算方法[3]，最終能效比按如下公式計算：

  本文為了更好的評價替代方案的蒸發器和冷凝器的性能，進行了四組不同換熱器組合的實驗，詳細的實驗方案如表3所示。

  4 實驗結果分析

  四種方案均是在環境溫度20/15的標況下，將水從15℃加熱到55℃時停止測試。

  圖6和圖7分別為四組不同方案，總COP隨水溫的變化情況以及水溫從15℃加熱到55℃的整機能效數值。從圖中可以看出，COP隨著水溫的升高不斷降低，主要原因在于，隨著水溫的上升，高低壓壓比增大，壓縮機功耗增加，能力降低，COP從而不斷下降;

  對于同一個冷凝器，不同蒸發器COP隨水溫的變化基本保持一致，表明蒸發器微通道雙排16的替代方案與原機銅管翅片換熱器的能力相當;通過方案1與方案3，方案2和方案4的對比，冷凝器16mm扁管的替代方案能夠使原機的COP提高0.3左右，相當于整機能效等級提升1~2個等級。

  圖8為四組不同方案，水溫隨加熱時間的變化情況。四組方案水溫隨加熱時間的變化曲線在水溫加熱到35℃前基本吻合，水溫超過35℃后，16mm扁管冷凝器方案的水溫上升速度略快于原機。

  5 結論

  本文通過對四組換熱器組合方案的熱泵熱水器的動態加熱過程的實驗探究，得到了以下結論：

  (1)對于熱泵熱水器蒸發器而言，微通道換熱器與原機銅管翅片蒸發器能力基本一致，但重量更輕，材料成本較低，可以考慮替代銅管翅片用于熱泵熱水器橫式一體機蒸發器。

  (2)對于熱泵熱水器冷凝器而言，在成本基本不變的情況下，采用16mm扁管替代原機25mm扁管冷凝器，扁管之間間距更小，與儲水箱的貼合面積更大，能有效提高整機能效0.3左右，能效等級方面可以提升1~2個等級，加熱速度也略有加快。

  (3)本實驗側重于換熱器性能對比，對于冷凝器的絕熱采用手工包覆保溫材料方式，相比熱水器廠家發泡方式，有一定的漏熱，但不影響冷凝器的橫向對比，如果用于正式產品，能效值有進一步提升空間。

  參考文獻

  [1]陳東，陳繼紅.熱泵技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2006.

  [2]張華俊，陳偉，李勇.空氣源熱泵熱水器研究與發展前景[J].中國建設信息供熱制

  冷.2007(8)：11.13.

  [3]家用和類似用途熱泵熱水器[S].GB/T23137-2008.

  該論文榮獲2018中國熱泵行業年會優秀論文一等獎;作者：張海峰 趙登基 高強 單位：杭州三花微通道換熱器有限公司 題目：《微通道換熱器用于熱泵熱水器橫式一體機》