使用电子膨胀阀的热泵热水器动态性能数值模拟与实验研究

　　热泵热水器系统在运行过程中冷凝压力不断升高，由于一年四季外界气温的变化，热泵热水器系统全年运行工况变化范围很大。目前广泛应用的毛细管很难适应这种大幅度的工况变化，导致系统制热量和COP降低。为了克服这个问题，许多学者提出了改善节流机构的方法。

　　孙涛[1]等人通过切换不同长度的毛细管来适应热泵热水器系统的工况变化，以提高了整个系统的制热量和COP，但由于系统中并联毛细管的个数有限，因此限制了该方法的应用。郭俊杰[2]、张良俊[3]等人对使用热力膨胀阀的热泵热水器系统性能进行了深入研究，发现在热泵热水器全年运行工况下，由于热力膨胀阀调节的敏感程度不同，造成了其对流量调节的局限性。电子膨胀阀因具有较宽的流量调节范围，能够适应系统运行工况的大幅变化，成为热泵热水器系统的最佳选择。Choi[4]对使用电子膨胀阀和毛细管的热泵系统特性进行了对比分析，结果表明：当运行工况变化范围较大，应用电子膨胀阀的热泵系统性能明显提高。目前，对电子膨胀阀在热泵热水器的应用及其优化控制的研究尚待深入。

　　对使用电子膨胀阀的热泵热水器在不同环境参数和不同电子膨胀阀开度条件下进行了数值模拟和实验研究，分析了不同电子膨胀阀开度对热泵热水器动态性能的影响，为通过调节电子膨胀阀开度以控制热泵热水器达到最佳性能打下基础。

　　1 实验样机和实验装置

　　1.1 实验样机

　　实验样机是由一台整体式热泵热水器改装而成，将其中的毛细管换成电子膨胀阀。蒸发器采用双向条缝翅片管式，几何参数如表1所示，轴流式风机额定风量为1000m3/h;压缩机为滚动转子式,额定功率为1080W，标准工况下的额定制冷量为3.245kW;水箱容积为0.1m3，实验中实际注水量为83kg，水箱中冷凝盘管由 9.52mm管径紫铜管盘绕而成，长度约为68m。

　　1.2 实验装置

　　实验在焓差法空调器性能实验台上进行，实验装置及热泵系统测点布置如图1所示。环境室内安装了一台空气处理机组，由计算机通过PID控制环境温度、湿度稳定在设定值。系统制冷量通过测量蒸发器进出口干、湿球温度以及风量来确定，蒸发器风机流量由变频风机控制，风量用标准喷嘴测量;热泵系统消耗功率由功率变送器测量。由于水箱中存在水温分层现象，因此在水箱中至上而下均匀布置了5个温度测点。铂电阻温度传感器精度为±0.1℃，制冷剂压力及压差变送器测量精度为±0.25%，功率变送器测量精度为±0.1%。

　　实验选定了环境温度为10℃、18℃和27℃，不同相对湿度的7个工况。对每个工况，在电子膨胀阀输入脉冲数为35、40、45、52、56及60共6个开度条件下，测试了热泵热水器的动态性能。所有工况水箱的初始水温为14℃。实验过程中，首先将室内环境温度、湿度调节到设定值，稳定后开启实验样机，每隔10秒采集一次数据，当水温达到50℃停机。