两级冷凝热泵热水系统的实验研究

    空气源热泵热水器是通过压缩机做功、吸收环境中的热量来制取热水的热泵装置，它以节能、环保等优势，已受到越来越多用户的青睐，众多厂家也纷纷投入到这一产品的生产研发中；另一方面，热水需求量也在持续增加，空气源热泵热水器的市场前景非常广阔[1-3]。

    然而，空气源热泵热水器与常规空调热泵不同，它具有运行工况范围宽、常年制热以及冷凝温度时变等特点；特别当机组运行在较高的水温时，不仅效率会有明显下降，还会有压缩机超负荷及压缩机排气温度过高等方面的隐患[4]。以目前热泵热水机组中使用最为广泛的循环工质R22为例，由于受冷凝压力的限制，为保证机组稳定运行，机组供水温度应在55℃以下[5]；而从卫生和健康的角度来看，生活用水又必须加热到一定的温度才能达到抑止细菌繁殖的目的[6]。特别对于空气源集中式热泵热水供应系统，机组长期工作在高、中温工作环境，针对这一矛盾，授权公告号为CN100374782C[7]的中国发明专利文献所公开的“一种空气能集中热水供应方法及装置”，该专利可在一定程度上使得热泵机组的运行条件得到改善，但随着水温的升高，机组还是不可避免地进入到高温工作区，因此还是存在供水温度受限等问题。也有一些学者对双级冷凝器空调热回收技术进行了相关研究，并将其应用到实际系统中[8-9]，但由于空调工况下冷凝热中显热部分的比例一般不高，如果要回收得到温度较高的热水，通常需将第一级冷凝器设计得较小，这时热水往往属于副产品，并且回收量十分有限。

    这里提出了一种单纯只提供热水的两级冷凝热泵热水系统以及相应的控制方式，实验表明，这一系统不仅能提高供水温度，还能显著改善机组在高温工作区的运行工况，从而使得机组运行更加可靠高效。

    1   实验装置介绍

    实验系统由压缩机、第一级冷凝器、第二级冷凝器、四通换向阀、热力膨胀阀、蒸发器、第一级水箱、第二级水箱、水泵和阀门等部件构成，温度、压力以及水流量的测点布置如图1所示。

    其中制冷剂采用R410a，充注量为1.7kg，压缩机为额定功率1900W的滚动转子式压缩机，第一级冷凝器和第二级冷凝器为套管式换热器，其名义制热量分别为7kW和9kW，蒸发器为风冷翅片式换热器，第一级水箱和第二级水箱均为开式保温水箱，温度传感器采用Pt1000，水流量计采用涡轮式流量传感器。实验的控制系统采用PLC控制，数据的记录则是由数据采集仪、综合电量表及计算机来完成。

    2   系统运行原理及控制方式

    两级冷凝热泵热水系统的工作原理为：系统工质按照逆卡诺循环，通过压缩机做功，从环境中吸收热量，再通过前后串联的第一级冷凝器和第二级冷凝器把热量分别输送到第一级水箱和第二级水箱中。通过导水的方式，使得在循环加热过程中，第一级水箱的水温始终高于第二级水箱的水温，并且第一级水箱吸收的是制冷剂侧温度较高的显热部分，因而能在第一级水箱中得到高温热水，同时第二级水箱较低的水温使得系统的冷凝压力较低，从而既提高了热泵热水机组的供水温度，又改善了机组的运行工况。