热泵热水器复合系统性能研究
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作者: 李阳
摘要：随着热泵热水器的广泛应用和对其系统性能方面的深入研究，开发复合系统的热泵热水器已经成为了发展的趋势，本文针对热泵热水器系统性能、空调复合系统和太阳能复合系统做一个简单的介绍。
关键词：热泵热水器复合系统性能研究
0 引言
随着热泵热水器得到广泛的应用，系统性能的研究和复合系统的研究已成为热泵热水器研究的重点。
1 热泵热水器系统性能的研究
对热泵热水器的系统性能研究，目前采用的主要手段是试验研究。热泵热水器的系统性能指标主要是COP，排气温度、排气压力和压力比是影响系统压缩机性能和安全性的重要因素，也是间接表征系统性能的重要参数。国内外的研究工作主要是影响系统性能的因素、提高系统性能的措施等。
热泵热水器系统性能的影响因素很多，首先是出水温度，出水温度控制热泵热水器的冷凝温度，使热泵系统的工况处于动态变化过程。热泵热水器的COP值随出水温度升高呈下降趋势，出水温度也是压缩机排气温度和排气压力的主要影响因素。其次是环境温度，特别是环境温度较低时系统性能受到影响很大，环境温度降低时，热泵热水器的COP随之降低，系统的排气温度增高高，压力比变大。另一方面，在一定的换热面积下，环境温度降低时传热温差降低，有利于改善热泵热水器系统的低温运行性能。对变频热泵热水器而言，除了这些因素外，压缩机频率、电子膨胀阀开度、出水流量等对其系统性能有很大影响。
虽然热泵热水器可以在环境温度-7~45℃之间工作，且热泵热水器全年的平均性能系数较高，但在低温工况下，系统性能急速下降，因此，研究提高热泵热水器系统低温运行性能也是一个热门课题。有学者运用各种方法来提高系统低温运行时的性能，如研究闪蒸器、经济器和喷气增焓涡旋压缩机在热泵热水器系统的应用，发现能够改善系统低温运行性能，但存在喷气口回流现象和除霜时可能回液等问题。还有人采取吸气喷液的方法，来降低排气温度，而系统的性能有所降低。为了提高热泵热水器系统低温运行性能，两级压缩技术的应用也能获得很好的效果，武文彬等通过实验研究两级压缩空气源热泵热水器系统，结果表明该系统COP在-20℃时能够保持在1.5左右。可见，目前虽有些方法用于提高热泵热水器在低温工况的性能，但效果不明显，还有待进一步研究。
2 热泵热水器复合系统方面的研究
目前，热泵热水器复合系统主要有热泵热水器与空调复合系统、热泵热水器与太阳能复合系统、热泵热水器空调太阳能复合系统、采用各种热能梯级利用技术的热泵热水器系统等。
2.1 空调复合系统热泵热水器
热泵热水器与空调复合系统是能够供热水、制冷的空调系统，同时利用空调的冷凝热来制取热水。从节能的角度分析，这种系统具有非常优越的节能特点，与常规空调相比，其综合能源利用系数最大能够提高85%，有学者设计出的热泵热水器与空调复合系统，其COP可达到6.0。类似的复合系统在香港地区进行应用，使得当地的能源消耗量降低了50%左右。可见此类系统有很大的发展空间。目前，空调器部件基本已经定型，只要对尺寸、管路等略作改动，合理设计系统结构，进行优化和匹配系统供暖、制冷、制热水的性能，就能保证此类产品的产业化。
2.2 太阳能复合系统热泵热水器
太阳能作为一种清洁的可再生能源，成为目前世界各国积极开发研究的对象。太阳能热水器可以直接制取70~80℃的热水，在我国某些地区如长江以南的省份，已经得到了很好的应用。将热泵系统与太阳能热水器系统结合起来，能够有效的提高热泵热水器的性能。目前，热泵热水器与太阳能复合系统主要有直膨式和非直膨式，非直膨式包括串联式、并联式、混合式，此类复合系统的耗电量为电辅助加热太阳能热水器的54%，节能50%左右，运行费用也是各种热水器中最低的。这种复合系统具有多样化的产品类型，应用范围大，比如家庭用复合系统，太阳能热水器部分采取阳台壁挂式，具有安装方便等特点。在热泵热水器系统中嵌入太阳能热水系统，能够提高整个系统的性能。酒店、宾馆、游泳池等热水用量较大的场所，采用太阳能与热泵复合系统，经过合理的设计，可以达到很好的节能效果。
2.3 空调、太阳能复合系统热泵热水器
热泵热水器空调太阳能复合系统是一种集合空调器、太阳能、热泵热水器的复合系统，这种复合系统拥有多种工作模式，目前国内已经有了此类系统的专利，其试验结果表明此系统的制热年均性能系数可以比热泵热水器与空调复合系统提高25%以上。
2.4 热能梯级利用技术复合系统热泵热水器
采用各种热能梯级利用技术的热泵热水器复合系统，主要有空调冷凝热回收、浴室洗浴废弃热水热量回收等热回收技术和蓄热技术等技术手段。热泵热水器和空调复合系统一般都是采用空调冷凝热回收技术。对废弃热水热量的回收也是很有效的一种热回收技术，如通过合理的管路设计，能够用来回收浴室淋浴的废热水的热量，提高热泵热水器的能效，达到更加节能的效果。L.T. Wong等在整楼中设计和应用此类回收淋浴废弃热水的热泵热水器系统，能够从淋浴水中回收4%~15%的热量，可见将此类系统推广到大型澡堂等用热水量大的场所，能大幅度的提高节能效果。
恰当的利用蓄热技术和电力谷峰差，也能够很好的提高热泵热水器系统的性能和经济性，李建新等利用相变材料和谷电来蓄热，进而制取热水，具有显著的节能效果。还有人提出将热泵热水器和电热水器结合起来，既能提供饮用热水，又能提供洗浴热水。
3 结语
上述各种技术的应用，为各种热泵热水器产品的多样化提供了技术基础，为推广和扩大热泵热水器的应用提供了很大的帮助。
参考文献：
[1]刘强，樊水冲，何珊.喷气增焓涡旋压缩机在空气源热泵热水器中的应用[J].流体机械，2008，36(9):68-72.
[2]武文彬，王伟，金苏敏等.两级压缩空气源热泵热水器实验研究[J].制冷学报，2009，30(1): 35-38.
[3]L.T.Wong，K.W.Mui，Y.Guan. Shower water heat recovery in high-rise residential building of Hong Kong[J].Applied Energy，2010，87:703-709.
[4]李建新，王永川，陈光明.相变储热预热式热泵热水器系统性能研究[J].太阳能学报，2008，29(10):1230-1234.
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