分享学习微通道换热器用于空气源热泵热水器横式一体机的实验研究

  摘要：本文对一台80L热泵热水器横式一体机进行了动态实验研究，设计了4组实验方案以验证不同蒸发器和冷凝器对整机性能的影响。结果表明：在材料成本持平的情况下，用16mm扁管代替原机25mm扁管冷凝器，可以有效的提高整机能效，加快热水加热速度;对应蒸发器，用微通道替代原机铜管翅片，同等性能情况下，能够降低成本及重量。

  0 引言

  空气源热泵热水器利用热泵制热的“逆卡诺”制冷循环原理，将空气中低温位热量转移至待加热的水中，使水温升高[1]。在家用热水器领域，逐渐取代了一部分电加热式热水器及燃气热水器。

  由于电加热储水式热水器目前仍是家用热水器主流产品，每年千万台以上规模，而纯电加热式热水器，尽管安全性已随技术升级而基本得到确保，但电热转换效率仅95%左右，因此用热泵加热方式替代电加热用于家用壁挂式电热水器[2]，成为近年来家电节能技术方向之一。本文主要介绍在上述类型热泵热水器中，以微通道换热器替代传统铜管翅片蒸发器，并优化微通道冷凝器，从而提高能效及加热速度，降低成本及重量。

  1 系统简介

  热泵热水器一体机由空气源热泵系统和水箱构成，相对于传统的电热水器，增加了冷媒系统，系统原理图如图1所示。由于家用壁挂式安装承重限制及外观要求，通常外形与传统电热水器相同，如图2所示。

  2 换热器规格对比

  试验样机为国产品牌热泵热水器横式一体机，制冷剂为R134a，水箱标称容积80L，原机蒸发器为传统铜管翅片换热器，冷凝器为微通道扁管包覆搪瓷内胆外壁面的结构。

  本文蒸发器如图3所示，采用微通道换热器替代原机铜管翅片换热器，可以有效降低重量和成本;冷凝器如图4所示采用新型微通道扁管，并优化了与内胆外壁面的接触面积，成本持平的情况下增加了约30%的换热面积。表1及图5表示了蒸发器和冷凝器的规格及重量对比。

  3 实验测试方案

  按照国标GB29541-2013加热方式分类，属于普通静态加热式[4]，且一体机用于室内工况，不涉及低温结霜问题，测试评价方法及工况如表2。

  热泵系统制热量(不含辅助电加热)计算按GB23137-2008中6.3.2.3方法，功率按6.4计算方法[3]，最终能效比按如下公式计算：

  本文为了更好的评价替代方案的蒸发器和冷凝器的性能，进行了四组不同换热器组合的实验，详细的实验方案如表3所示。

  4 实验结果分析

  四种方案均是在环境温度20/15的标况下，将水从15℃加热到55℃时停止测试。

  图6和图7分别为四组不同方案，总COP随水温的变化情况以及水温从15℃加热到55℃的整机能效数值。从图中可以看出，COP随着水温的升高不断降低，主要原因在于，随着水温的上升，高低压压比增大，压缩机功耗增加，能力降低，COP从而不断下降;

  对于同一个冷凝器，不同蒸发器COP随水温的变化基本保持一致，表明蒸发器微通道双排16的替代方案与原机铜管翅片换热器的能力相当;通过方案1与方案3，方案2和方案4的对比，冷凝器16mm扁管的替代方案能够使原机的COP提高0.3左右，相当于整机能效等级提升1~2个等级。

  图8为四组不同方案，水温随加热时间的变化情况。四组方案水温随加热时间的变化曲线在水温加热到35℃前基本吻合，水温超过35℃后，16mm扁管冷凝器方案的水温上升速度略快于原机。

  5 结论

  本文通过对四组换热器组合方案的热泵热水器的动态加热过程的实验探究，得到了以下结论：

  (1)对于热泵热水器蒸发器而言，微通道换热器与原机铜管翅片蒸发器能力基本一致，但重量更轻，材料成本较低，可以考虑替代铜管翅片用于热泵热水器横式一体机蒸发器。

  (2)对于热泵热水器冷凝器而言，在成本基本不变的情况下，采用16mm扁管替代原机25mm扁管冷凝器，扁管之间间距更小，与储水箱的贴合面积更大，能有效提高整机能效0.3左右，能效等级方面可以提升1~2个等级，加热速度也略有加快。

  (3)本实验侧重于换热器性能对比，对于冷凝器的绝热采用手工包覆保温材料方式，相比热水器厂家发泡方式，有一定的漏热，但不影响冷凝器的横向对比，如果用于正式产品，能效值有进一步提升空间。

  参考文献

  [1]陈东，陈继红.热泵技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2006.

  [2]张华俊，陈伟，李勇.空气源热泵热水器研究与发展前景[J].中国建设信息供热制

  冷.2007(8)：11.13.

  [3]家用和类似用途热泵热水器[S].GB/T23137-2008.

  该论文荣获2018中国热泵行业年会优秀论文一等奖;作者：张海峰 赵登基 高强 单位：杭州三花微通道换热器有限公司 题目：《微通道换热器用于热泵热水器横式一体机》