曾森权
佛山市确正冷热设备有限公司
摘要：近年来，空气源热泵热水器在国内热水市场发展迅速，可以通过消耗一小部分电吸收空气中的热量产生热水，这与我国不断增长的节能需求相吻合，但目前，国内相关产品整体技术水平还不够成熟，对于热泵热水器的进一步发展也产生了负面影响，因此，应通过对空气源热泵热水器进行理论分析，力求提高机组运行的可靠性。本文简要介绍了空气源热泵热水器开发的重要性，并介绍不同热模式对空气源热泵热水器能效的影响，进而强调空气源热泵热水器的季节性能效。
关键词：空气源；热泵热水器；换热设计；优化设计
引言
空气源热泵热水器可以通过稳定运行条件实验和循环加热条件实验两种实验方法，在不同环境温度下进行分析，以获得单元热输出和功率消耗，进而加热效率。在稳定工况实验中，主要研究高温环境下风扇频率，并基于存储热水箱分析水箱内温度的分层现象，将实验结果与仿真模型计算结果进行比较，发现两者具有很好的一致性，在仿真软件应用下对空气源热泵热水器设计进行了优化，以缩短设计周期，在空气源热泵热水器使用中能够提供一定帮助。
一、空气源热泵热水器开发的重要性
由于热泵热水器国内市场刚刚起步，因此大多数国内公司，尤其是一些转型公司热泵热水器的设计水平仍处于模仿传统热泵机组的阶段，且由于从事热泵热水器研究人员相对较少，导致产品质量难以保证，实际加热效率令人担忧，因此，应通过提高空气源热泵热水器整体性能和设备稳定性基础上，使空气源热泵热水器具有更高的性价比。本文通过建立空气源热泵热水器的仿真模型，自行开发了仿真软件，在仿真软件开发中可以有效减少单元的设计时间，进而提高设计质量并降低生产成本，为产品设计提供一些有用的参考，以增强空气源热泵热水器的市场竞争力，并有助于建筑节能。同时，空气源热泵热水器由于自身具有内置吸热介质，因此会与外界有一定温差，制冷剂可以通过热水器压缩机工作，将制冷剂从汽化变为液化，然后释放热量[1]。与其他热水器相比，空气源热泵热水器尽管初期投资要多一些，但使用寿命很长，它的工作原理是把水或空气中的废热提供热量，从而起到环境加热的目的，这种模式比简单地使用天然气加热要好，还可以有效避免燃气热水器存在爆炸的隐患，不仅起到安装方便的作用，还可以避免人身伤亡。
二、空气源热泵热水器的季节能效与工作原理
2.1不同水箱温度的能效影响
经实验分析后可以发现对系统性能COP的影响，当水箱温度值出现升高后，COP值将相应降低[2]。在对不同水箱温度能效分析可以发现，当水箱温度设定为60℃时，系统COP值随着环境温度的下降而下降，但其下降的速度有不同：当环境温度相对较高时，COP值将缓慢降低，而当环境温度低时，COP值的下降速度会更快。当水箱温度设定为55℃时，系统COP值随着环境温度的下降速度较水箱温度设定在60℃时，明显减缓了。
2.2年度季节的能效影响
空气源热泵热水器在不同季节影响下，空气源热泵热水器能源效率影响是不同的，因此，可以通过空气源热泵热水器在不同温度下的实验，有效测试热水器的运行性能特点。
通过对空气源热泵热水器的实验可以发现，系统COP会随环境温度的变化而产生具有一定规律的变化，在低温环境下，COP变化相对较小，但COP本身非常低，导致工作效果相对较差；而在中等温度下，COP会显著上升，并且会在此区域内出现最大值，从而起到最适合热水器的工作温度。
2.3空气源热泵热水器工作原理
空气源热泵热水器在设置期间应考虑空气源热泵热水器的运行特性，由于其特殊性和关键问题，因此应完善水，空气，制冷剂及其他相关物性的计算程序，通过建立水箱主要部件的稳态分布参数模型，能够完善系统的稳态仿真计算软件，基于稳态工况实验和循环工况实验两个方面研究空气源热泵热水器的运行性能。具体工作原理则是通过控制环境温度，探索机组的热容量、功耗和压缩机性能的变化，通过研究可以发现，热水器单元加热效率会随着环境温度的升高而增加，在此期间，设备功耗不会随环境温度加热能力的提升而产生很大变化，但是当环境温度较低时，设备的功耗将增加，因此，当空气源热泵热水器在高温条件下运行时，应适当减少蒸发器的风量，从而在一定程度上减少单元的功耗并减少吸入过热，有利于提高单元的加热效率。空气源热泵热水器在高温环境下水的温度分层会更为明显，而将仿真计算结果与稳态实验数据进行比较后可以发现，各参数性能基本一致，而所使用的误差分析则是对一些差异较大的参数而进行的。
三、空气源热泵热水器的换热优化设计方案
空气源热泵热水器在不同热模式下会对能源效率产生一定影响。通过研究发现，环境温度对空气源热泵热水器的热量也会产生影响，当环境温度约为30℃时，系统中所有参与者表面运行系数非常好，但相同空气源热泵热水器在不同环境中使用，其运行性能系数也会是不同的，因此，不能采用单一的控制模式优化换热性能[3]。由于不同环境的变化，将导致空气源热泵热水器的整体运行性能系数不高，无法充分发挥空气源热泵热水器的节能效果，故厂商应根据不同的用户需求、典型季节特征和每日温度变化进行计数，通过多种模式过程控制系统的应用，可以允许用户有多种选择能力。其中第一种模式是每日的中午模式，这种模式下适合秋冬季过渡季节，因为这种季节性温差比较大，通常出现在一天中最高温度（正午时分），此时运行性能系数一般比夜晚高出0.5以上，客户可以在中午模式下进行类型控制，在此时间段添加热泵热水器温度，在其他时间段保持保温措施，从而有助于提高系统运行性能。同时，当空气源热泵热水器冬季节能模式下运行气温设置为16℃时，就可以发现水箱输出热水温度为55℃，因此，在冬季作业中，客户可以将水箱温度设置较低值，从而保证热损失小。在设计实际控制方案时，要单独设置一个冬季节能运行模式，即设定低水箱温度（45℃-48℃），以最大化优化整体系统性能[4]。
结束语
总之，空气源热泵热水器的换热优化设计应考虑实际环境进行改造，通过研究可以发现夏天环境温度及进水温度高，其制热效率高；冬天环境温度及进水温度低，其制热效率低，而当出现温度低的情况时，运营成本将变得更高。近年来，具有节能特性的空气源热泵热水器在国内市场发展迅速，由于空气源热泵热水器不是传统的风冷热泵，不论在夏天还是冬天都具有生活热水的需求，基于此，在自行开发小型空气源热泵热水器基础上，编写了机组的稳态仿真软件来完成相关实验研究。
参考文献
[1]方雷.直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器的集热器结构优化模拟研究[D].东南大学,2019,16(3):11-19.
[2]王栋,刘雅如,陈卓,等.将CO2,R170和R41应用于跨临界空气源热泵热水器系统的性能对比研究[J].化工学报,2020,71(1):51-56.
[3]李海军,苏之勇,营晨光,等.寒冷地区用空气源热泵热水器准双级压缩循环特性研究[J].热科学与技术,2020,62(4):313-319.
[4]王曙光,徐言生,王振宁,等.具有防霜功能的低温型空气源热泵热水器性能研究[J].制冷,2020,39(001):17-20.