摘要：对现有的空气源热泵热水器系统部件提出了优化目标与方向，并进行相应计算和实验验证。通过分别对热泵工质充注量、冷凝盘管长度以及系统匹配问题的研究，结合实验结果证明了经过优化后，热泵热水器系统的性能COP显著提高，并且稳定性得到改善。
目前国内家用热水器市场的主要产品为燃气热水器、电热水器和太阳热水器。热泵热水器作为第4种热水器目前刚刚在市场上出现，与前3类热水器相比，热泵热水器具有节能、运费低、安全等优点，在生产家庭用热水方面有非常广阔的应用前景，是一种值得推广的新产品。空气源热泵热水器根据逆卡诺循环原理，从低温位的空气中吸收热量，通过热机做功，将热量输送到较高温度的热源．热水水箱中。系统每消耗一份电量，可以从环境中获得3—4份热量，因而实际获得4—5份热水温度下的热量，因此具有高效节能、绿色环保等优点，深受广大用户的喜爱。但就现有的空气源热泵热水器而言，各厂家无法达成统一，市场上机组和匹配水箱的型号参差不齐，使消费者容易形成选择的误区。这主要是由地区、生活习惯以及热水器全年运行工况的差异造成的。热泵热水器由室外机、水箱、连接管等组成。一些厂家的热泵主机(室外机)直接以空调外机替代，一台室外机和一个水箱即构成了一套热泵热水器系统。然而热泵热水器运行工况与空调的工况明显不同，其高温侧逐渐升温，而低温侧则随气温而变化。因此，必须对热泵热水器产品进行标准化。为了提高系统性能、降低产品成本、优化运行工况，应当从系统组成部件人手进行研究。实验发现，除压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀之外，充注量、水箱容量与机组的匹配也相当重要。本文对现有空气源热泵热水器系统部件提出优化并进行相应计算和实验验证。分别对充注量、冷凝盘管长度以及系统匹配问题加以讨论，由实验结果对比可见，其系统性能COP和经济性有显著提高，希望对热泵热水器今后的发展提供一些有价值的参考意见。
1 热泵热水器实验系统组成
热泵热水器实验系统运行时，液体工质从空气中吸热，在蒸发器中蒸发，然后经压缩机压缩成高温高压的蒸气，高压蒸气在冷凝器放热而凝结成液体从而加热水箱中的水，高压高温的液体经过毛细管或热力膨胀阀节流后成为低温低压的气液混合物，重新进入蒸发器中吸热蒸发从而完成一个循环。实验中由控制器设定启／停机温度和运行模式，水温升至设定温度后自动停机，水温降到一定温度时，则开机进行补温。本实验仅讨论一个加热过程中的参数变化情况，在加热开始前和结束后开启循环水泵，将水搅匀后得到初始和终了水温，在此基础上根据得热量与耗电量的比值算出COP。采用数据采集器和电脑可以记录水箱中水温，进、出水温度，空气温度，蒸发器温度，压缩机瞬时、累积功率等，自动记录的数据可以以文件形式保存在计算机中。由此可以观察水的温升情况、功率变化、用电量等参数值。
2 热泵工质充注量
在对热泵系统进行了打压检漏、抽真空后，就要加入热泵工质，显然过多或过少都不好。由于水的分层，冷凝盘管底部的热泵工质温度约等于水温，若热泵工质充注量过多，则压缩机负载加重，并且过量的热泵工质会占去冷凝器的一部分面积，使制热效率下降；若充注量过少，则压缩机进、回气压力偏低，热流密度变小，难以满足其额定的制热量。这两种情况均不能使热泵设备达到理想的工作状态，甚至会使温控器不动作，压缩机不停机。另外，冬、夏季的环境温度不同，热泵工质流量不同，系统性能COP及最佳充注量亦不同⋯，一般来说，夏季相对需求量多，冬季需求量少一些。这些都是热泵工质充注量难以确定的影响因素。为确定加热泵工质量常规的办法是“经验观察”，通过较长时间的观察压力表、压缩机电流、蒸发器凝露状况等来形成加多或加少的判断。但不借助于专业的定量流量设备，即使具备丰富实践经验的技工也难以确定较为准确的热泵工质量，尤其是检修后的机器难以发挥出良好的制热性能。实验中我们采用数字式氟利昂定量流量计，可从液晶屏上直接读出充灌的热泵工质量。应当注意的是，随着充注量的增加，COP会有所上升，但压缩机最大电流也随之增加，为了使压缩机保持在额定功率内，最大电流不宜超过3．8A。实验中，COP随充注量的变化量，在某一个值达到顶峰(见图2)。实验采用的热泵主机为750W，恒温室环境温度为25~C，采用150L水箱内置60m冷凝盘管，水箱中水的初始和终了温度分别为15和55~C。
理论上，由热泵热水器的热负荷、性能参数可以算出热泵工质流量，首先查物性手册得到流动的各项参数，再由热泵工质的进出口温度，通过仿真程序迭代，得到运行中所需的最佳充注量。整个系统中的热泵工质充注量等于各个设备中的充注量之和，即总充注量=(贮液器+液管+蒸发器+冷凝器)充注量。计算结果见表1，其中，冬、夏季和春秋季工况分别选定环境温度为 =一5、25和30℃ 。显然，各气候条件下的最佳充注量不同，但为了保证压缩机在夏季运行时不过载，实际运行操作中取冬季的充注量。
