空气源热泵热水器水箱加热动态特征及对水温分布的影响.pdf

Articles论文118 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422空气源热泵热水器水箱加热动态特征及对水温分布的影响Dynamic characteristics of water tank heating of air source heat pump water heater and its infl uence on water temperature distribution杜顺祥1 黄娟1 康乐1 赵日晶2 黄东2DU Shunxiang1 HUANG Juan1 KANG Le1 ZHAO Rijing2 HUANG Dong21.青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101；2.西安交通大学制冷与低温工程系 陕西西安 7100491.Qingdao Economic and Technology Development Zone Haier Water Heater Co.,Ltd.Qingdao 266101;2.Department of Refrigeration&Cryogenic Engineering,Xian Jiaotong University Xian 710049摘 要：采用COMSOL Multiphysics 5.4软件对热泵热水器水箱加热过程进行动态模拟，实测冷凝器表面温度并进行拟合作为水箱加热输入条件，并基于水箱平均温度及传感器温度的实验与仿真对比验证了模拟的可靠性。结果表明近壁面水受热向上自然对流，在顶部对冲后转沿中轴线向下流动；底部水受铜管冷凝器加热后向上流动。两股水流汇合后折向两边流向水箱壁面，在水箱两侧均形成上、下两个环流区域，使水温在水平和竖直两个方向均存在非均布现象：竖直方向水温上高下低分层，上下温差36；水平方向水温由壁面到中心先急剧降低后缓慢上升，近壁面存在0.005 m的温度边界层，边界层内温降超过5。研究结果可为热泵热水器水箱加热性能提升提供理论参考。关键词：空气源热泵热水器；水箱加热；动态特性；水温分布Abstract:COMSOL Multiphysics 5.4 software was used to dynamically simulate the water tank heating process of the heat pump water heater.The measured temperature of the condenser was assumed to be the input parameter for the tank heating.The reliability of the simulation was verifi ed by comparing the average temperature of the water tank with the experimental values of the sensors.Results show that the water near the wall is heated and fl ows upwards by natural convection,then turns to fl ow downwards along the central axis after the topmost confl uence.The bottom water is heated by the copper tube condenser and fl ows upwards.After the two streams of water converge,they fl ow to either side of the tank wall,forming two circulation zones on either side of the tank,so that the water temperature is distributed in homogeneously in the horizontal and vertical directions.Along the vertical direction,the water temperature is higher on the top and lower at the bottom,and the temperature diff erence between the upper and lower is 36.The water temperature decreases sharply along the horizontal direction from the wall to the center and then rises slowly.There is a temperature boundary layer of 0.005 m near the wall,and the temperature in the boundary layer drops more than 5.The present work can serve as a theoretical reference for improving the heating performance of the heat pump water heater tank.Keywords:Air source heat pump water heater;Water tank heating;Dynamic characteristics;Water temperature distribution 中图分类号：TU83 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.03.0210 引言家用空气源热泵热水器主要由室外蒸发器、压缩机、室内水箱及盘管冷凝器、电子膨胀阀四大部件组成，以少量电能消耗为代价，大量吸收室外可再生能源-空气能，用于制取生活热水。因具有热水制取方便、能效比高、安全可靠等优点1-3，空气源热泵热水器已越来越作者简介：杜顺祥，硕士学位。研究方向：空气源热泵。地址：山东省青岛市崂山区海尔工业园。E-mail：。通讯作者：黄东，E-mail：d_。基金项目：国家自然科学基金（No.51876154）。受市场和用户青睐。随着全球能源形势的日趋紧张和我国“3060双碳目标”的提出，国家对于节能环保的家电产品越来越重视，也对空气源热泵热水器的发展提出了更高的要求4。目前，学者们对空气源热泵热水器能效特性的研究主要集中在制冷系统层面。王超等5搭建了空气源热泵热水器试验台，对蒸发器Articles论文 119家电科技 Vol.3 2023 Issue 422风机效率、压缩机压缩特性和电子膨胀阀等参数进行独立研究，根据不同工况优化系统参数，提升了系统制热COP。秦露雯等6实验研究了不同进口结构对热泵热水器释能过程性能影响，发现弧形挡板型进口结构在给定的三种进口流量下始终优于直接进口结构和侧进型进口结构，可实现热水输出率和系统COP双高效的运行效果。赵春雨等7总结了空气源热泵热水器换热器的研究进展，介绍了几类适用于太阳能-热泵耦合系统的新型蒸发器，并阐述了冷凝器类型及结构对其换热性能的影响。王家正等8研究发现：带闪发补气的家用空气源热泵热水器制热量和COP均大于单级压缩系统，且在低温环境下能效提升更大。Li和Hrnjak9构建耦合模型研究了空气源热泵热水器加热过程动态特性，该模型集成了蒸气压缩式制冷系统准静态模型和水箱流场仿真动态模型。Tangwe等10模拟对比了分体式和一体式空气源热泵热水器的全年运行特性，发现分体式空气源热泵热水器在夏季和冬季运行能效均大幅优于一体式。作者所在团队11前期全新设计开发了一款应用R290制冷剂的一体落地式热泵热水器，并从R290制冷剂特性、系统匹配、安全设计等几方面对设备进行了分析。本质上，空气源热泵热水器可以视作蒸汽压缩制冷系统与水箱加热部件的组合，水箱加热过程对其能力能效具有重要影响：一方面，水箱外部冷凝器与内部水的热量传递效率很大程度上决定了蒸汽压缩制冷系统冷凝端热量的利用水平；另一方面，水箱加热过程会导致冷凝温度持续上升，反过来又会影响蒸汽压缩制冷系统的性能发挥。现有文献对于空气源热泵热水器水箱加热过程的研究较为缺乏，本文以某款空气源热泵热水器为研究对象，针对水箱加热过程及温度场的动态特征进行仿真研究，探讨水温空间分布特征及形成机制，为空气源热泵热水器工作过程及性能提升提供理论参考。1 热泵水箱加热模型及仿真设置1.1 几何模型以某款空气源热泵热水器水箱为研究对象，使用COMSOL Multiphysics 5.4对水箱加热过程进行模拟研究。按照实际尺寸构建水箱及换热器几何模型：水箱材质为碳钢，半径0.2 m，高1.5 m，壁厚0.002 m，底部为半球形。冷凝器包括外壁微通道扁管及底部铜管两部分：微通道扁管共30根，每根宽0.025 m，环圈式紧贴水箱外壁，两端用集管连接，集管中心距离约0.15 m；整体分为上下两部分，上部10圈、下部20圈；底部为5圈螺旋铜管，铜管入口与微通道集管出口相连。为提高水箱加热模拟的收敛性及计算速度，将水箱任一高度截面简化为中心对称图形，并对几何进行两点简化：一是将微通道扁管两端集管取消，使扁管覆盖整个圆周，同时将扁管的宽度缩减为0.024 m，以作内容积补偿；二是将实物底部5圈螺旋圆管简化为5圈同心圆管（图1 b)），实际总管长度保持不变，管径为0.008 m，将水箱底部的半球结构改为平面结构。水箱及换热器的主要几何参数如表1所示。表1 水箱及换热器的主要参数部件参数水箱半径0.2 m，高1.5 m，壁厚0.2 m，碳钢侧壁冷凝器扁管宽度0.024 m，共30圈，铝底部冷凝器圆管外径0.008 m，共5圈，铜1.2 控制方程水箱加热过程需要考虑水作为流体受热后的自然对流过程及与管壁的传热过程，控制方程主要包括自然对流方程：（1）（2）（3）固体和流体的传热方程：（4）（5）仿真设置的初始条件为：箱内水温以及壳体温度均为15，水静止，温度均匀。由微通道及铜管冷凝器提供加热水的热量，根据试验数据拟合微通道冷凝温度随时间的变化曲线，如图2所示，作为水箱外壁的边界条件：（6）其中：t为运行时间，s；Tcond为冷凝温度，。计算结束的条件为：水箱内上下两个温度传感器实际位置处的 a)3D模型 b)剖面图 c)半径截面图1 简化后的热泵水箱模型Articles论文120 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422水温平均值达到55时模拟结束（论文实际在水箱加热结束后，又加热至9000 s整，用作完整分析），其中上传感器位于中轴线距顶部0.34 m，下传感器位于中轴线距顶部0.90 m。2 模型验证模拟过程水箱加热共持续8790 s，即146.5 min，实验室测试水箱加热过程共持续151.7 min，误差为3.5%。水箱加热过程中，上下两个温度测点的模拟值与试验值如图3所示，两者随时间的变化趋势较吻合。模拟的温度曲线略高于试验曲线，这是由于试验中上下两个温度传感器的温度分别为14.9、14.5，略低于模拟时水箱内15均匀水温的设定值。另外温度模拟曲线的上、下温差比试验曲线的上、下温差要稍小，这是由于试验时下半部冷凝器的温度实际略低于上半部，但模拟时冷凝温度取相同数值。此外，试验中温度点的数据略有波动。总体而言，加热时间和上下测点加热曲线的误差均在可接受范围内，从而验证了模拟的可靠性，后文的分析主要针对模拟结果展开。3 结果分析3.1 竖直方向水温分层图4所示为水箱加热过程各时间节点的水温云图，随着加热过程图4 水箱温度随时间变化的云图图2 冷凝温度的拟合曲线图3 水箱加热曲线的计算值与试验值对比Articles论文 121家电科技 Vol.3 2023 Issue 422的进行，水温由15缓慢升高，8790 s时升高至两个温度传感器位置的平均温度为55。由各时间节点的水箱温度分布可以看出，水温总体呈现上高下低的特征，在竖直方向上存在明显的分层现象。图5、图6为水箱加热过程中，顶部和底部水温及其温差随时间的变化曲线，其中顶部和底部水温分别选取水箱中轴线距离顶部和底部10 cm处的热水温度，以规避金属水箱材质可能带来的影响。如图5所示，随加热过程进行，水箱顶部温度平滑上升；而底部温度则出现一定程度的波动，这主要是由于水箱底部盘管加热给底部存水带来强烈的紊流和扰动，进而使底部水温呈现波动。此外，由于水受热后密度降低，受自然对流的影响，水箱顶部水温总是要高于底部。如图6所示，0 min时，因仿真假设初始水箱温度均匀，此时上下温差为0；而后随着加热过程的进行，上下温差波动，总体上先增加后降低，最后逐渐趋于不变，温差平均值稳定在36。3.2 水平方向水温非均匀分布图7为3600 s时下温度传感器高度水箱近壁面处局部温度分布云图，水箱近壁面处存在较大的温度梯度，紧贴壁面位置因冷凝器的加热作用水温较高；而远离壁面位置温度较低，并且离壁面一定距离后温度便趋于稳定，不再变化。图8为7200 s时下温度传感器高度水箱径向水温分布图，从壁面到中心处的水温先急剧降低后缓慢升高。贴壁位置水温最高，达到54左右；近壁面处水温度急剧下降，离壁面约0.005 m，温度降至最低48.7；远壁面处水温缓慢回升，至水箱中心位置处水温回升至约49。由此可见，水箱加热过程在内壁面附近存在温度边界层，边界层厚度较小（下温度传感器高度边界层厚度仅520 mm）；贴壁水温最高，边界层内水温急剧降低，边界层外水温稳定且变化幅度较小。3.3 水箱内流场分析由前文分析可知，水箱加热过程中水温在竖直和水平两个方向上均存在非均匀分布现象：竖直方向上，水受热升温后产生自然对流，水温总体呈现上高下低的分布特征；水平方向上，因近壁面处冷凝器局部加热，水温由壁面到中心先急剧降低后缓慢升高。水温的上述分布特征是由加热过程中水箱内的流场决定的，图9为9000 s时水箱内流场分布，图中红色箭头表示流动方向。以中轴线图6 水箱加热过程顶部和底部温差绝对值图5 水箱加热过程顶部和底部温度曲线图7 3600 s壁面局部温度图Articles论文122 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422模拟值与实验值相差3.5%，上、下传感器温度曲线模拟值与实验值也高度吻合；（2）加热过程因水受热自然对流作用，竖直方向存在温度分层现象，水温总体上高下低，上下温差为36；（3）因壁面冷凝器局部加热，水温由壁面到中心先急剧降低后缓慢上升，近壁面存在0.005 m的温度边界层，边界层内温降超过5；（4）近壁面水受微通道扁管冷凝器加热向上自然对流，在顶部对冲后转而向下流动；底部水受铜管冷凝器加热后向上流动。两股水流汇合后折向两边，流向水箱壁面，在水箱两侧均形成上、下两个环流区域，是上述水平和竖直方向水温非均匀分布的主要原因。参考文献1 李奉翠,房爱民.未来气象条件下空气源热泵热水器节能潜力J.煤气与热力,2022,42:33-35.2 朱玲玲.空气能热水器的推广与应用以川渝地区为例J.企业导报,2015(22):189,191.3 李曾婷.热泵热水器用压缩机标准有望年内发布,新增R32,R290要求J.电器,2022(07):52-53.4 张子祺,杨双,吴晓丽,等.GB/T 23137-2020家用和类似用途热泵热水器标准解读J.家电科技,2020(06):108-111.5 王超,陶乐仁,申玲,等.空气源热泵热水器试验台的设计J.流体机械,2016,44(08):65-68,82.6 秦露雯,杜明浩,沈立第,等.不同进口结构对热泵热水器释能过程性能实验研究J.制冷学报,2022,43(03):115-120,141.7 赵春雨,刘国强,应雨铮,等.空气源热泵热水器换热器的研究进展J.制冷与空调,2020,20(10):57-62.8 王家正,马国远,俞国新,等.带闪发补气的家用空气源热泵热水器实验研究J.制冷学报,2022,43(06):100-106.9 Li W,Hrnjak P.Experimentally validated model of heat pump water heater with a water tank in heating-up transientsJ.International Journal of Refrigeration,2018(88):420-431.10 Tangwe S L,Simon M.Comparison of the operation performance of split and integrated type air source heat pump water heater via modelling and simulationJ.Thermal Science and Engineering Progress,2018(08):355-36911 杜顺祥,杨磊,孙成龙,等.R290一体落地式热泵热水器的开发研究J.家电科技,2018(02):54-57.（责任编辑：张晏榕）为界，水箱左右两侧均存在上、下两个环形流动区域。贴壁处的水最先受热，由于自然对流作用向上流动；在水箱顶部汇合后，受静压作用沿中轴线往下流动；同时，底部位置的水因底部盘管的加热作用沿中轴线往上流动，两股水流在中轴线靠下位置相遇后折向两侧，分别流向水箱壁面，整体上形成了“贴壁处上流、中间下流、底部上流后分边”的流场分布。因此，水箱近壁面处温度先降至最低点后又升高。温度最低点位于贴壁处水上流与远壁面处水下流的分界点，形成所谓的“死区”，受热最弱，故温度较低。4 结论本文采用COMSOL软件，构建了空气源热泵热水器水箱及换热器模型，针对水箱加热动态特征及水温分布开展了模拟研究，结果表明：（1）实验结果验证了仿真的可靠性，由15加热至55的时间图8 7200 s下测点位置温度径向分布图9 9000 s速度云图