储水式与即热式地源热泵热水器性能的实验研究

2023年4月29日发(作者：硅藻泥十大品牌排行榜)

第卷第期

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年月

储水式与即热式地源热泵热水器性能的实验研究

Vol.29,No.3

June. 2008

文章编号：()

02534339200803002906

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储水式与即热式地源热泵热水器性能的实验研究

李舒宏 单 奎 张小松

(东南大学能源与环境学院南京)

210096

摘

要对目前各种形式的热水器作了经济性分析，分析结果表明土壤源热泵热水器是最节能的一种热水器，对一个全年

需要3.382×10 kJ的热量来生产热水的宾馆来讲，每年仅需要1.507×10 元的运行费用。对正在进行试验研究的土壤源热泵

95

热水器装置的基本原理和构成进行了介绍，并对其在热泵制热水的储水式和即热式两种工作模式的运行工况进行了实验研

究。储水式热泵的储水箱容积为63.6L，实验过程中热泵可以在14分钟内将26.3℃的自来水加热到45℃，在28分钟内加热到

60℃。即热式的性能稍低于储水式，加热同样质量的热水到45℃需要16.3分钟，到60℃需要29.4分钟。

关键词 热工学；地源热泵；热水器；经济性分析；实验研究

中图分类号：TB61; TU822

+

.2 文献标识码：A

Experiment Study on Performances of Ground Source Heat Pump

Storage and Instantaneous Water Heater

Li Shuhong Shan Kui Zhang Xiaosong

()

School of energy and environment, Southeast University, Nanjing, 210096, China

Abstract Economic analysis on different types of water heaters was performed. The results show that ground source heat pump

water heaters are most energy saving. The operating fare of a ground source heat pump is only 1.507×10 RMB/year for a restaurant

5

which needs 3.382×10 kJ for water heating. The principle and construction of the ground source heat pump water heater was

9

described, and the experiment of the two types of water heaters was conducted. The volume of the heat pump storage water heater

is 63.6L, and the heat pump can raise the water temperature from 26.3 to 45 in 14 minutes, and to 60 in 28 minutes. The

℃℃℃

performance of the instantaneous water heater is lower slightly. To heat the same amount of water, it needs 16.3 minutes to 45, and

℃

29.4 minutes to 60.

℃

Keywords Pyrolgy; Ground source heat pump; Water heater; Economy analysis; Experiment study

随着人类生产、生活水平的提高，越来越多热泵按其热源种类可以分为空气源热泵、水

的领域需要热水供应。例如：区域集中供热、温源热泵、地源热泵等等。地源热泵是其中一种节能

室、洗浴游泳、水产业、干燥等工农业生产过程型热泵，大地可以从太阳辐射中吸取热量。土壤又

[1]

有较强的“保温”性能，其温度变化没有空气剧。但是，目前能源相当紧缺，而传统的电加热或

烈，仅有一些季节性波动，10米以下的土壤温度可锅炉加热对能源的利用效率较低。因此，为寻求节

以看作是恒定的，大约在10~20℃之间(实验装置能的产品，越来越多的人开始把目光转向节能的热

[3]

的地埋管换热器在零负荷的情况下出水温度在16℃泵技术，利用热泵提供热水。按新国际制冷辞典

左右)。地源热泵的基本思想就是利用土壤中温度(New International Dictionary of Refrigeration)的定

稳定的特点，设置地埋管换热器吸收土壤中的热义，热泵(Heat Pump)(蒸汽压缩式)就是利用冷凝

量，再利用高品位的能源(电能)将其提高温度后供

生产生活使用。它是一种高效节能、环保无污染的

技术。

地源热泵最早由瑞士的左伊利(Heinrich

Zoelly)在1912年提出

[3]

，每次能源危机都促进了其可供生产生活利用的能量。在工作原理上热泵就比

发展，二次大战后的第一次发展形成了基本理论，电热水器或锅炉更节能，与此同时还可以达到减少

上世纪七十年代的能源危机促使地源热泵有了新的环境污染的目的。

器放出的热量来供热的制冷系统。事实上，从热力

学和工作原理上来讲热泵(蒸汽压缩式)就是制冷机

[2]

，只不过是用途和工作温度区间不同。热泵利用

电能或其他高品位能源将低温热源提高温度后变成

收稿日期：2007年12月6日

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发展，为商业化和大规模的推广应用作了准备。第

三阶段，上世纪九十年代，地源热泵有了蓬勃的发

展，工程应用和研究报告不断涌现，机组容量范围，对地源热泵热水器作了初步的实验研究。但

很广，同时也出现了与其他热源结合的形式。在是，热泵热水器一般储水和即热两种形式，在热水

[4]

欧美日国家，地源热泵的工程自1995年起每年以用量大使用时间长的场合适合使用即热式热水器，

9.7%的速度增加。我国对土壤热源的利用从九十因此有必要对两种形式的热水器作进一步研究以期

[5]

年代开始起步，但是发展非常迅速。刚开始主要以望获得改进其性能的方法。

高校和研究院所的科研为主，以及与国外合作建设

试点项目。最近几年来，工程实例不断增加，并且

已经有了一定的规模。对地源热泵的研究也取得了

较好的成就。H. Zeng 对竖直埋管换热器的传热过

程进行了分析

[6]

，为竖直埋管换热器建立了有限长

线热源模型，Nairen Diao 研究了岩土内地下水横

向流动对地下埋管换热器换热性能的影响。杨卫

波对混合地源热泵进行了研究，徐玉党对其在长

江流域的应用前景作了分析。

[10]

[9]

[8]

[7]

[11][12]

目前专门针对地源热泵机组制造热水的研究

相对还较少，有人分析了地源热泵制热水的可行性

1

热水器的经济性分析

表1列出了各种热水器的能耗及经济性比较。

分析是建立在某宾馆全年需热量为3.382×10kJ的

9

假设基础之上。可以看出该宾馆使用各种热水器的

全年费用由高到低为：电热水器(高峰电)>液化气

>天然气>电热水器(低谷电)>城市煤气>空气源热

泵热水器>地源热泵热水器。

表各种热水器经济性分析

1

Tab.1 economic analysis of different water heater

2

试验装置的构成

图实验装置原理图及测点位置

1

Fig.1 Heat pump and measurement system

实验按图1所示原理进行，此装置可以对两种水式热泵热水器实验时，与冷凝器相连的贮水箱工

模式的热水器进行实验：储水式和即热式。在做储作，水泵为热水循环提供动力。做即热式热泵热水

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器实验时，自来水直接流经冷凝器然后排出热泵

机组。实验设备和测量仪器列在表2中，具体测点

的布置位置也标在图1中。主要测量参数有：蒸发

器、冷凝器两端的温度和压力，换热器内水流量，

压缩机功率和消耗电能。

表实验装置主要配置

2

Tab.2 Main confi gure of test plate

mt

为水箱中水的总质量；

0

为水箱中初始水

温；为计算截止时刻冷凝器出口水温；为水的比

tc

热容；为实验开始时，综合电参数仪YD3000的

E

0

电能读数；为计算截止时刻的电能读数。

E

2)系统瞬时能效比的计算方法，为减少

EER'

测量过程中产生的误差，取每分钟的平均值作为中

间时刻的计算结果。

mc

为每分钟内流经冷凝器的水的质量；为水

的比热容；为每分钟内热水进出冷凝器平均温

差；为每分钟内系统的耗电量。

3

实验结果分析

3.1

储水式热泵热水器试验分析

实验过程中保持冷凝器和蒸发器中的水流量

不变。把水箱中的冷水加热到一定的温度，记录

此过程中各测量点的数值。着重讨论热泵机组能效

比EER(Energy Efficiency Ratio)、压缩机吸排气压

力、消耗功率、地埋管换热器进出口水温等随出热

水的温度和热泵运行时间的变化趋势，并分析它们

的变化原因。

图能效比随出热水温度的变化曲线

2

Fig.2 EER VS temperature of hot water

图2是系统能效比随出热水的温度的变化曲

线。由图中可以看出在开始时数值不够稳定，可能

是因为系统刚启动需要稳定一段时间。约十分钟

后， 随出热水温度升高几乎是线性下降。在把水

温加热到50℃时为3.2，而此时已经降到

EEREER'

2.3，当水温加热到60℃时，为2.9，而此时却

EER'

已经降到了1.7。

3.1.1

热泵机组能效比与供应热水的温度的关系

为了更好地分析系统性能，用两种方法来计

算热泵机组的能效比，总能效比和瞬时能效比。系

统总能效比反映了把水加热到某一温度时系统的耗

能情况，而某时刻能效比反映的是系统在不同工况

下的性能。

1)系统总能效比的计算方法为：

EER

3.1.2

压缩机吸排气压力及功率的变化

图3表示了压缩机吸排气压力随出热水温度的

变化情况。吸气压力变化不大，从508kPa缓慢上升

到667kPa。而排气压力随冷凝器出水温度的上升急

剧上升，几乎是线性地从1280kPa上升到2840kPa。

由于压缩机压比的增加，其功率也相应地增大，如

图4。

31

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在热泵机组与地埋管换热器的耦合过程中，

若系统在稳定工况下运行则存在一个能量平衡关

系：蒸发器的换热量

Q

eva

和地埋管换热器换热量

Q

gndevagnd

相等。当>时循环水温度降低，反之当

QQ

Q

evagnd

<时循环水温度升高。

Q

在运行开始时，地埋管换热器出水温度与土

壤温度接近，地埋管换热器换热温差小，换热量也

小，而蒸发器中换热温差大，换热量也大，使得

Q

eva gnd

>，因此循环水温度降低。随着运行时间加

Q

长，压缩机排气压力越来越高，吸气压力也相应地

图压缩机吸排气压力随出热水温度的变化曲线

3

Fig.3 Pressure VS temperature of hot water

略有升高，因此蒸发器内制冷剂温度也升高，换热

器换热温差变小，换热量减小，从而<，循

Q

evagnd

Q

环水温度上升。

3.1.4

热水温度随时间变化

如图6，热水温度随着热泵运行时间的增加而

线性地升高，结果表明该实验装置将一桶63.6升的

水从26.3℃加热到40℃需要9分钟，加热到45℃需

要14分钟，而加热到60℃需要28分钟。

图压缩机功率随出热水温度的变化曲线

4

Fig.4 Power VS temperature of hot water

3.1.3

地埋管换热器进出口水温随时间和出热水水

温的变化

图热水温度与时间的变化关系

6

Fig.6 Time VS temperature of hot water

图蒸发器各处温度变化曲线

5

Fig.5 Temperature of evaporator

由图5可以看出开始时进出口水温逐渐降低，

但是20分钟后水温稍有回升的趋势。而此过程蒸发

器中制冷剂的温度却是逐渐上升的。

32

图

7

热水温度与水流量的关系

Fig.7 Temperature of hot water VS fl ow

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3.2

即热式热泵热水器实验分析

3.2.1

热水温度与水流量的关系

也可将热泵热水器做成即热式的，自来水流

经热泵的冷凝器后直接供用户使用，很显然，在

这种运行模式下，供应热水的温度将随着流量的增

加而降低，如图7所示，实验时，进热泵热水器自

来水的温度为26.3℃。由图可以看出，当需要热水

温度高于60℃时，水流量必须调到很小的值，大约

1.8~2.0L/min。但是一般情况下用户生活用水仅仅

需要40~45℃之间的热水，此时水流量为4.0~5.4L/

min。实验结果表明该实验机组完全可以满足普通

家庭生活热水的需要。

当热泵机组工作于即热模式时，其消耗功率

和能效比分别如图8和图9所示，压缩机功率几乎

是线性地随着供应热水温度的升高而升高，热泵热

水器的能效比随着供应热水温度的升高而几乎是线

性地降低。温度和水流量之间的关系可以用下式表

示：

图能效比随热水流量变化的关系

9

Fig.9 EER VS fl ow

3.3

储水式和即热式两种热泵热水器的比较

储水式热泵热水器可以提前将一桶水加热并

贮存在热水箱中，到使用时再大量快速提供热水。

因此，该形式的热水器可以采用低功率的加热方

式，即采用小容量的热泵机组。但是储水式热泵热

水器需要一个相对较大的贮水箱。通常根据热水用

量和使用高峰期的时间长短来设计热泵容量和贮水

箱体积。储水式热泵热水器的优点是长时间通电可

以获得大流量热水；缺点是预热时间长，体积庞

大，易结水垢，如果贮水箱保温层制作不完善则会

浪费大量电能，不能长时间连续供水，应用受到限

制。

即热式热泵热水器没有贮水箱，需要使用大

容量的热泵机组。与储水式相比体积小，加热迅

速，升温快，少结水垢，不用预热，使用方便，在

我国使用可以克服室内安装空间小的困难，同时能

源利用率提高，节省使用成本。

根据实验的结果，热水温度为40℃、45℃、

60℃时即热式热泵热水器的水流量分别为5.57L/

min、3.89 L/min、2.16 L/min。也即如果要获得

63.6升水各需要加热时间是11.4min，16.3min，

29.4min。时间稍比储水式的长些，可能是因为储

水式热泵热水器有水泵作为热水循环驱动，有较高

的水流速从而冷凝器换热效率也高些。而即热式热

水器的热水流速相对不高，热泵的性能也就没有储

水式的好。但是储水式热泵热水器水泵运行需要消

耗电能且水箱保温会有部分热量散失，因此整体性

能不一定高。

其中，

Q

HXm

表示热泵供热的功率，表示水流

q

量。

3.2.2

即热式热泵热水器耗功和能效比与水流量的

变化关系

热泵机组的性能也受水流量的影响，水流量

增大将会使得冷凝温度降低，从而降低压缩比，最

终压缩机耗功降低，性能系数提高。实验结果显示

当水流量到7.2L/min时，性能系数达4.0(如图9)。

图功率随热水流量变化关系

8

Fig.8 Power VS fl ow

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4

实验结论

1) 从节能和环保的角度热泵热水器优于传统

的燃气热水器和电热水器，经济性分析结果表明地

源热泵热水器是最经济的一种热水器。

2) 热泵热水器有储水式和即热式两种，实验

装置做储水式热水器实验时，可以在14分钟内将

26.3℃的自来水加热到45℃，在28分钟内加热到

60℃。即热式的性能稍低于储水式，加热同样质

量的热水到45℃需要16.3分钟，到60℃需要29.4分

钟。

3) 针对热泵热水器的研究需要进一步深化，

尤其是优化热泵机组提高地源热泵热水器的性能。

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