實(shí)驗(yàn)表明：熱泵熱水器小管徑外盤銅管水箱更具發(fā)展優(yōu)勢(shì)

空氣能熱泵熱水器系統(tǒng)被認(rèn)為是當(dāng)今世界上開拓利用能源最好的設(shè)備之一，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，熱泵熱水器國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率也在急劇上升，尤其在南方地區(qū)，家用熱泵的普及率已達(dá)到50%。

空氣能熱泵熱水器是通過壓縮機(jī)做功、吸收環(huán)境中的空氣熱能來制取熱水的熱泵裝置，其系統(tǒng)包括熱水器的水箱、壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置等?？諝饽軣岜脽崴魉溆蓛?nèi)膽水箱、保溫層和加熱管(即冷凝器)組成。

圖1：熱泵熱水器工作原理圖

目前市場(chǎng)上空氣源熱泵熱水器的冷凝器按照換熱方式可分為沉浸式冷凝器和非沉浸式冷凝器：一是非沉浸式冷凝器，又叫做外盤式冷凝器，其加熱管為單管形式的圓薄壁銅管設(shè)置，薄壁銅管與內(nèi)膽水箱側(cè)面的接觸為圓弧面與平面的接觸，接觸面積較小，制冷介質(zhì)通過薄壁銅管與內(nèi)膽水箱進(jìn)行導(dǎo)熱并將內(nèi)膽水箱里面的水加熱；二是沉浸式冷凝器，內(nèi)膽水箱內(nèi)裝有其由薄壁銅管構(gòu)成的冷凝器，薄壁銅管按照要求螺旋盤繞后成一定的形狀，內(nèi)膽水箱中的水通過強(qiáng)制對(duì)流增強(qiáng)與薄壁銅管之間的能量交換。

相對(duì)于內(nèi)盤管式水箱來說，外盤管式水箱相對(duì)安全可靠，結(jié)合搪瓷水箱優(yōu)化設(shè)計(jì)并做好保溫，運(yùn)行效果亦能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。目前市場(chǎng)上比較常見的外盤管有不銹鋼圓管、銅圓管、銅扁管和鋁微通道等形式。外盤銅管水箱盡管綜合成本較低，并占有一定的市場(chǎng)份額，但在系統(tǒng)能效上相對(duì)于與微通道水箱來說有一定的差距，因此外盤銅管式水箱的設(shè)計(jì)、傳熱效果的強(qiáng)化，對(duì)于小管徑外盤銅管水箱的研究，提升空氣源熱泵熱水器性能（制熱量和COP）具有十分重要的意義。

圖2：小管徑外盤銅管水箱結(jié)構(gòu)示意圖（左側(cè)為四路并排，右側(cè)為雙排）

基于上述原因，江蘇光芒新能源股份有限公司、同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院等單位以外盤銅管式水箱作為研究對(duì)象，選取光芒公司某型號(hào)的150L和200L空氣源熱泵熱水器水箱展開研究。研究以達(dá)到小管徑外盤銅管水箱一級(jí)能效（COP>4.2）為目標(biāo)，針對(duì)空氣源熱泵熱水器的小管徑銅管外盤式水箱的銅管結(jié)構(gòu)參數(shù)（管徑、管間距、管長(zhǎng)）進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬及理論分析工作。

圖3：熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

實(shí)驗(yàn)針對(duì)小管徑外盤銅管換熱器在熱泵熱水器中的應(yīng)用進(jìn)行能效和外盤管水箱經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，在標(biāo)準(zhǔn)工況下對(duì)φ7mm光管雙繞，φ5mm光管雙繞、φ5mm光管四繞，φ5mm內(nèi)螺紋管四繞等不同繞管方式的外盤銅管水箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出以下結(jié)論：（1）φ5mm小管徑外盤內(nèi)螺紋銅管的能效相比于光管有大幅提升；（2）φ5mm小管徑外盤銅管相比于φ7mm銅管，其換熱性能和經(jīng)濟(jì)成本具有比較大的優(yōu)勢(shì)；（3）采用φ5mm小管徑內(nèi)螺紋銅管可以解決目前銅管無法達(dá)到一級(jí)能效的難題。

同時(shí)經(jīng)過對(duì)比分析，采用φ5mm內(nèi)螺紋管相比于φ7mm光管，其成本下降20%，同時(shí)其能效提升5%。對(duì)于鋁微通道外盤水箱，鋁材成本單價(jià)低于銅管，但其加工成本過高在系統(tǒng)COP相同的情況下，總成本價(jià)格相比于小管徑銅管來說處于劣勢(shì)。

綜上而言，小管徑外盤銅管換熱器相對(duì)來說更有成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能夠提升系統(tǒng)的COP，這將更加有助于降低空氣能熱泵熱水器的使用成本，并使空氣能產(chǎn)品得到更廣范圍的推廣與普及，是今后外盤銅管水箱發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。為促進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)，5月7日-9日，中國(guó)ISH供熱展期間,國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)與光芒在展會(huì)上同步發(fā)布了小管徑銅管的分體式空氣能水箱。8月1-2日，中國(guó)熱泵行業(yè)年會(huì)期間，光芒在大會(huì)論文集上發(fā)表了小管徑銅管技術(shù)的分體式空氣能水箱論文，獲得大會(huì)論文表彰三等獎(jiǎng)，擴(kuò)展了影響力。