第四节 供水温度对空气源热泵的影响
根据热泵的热力学原理，热泵的性能系数COP在理想状态下为：
（2-2）
式中 Tc——低温热源，即室外空气温度；
Ta——高温热汇，即热泵机组的出水温度。
上式表明：①在恒温热源和热汇之间工作的机组，其性能系数只与热源和热汇温度有关，与热泵机组使用的制冷剂性质无关；②COP的值与热源和热汇温度有关，当低温热源不变时，机组出水温度越高，其COP值越小。
文献[20]设置环境温度分别为-12℃、-6℃，初始水温为20℃，开启热泵进行加热，研究了不同供水温度对空气源热泵制热量、系统功耗、能效、排气温度、压缩比等的影响。结果表明：在相同初始水温下，随着加热的进行，压缩机的制热量先增加后降低，供水温度为40℃时制热量最大；当环境温度为-12℃，供水温度从25℃增至55℃时，系统功耗从11905W增至24417W，增加了105%，系统能效从4.03降至2.11，下降了47.6%。
一、供水温度对热泵系统制热量的影响
图2-11所示为系统制热量随供水温度的变化。可知，当外界环境温度相同时，低温空气源热泵将水从25℃加热至55℃，制热量呈先升高后降低的趋势，即制热量存在一个最大值。这是因为随着加热过程的进行，热泵系统内流过的制冷剂流量不断增加，压缩机的吸排气温度和压缩比逐渐升高，制热量增加；当加热至约40℃时，制热量达到最大值（环境温度-12℃时，约为额定制热量的0.6倍），且能满足用户对供热的需求。继续加热，在蒸发温度不变的情况下，冷凝温度不断增加，冷凝压力增加，压缩机的排气温度和压缩比增加，超过正常范围值，压缩机容积效率降低，制热过程开始恶化，导致热泵系统的制热量减小，系统制热量将不能满足用户需求。
图2-11 系统制热量随供水温度的变化
此外，对于环境温度-12℃和-6℃两种工况，当供水温度接近40℃时，制热量均存在一个最大值。这是因为同一环境温度下，热泵在加热水的过程中，系统的质量流量呈先增加后减小的趋势，在供水温度接近40℃时，系统质量流量达到最大值，即系统的制热量也达到一个最大值；但不同的环境温度所对应的最佳供水温度也不同，在工程实际应用中，应根据不同环境温度确定对应的最佳供水温度，以确定最佳运行工况点。由图2-11还可知，在相同的供水温度下，提高环境温度，热泵系统的制热量增加。这是因为提高环境温度，系统的蒸发温度上升，压缩比下降，热泵制热性能改善。当供水温度为40℃时，将环境温度从-12℃升至-6℃，制热量从53469W升至57816W，增幅为8.1%。
二、供水温度对热泵系统功耗的影响
图2-12所示为系统功耗随供水温度的变化。由图2-12可知，当外界环境温度相同时，低温空气源热泵加热水的过程中，热泵系统的总功耗呈上升趋势。这是因为环境温度不变时，蒸发压力不变，而冷凝压力受供水温度变化的影响；当供水温度增加时，冷凝温度、冷凝压力、压缩比、压缩机的输入功率均增加，最终导致系统的总功耗W（包括压缩机输入功率和风机的功率等）也随之增加。
图2-12 系统功耗随供水温度的变化
热泵在环境温度-12℃工况下运行，供水温度从25℃增至55℃，系统总功耗从11905W增至24417W，增加105%；因此，热水被加热的过程中，总功耗增加十分迅速。由图2-12还可知，在相同的供水温度情况下，提高环境温度，热泵系统功耗增加。这是因为在冷凝温度不变的情况下，环境温度、蒸发温度、蒸发压力均增加，压缩比下降，吸气比体积减小，制冷剂的质量流量增加，引起压缩机的输入功率增加，而风机等设备的功率基本不变。当供水温度为40℃时，将环境温度从-12℃提高至-6℃，热泵系统功耗从18887W升至19495W，增幅为3.2%。
三、供水温度对热泵系统COP的影响
图2-13所示为系统COP随供水温度的变化。可知，当外界环境温度相同时，低温空气源热泵加热水的过程中，COP不断下降。这是因为当蒸发温度不变时，随着供水温度的升高，冷凝压力不断增加，压缩比增加，制热量的增加速率<输入功率的增加速率，制热效率下降。环境温度为-12℃时，将水从25℃加热至55℃，系统能效从4.03降至2.11，整个系统能效下降47.6%。因为水被加热到40℃时，制热量最大，且能满足人们的供热需求；若继续加热，能效下降，制热恶化，供热不足。所以，环境温度-12℃时，供水温度40℃为最佳供水温度点。
由图2-13还可知，在相同的供水温度下，提高环境温度，热泵系统COP增加。这是因为当冷凝温度不变时，提高环境温度，蒸发温度和蒸发压力增加，压缩比下降，吸气比体积减小，制冷剂的质量流量增加，制热效果改善，系统的制热能效增加。当供水温度为40℃时，将环境温度从-12℃提高至-6℃，系统能效从2.83升至2.97，增幅为4.9%。
图2-13 系统COP随供水温度的变化
四、供水温度对热泵系统排气温度的影响
图2-14所示为系统排气温度随供水温度的变化。由图2-14可知，当外界环境温度相同时，低温空气源热泵将水从25℃加热至55℃，压缩机的排气温度不断增加。这是因为在蒸发温度不变时，水温增加，冷凝温度、冷凝压力、压缩比均增加，引起压缩机的吸气比体积增加，流经整个回路的制冷剂流量减少，单位质量的制冷剂需要带走的热量增加，最终导致系统的排气温度上升。
图2-14 排气温度随供水温度的变化
由图2-14还可知，供水温度不变时，提高环境温度，压缩机的排气温度下降。这是因为当冷凝温度不变时，提高环境温度，蒸发温度和蒸发压力上升，压缩比下降，流经整个回路的制冷剂流量增加，单位质量的制冷剂需要带走的热量减少，最终排气温度下降。当供水温度为40℃时，环境温度从-12℃升至-6℃，排气温度从83℃降至78℃，降幅为6.0%。
五、供水温度对热泵系统压缩比的影响
图2-15所示为系统压缩比随供水温度的变化。由图2-15可知，当外界环境温度相同时，低温空气源热泵将水从25℃加热至55℃，压缩机的压缩比不断增加。这是因为当环境温度不变时，蒸发压力不变，随着供水温度的升高，对应的冷凝温度升高，压缩机的排气温度和冷凝压力升高，引起系统的压缩比增加。
图2-15 系统压缩比随供水温度的变化
由图2-15还可知，供水温度不变时，提高环境温度，压缩机的压缩比下降。这是因为供水温度不变时，冷凝压力不变，提高环境温度，蒸发温度和蒸发压力上升，引起压缩比下降。当供水温度为40℃时，将环境温度从-12℃升至-6℃，压缩比从7.66降至6.91，降幅为9.8%。