实验表明：热泵热水器小管径外盘铜管水箱更具发展优势

空气能热泵热水器系统被认为是当今世界上开拓利用能源最好的设备之一，随着我国经济的持续稳定发展，热泵热水器国内市场占有率也在急剧上升，尤其在南方地区，家用热泵的普及率已达到50%。

空气能热泵热水器是通过压缩机做功、吸收环境中的空气热能来制取热水的热泵装置，其系统包括热水器的水箱、压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置等。空气能热泵热水器水箱由内胆水箱、保温层和加热管(即冷凝器)组成。

图1：热泵热水器工作原理图

目前市场上空气源热泵热水器的冷凝器按照换热方式可分为沉浸式冷凝器和非沉浸式冷凝器：一是非沉浸式冷凝器，又叫做外盘式冷凝器，其加热管为单管形式的圆薄壁铜管设置，薄壁铜管与内胆水箱侧面的接触为圆弧面与平面的接触，接触面积较小，制冷介质通过薄壁铜管与内胆水箱进行导热并将内胆水箱里面的水加热；二是沉浸式冷凝器，内胆水箱内装有其由薄壁铜管构成的冷凝器，薄壁铜管按照要求螺旋盘绕后成一定的形状，内胆水箱中的水通过强制对流增强与薄壁铜管之间的能量交换。

相对于内盘管式水箱来说，外盘管式水箱相对安全可靠，结合搪瓷水箱优化设计并做好保温，运行效果亦能够达到相关标准要求。目前市场上比较常见的外盘管有不锈钢圆管、铜圆管、铜扁管和铝微通道等形式。外盘铜管水箱尽管综合成本较低，并占有一定的市场份额，但在系统能效上相对于与微通道水箱来说有一定的差距，因此外盘铜管式水箱的设计、传热效果的强化，对于小管径外盘铜管水箱的研究，提升空气源热泵热水器性能（制热量和COP）具有十分重要的意义。

图2：小管径外盘铜管水箱结构示意图（左侧为四路并排，右侧为双排）

基于上述原因，江苏光芒新能源股份有限公司、同济大学机械与能源工程学院等单位以外盘铜管式水箱作为研究对象，选取光芒公司某型号的150L和200L空气源热泵热水器水箱展开研究。研究以达到小管径外盘铜管水箱一级能效（COP>4.2）为目标，针对空气源热泵热水器的小管径铜管外盘式水箱的铜管结构参数（管径、管间距、管长）进行优化，并进行了实验、数值模拟及理论分析工作。

图3：热泵热水器实验现场布置图

实验针对小管径外盘铜管换热器在热泵热水器中的应用进行能效和外盘管水箱经济性对比分析，在标准工况下对φ7mm光管双绕，φ5mm光管双绕、φ5mm光管四绕，φ5mm内螺纹管四绕等不同绕管方式的外盘铜管水箱进行实验测试。从实验数据中可以得出以下结论：（1）φ5mm小管径外盘内螺纹铜管的能效相比于光管有大幅提升；（2）φ5mm小管径外盘铜管相比于φ7mm铜管，其换热性能和经济成本具有比较大的优势；（3）采用φ5mm小管径内螺纹铜管可以解决目前铜管无法达到一级能效的难题。

同时经过对比分析，采用φ5mm内螺纹管相比于φ7mm光管，其成本下降20%，同时其能效提升5%。对于铝微通道外盘水箱，铝材成本单价低于铜管，但其加工成本过高在系统COP相同的情况下，总成本价格相比于小管径铜管来说处于劣势。

综上而言，小管径外盘铜管换热器相对来说更有成本优势，同时也能够提升系统的COP，这将更加有助于降低空气能热泵热水器的使用成本，并使空气能产品得到更广范围的推广与普及，是今后外盘铜管水箱发展的一个必然趋势。为促进此项技术，5月7日-9日，中国ISH供热展期间,国际铜业协会与光芒在展会上同步发布了小管径铜管的分体式空气能水箱。8月1-2日，中国热泵行业年会期间，光芒在大会论文集上发表了小管径铜管技术的分体式空气能水箱论文，获得大会论文表彰三等奖，扩展了影响力。