美國艾默生公司壓縮機應用技術講座第三十四講 谷輪ZWKS系列熱泵熱水器專用渦旋壓縮機及其應用

張立毅，胡浩，林雄

（艾默生環境優化技術（蘇州）有限公司，蘇州212021）

美國艾默生公司壓縮機應用技術講座第三十四講 谷輪ZWKS系列熱泵熱水器專用渦旋壓縮機及其應用

張立毅*，胡浩，林雄

（艾默生環境優化技術（蘇州）有限公司，蘇州212021）

本文分析了目前熱泵熱水器的技術現狀和實驗測試結果，指出使用普通空調壓縮機的熱泵熱水器的應用局限。根據中國的氣候特點和對熱水水溫使用要求，提出了適合于中國廣泛地區使用的熱泵熱水器用理想壓縮機應滿足的技術要求。艾默生推出了全新的ZWKS渦旋壓縮機系列，其經濟器循環的解決方案克服了普通空調壓縮機在該應用中的不足，通過對ZWKS壓縮機的設計特點和運行范圍的介紹以及對ZWKS熱水器系統的實驗測試結果的分析，表明ZWKS壓縮機拓展了熱泵熱水器應用范圍，提高了系統的可靠性和運行效率，特別是對于在低環境溫度高出水溫度的運行情況。這些優點使得熱泵熱水器能在傳統上使用其他能源制備熱水的中國較寒冷地域得以推廣使用。

熱泵熱水器 噴氣增焓 渦旋壓縮機 經濟器循環

1 緒言

隨著中國經濟的迅速發展和人民生活水平的日益提高，公共建筑和住宅的生活熱水以及空氣調節已經成為普遍的需求。在發達國家，暖通空調及熱泵系統所用的能耗可占到社會總能耗的25%-30%。在國際能源局勢日益緊張的今天，節能減排已經越來越為世界各國所關注。熱泵是一種利用低品位熱能的設備，采用熱泵制取熱水可以大大降低一次能源的消耗以及燃燒礦物燃料引起的CO2的排放。在中國，熱泵系統的應用推廣已經進入快速增長的軌道。

傳統熱水器采用燃油、天然氣、油制氣等一次能源直接燃燒或采用電加熱等方式產生熱水，其熱效率均不大于 1，并且直接燃燒的加熱方式還會產生有害污染物，帶來環境、甚至安全等方面的負面影響。熱泵熱水器被認為是傳統熱水器的綠色替代產品。它采用蒸汽壓縮制冷循環，將來自周圍環境的低品質熱源進行再利用，如空氣、土壤或水源等可再生能源，具有熱效率高，對使用地區不會造成環境污染等優點。空氣源熱泵熱水器使用安裝簡便，其產品和技術近年來在國內得到了極大的推廣。本文的討論限于空氣源熱泵熱水器。

根據文獻[6][7][8]，熱泵熱水器的制熱 COP可高達3～4。以每天制備2100Kg熱水為例，假設進水溫度為15℃，出水溫度為55℃，每天所需的總加熱量為84000kcal, 即351612kJ。不同類型熱水器的運行耗能費用見表1。

表 1 不同類型熱水器的運行耗能費用

可以發現熱泵熱水器的熱效率最高，運行費用最低。和傳統的熱水器相比，其運行費用的節省可帶來巨大的投資回報，這是熱泵熱水器市場高速增長的主要原因之一。

2 空調壓縮機在熱泵熱水器應用中的技術局限

熱泵熱水器和空調器二者的系統原理相同，所采用的零部件大部分是相同或類似的，但二者的運行特點卻差異極大：

首先，空調器一般只在夏季或冬/夏季運行，工作運行時間相對較短；熱泵熱水器則在一年四季都需要運行，運行時間較長。并且中華人民共和國國家標準《商業或工業用及類似用途的熱泵熱水機》GB 21362-2008和《家用和類似用途熱泵熱水器》GBT 23137-2008對出水溫度都規定在55℃。當水被加熱到55℃或以上，冷凝溫度就會達到60℃左右甚至更高，所以壓縮機全年都處于高冷凝壓力運行狀態。

圖1 普通空調壓縮機的局限

在冬季，熱泵空調器的蒸發側在室外，蒸發溫度隨環境溫度的降低而降低，冷凝側在室內，室內溫度在20℃左右，冷凝溫度低；熱泵熱水器的蒸發側的工作條件與空調器相似，但在冷凝側，由于水溫為55℃左右，冷凝溫度高。壓縮機在冬季處于高壓縮比和高負載運行工況。

在夏季，空調器的蒸發側在室內，蒸發溫度通常在 15℃以下，冷凝溫度較高，但一般低于55℃。熱泵熱水器的蒸發側在室外，在環境溫度43℃時，蒸發溫度會達到20℃左右，蒸發溫度高，冷媒流量大，并且冷凝側由于55℃水溫使冷凝溫度居高不下，壓縮機在夏季處于高負載運行工況。

圖1的實線部分是普通空調壓縮機的運行范圍，其壓縮機電機的特性和機械強度設計局限于空調運行范圍。圖中橢圓形的虛線部分表明空調制冷制熱的主要運行區域，超過55℃冷凝溫度的運行情況較少。熱泵熱水器要求常年工作在60℃以上的冷凝溫度下。圖中右側虛線部分表示的熱泵熱水器夏季運行區域，普通空調壓縮機無法滿足該區域的的高負載運行工況。同樣對于左側虛線部分表示的熱泵熱水器冬季季運行區域，要求壓縮機工作在高壓縮比高冷凝溫度的運行條件下，普通壓縮機工作在這個區域會由于過高的壓縮比而超出運行范圍，導致過高的壓縮機排氣溫度，造成壓縮機由于潤滑惡化和電機過熱等原因而損壞。通過對圖1的分析可以得到結論，普通空調壓縮機的運行范圍難以滿足熱泵熱水器的運行要求。

艾默生環境優化技術蘇州研發中心對一臺采用普通空調渦旋壓縮機的熱泵熱水器進行了實際運行測試。該系統采用R22為制冷劑，表2為在50℃進水、55℃出水循環加熱的實驗測試條件下，所測得的不同環境溫度下的壓縮機排氣溫度以及蒸發溫度、冷凝溫度。通過數據可以發現隨著環境溫度的下降，蒸發溫度隨之降低，但冷凝溫度主要與工作水溫相關，受環境溫度變化的影響極小，所以環境溫度越低，壓縮比越高，排氣溫度也越高。當環境溫度為 0℃時，排氣溫度就已經超過了130℃，達到壓縮機排氣溫度的安全上限。如果環境溫度繼續降低，則壓縮比更高，并導致普通空調壓縮機將出現排氣溫度過高而無法正常工作。

表 2 普通熱泵在各環境溫度下性能 — 循環加熱，50℃進水，55℃出水

采用一次加熱的方式可以降低冷凝溫度，降低壓縮比，進而降低排氣溫度。我們也對此進行了測試，結果見表 3。測試數據展現了相似的規律，即環境溫度越低，壓縮比越高，排氣溫度也越高。雖然一次加熱的方式降低了冷凝溫度，對壓縮比和排氣溫度有所改善，但在-7℃環境溫度時，排氣溫度也同樣超過了 130℃。普通空調壓縮機由于排氣溫度過高，無法工作在低于-7℃以下的環境溫度下。

表 3 普通熱泵在各環境溫度下性能 — 一次加熱，55℃出水

3 空調壓縮機在熱泵熱水器應用中的改進方案

以上分析和實驗都證明了普通空調壓縮機直接用于熱泵熱水器將導致嚴重的可靠性問題。對此問題，我們了解到一些采用普通空調壓縮機的熱泵熱水器的制造商或工程商，進行了以下兩種方案的改進：

方案一、普通空調壓縮機+輔助電加熱

采用普通空調壓縮機熱泵運行將 15℃的水加熱到 45℃，然后再用輔助電加熱將 45℃的水加熱到55℃。該方案通過降低熱泵加熱的出水溫度來降低排氣壓力，照顧了普通空調壓縮機的運行要求。但由于采用了電加熱，整個熱水加熱過程的能效比低，具體數值取決于加熱量中電加熱所占的比例，難以達到國家標準的要求。

方案二、“混配”冷媒

采用自行配置的冷媒，以達到降低排氣壓力和溫度的目的。由于“混配”冷媒很少能得到壓縮機制造商對性能和可靠性的認可，還存在諸多弊端：“混配”冷媒的成分控制的穩定性難以保證，造成性能不穩定；“混配”冷媒的熱力學性能與壓縮機不完全匹配，壓縮機中零部件的受力未經校核，可能超出設計極限；“混配”冷媒與壓縮機材料的相容性未經確認，長期可靠性不能保證。

綜上分析，我們認為：普通空調壓縮機在熱泵熱水器應用中有難以克服的技術問題，需要按照熱泵熱水器的應用特點和要求開發專用的壓縮機。

4 適用于中國市場的熱泵熱水器應用的理想壓縮機

由于與使用效果直接相關，用戶首先關注的熱泵熱水器對用水溫度的滿足。GB 21362-2008和GBT 23137-2008對出水溫度都規定在55℃。如果根據不同使用場合進一步細分，還可以發現對出水溫度要求的差異化。例如，用于泳池和地暖的水溫通常在不高于45℃就可以了；針對生活熱水我國要求達到55℃的水溫；用于暖氣的水溫需要更高，至少要在60℃以上。所以理想的熱泵熱水器壓縮機要有能力提供 55℃以上乃至 60℃的熱水，相對應的冷凝溫度要能達到60℃～65℃。

影響熱泵熱水器推廣使用最關鍵的因素是使用環境溫度，在寒冷的冬季是否能提供熱水是被關注的關鍵問題。我國地域遼闊，南北氣候差異極大，為使熱泵熱水器的使用能推廣到我國長城以南的廣大區域，覆蓋大約90%的全國人口，理想的熱泵熱水器需要在冬季最低溫度-20oC的區域能穩定可靠的工作。

結合以上兩點，可以勾畫出適用于中國市場的理想熱泵熱水器用壓縮機。如圖2所示，理想的熱泵熱水器壓縮機能工作在最低大約-20℃的寒冷環境中，并確保在冬季能提供55℃以上乃至60℃的熱水。

在天氣較暖和時能工作在 30℃的環境溫度中。這里沒有把最高的工作環境溫度定在夏季最熱時的40℃甚至更高，因為通過熱泵系統的載荷控制很容易解決環境溫度過高時，壓縮機吸氣壓力超出上限的問題。例如當環境溫度較高時，比方說超過30℃，通過降低風機轉速來降低壓縮機的工作載荷，以滿足壓縮機的工作要求。

圖2 理想的熱泵熱水器壓縮機

5 經濟器循環在高壓縮比應用的好處

為解決低溫制熱水面臨的高壓縮比高排氣溫度的問題，可以采用經濟器循環設計，利用準二級壓縮中間冷卻的原理，解決高壓縮比運行問題。經濟器循環的基本原理和壓焓圖分析如圖3。

如圖3所示，壓縮機排氣進入冷凝器冷凝，從冷凝器出來的液體分為兩部分：一是主回路部分，流量為m，直接進入到過冷器，產生進一步的過冷。二是噴射部分，流量為 i，經膨脹閥 A節流到中間某一中間壓力進入過冷器。這兩部分制冷劑在過冷器中產生熱交換，后一部分汽化后被壓縮機第二吸氣口吸入，前一部分得到進一步過冷后，經膨脹閥B節流后進入蒸發器蒸發吸熱，然后進入壓縮機主吸氣口。

圖3 經濟器循環的基本原理

由于噴射混合過程的壓力變化相對較小，將其當作等壓過程，由理想的蒸氣壓縮制冷循環，從P-h循環圖（b）上可分析，系統的制熱量等于從冷凝器中釋放的熱量：

因為在混合過程中：m(h2’-h2)+ i(h2’-h6)=0,所以總的制熱量為：

式（1）中第一項為蒸發吸熱量，第二、三項為壓縮過程的耗功。

該式表明，系統的制熱量也等于在蒸發器的吸熱量加上壓縮過程的耗功。

對于沒有經濟器的常規熱泵，由于沒有再過冷和蒸氣噴射過程，其制熱量為

式（2）中第一項為蒸發吸熱量，第二項為壓縮過程做功。此處假設對于經濟器熱泵循環和普通熱泵循環，流經蒸發器的制冷劑流量相同。該假設事實上是成立的，在試驗測試中，我們發現二種循環的蒸發壓力差別極小。

由式（1）減去式（2）就得到制熱量的增加值

制熱量的提高主要得益于蒸發器入口和和出口之間的焓差增加，從環境中多吸收了熱量m(h4-h5)。還有由于噴射造成壓縮機耗功增加，增加量約為(m+i)(h3-h2’)-i(h3’-h2)。另外，對于一個冷凝器和蒸發器確定的空調系統，當制熱量增加后，冷凝壓力通常會提高，壓縮機功耗上升對制熱量的貢獻會更大，所以實際的制熱量增加比理論的熱量增加值ΔQ更大。；

再來看排氣溫度，得益于于準雙級壓縮，中間冷卻，排氣溫度從T3’降為T3。對于冬季制熱的的運行中，高壓縮比運行工況導致的排氣溫度過高的最大問題得到了有效的解決，從而極大的提高了機組運行可靠性。

6 艾默生熱泵熱水器專用ZWKS系列壓縮機及其解決方案

艾默生最早將噴氣增焓（EVI）功能的渦旋壓縮機和經濟器循環相結合應用在商業冷凍領域，用于提高系統的制冷量和EER。近年來，使用艾默生EVI渦旋技術的數十萬臺家用熱泵空調和商用熱泵空調系統被投放市場，得到了市場的好評。EVI技術不但能拓展空調熱泵在北方地區的應用，還可以有效地提高空調系統的制冷制熱性能，特別是可以使低環境溫度下的制熱量和COP得到顯著提升。

EVI渦旋壓縮機除了常規的吸氣口和排氣口外，還帶有第二個吸氣口，即蒸氣噴射口，中壓的制冷劑蒸氣通過蒸氣噴射口和位于定渦旋盤的噴射孔噴射到渦旋盤的中間腔，以增加制冷劑流量，結合帶經濟器的系統設計，達到增加系統制熱量或制熱量，以及降低渦旋溫度的目標。由于熱泵熱水器的應用更為苛刻，艾默生對此專門設計了ZWKS系列的熱泵熱水器專用渦旋壓縮機，如圖4。為適應高出水溫度對應的高負載，ZWKS壓縮機的電機進行了加強；對浮動密封、動渦旋以及動態排氣閥進行了專門設計以適應低溫制熱水時的高壓縮比運行特點；同時為了控制安全的排氣溫度，對EVI噴射通道進行了設計加強。

圖4 專用于熱泵熱水器的ZWKS系列壓縮機

與常規的空調壓縮機相比，采用ZWKS系列壓縮機可以極大的擴展熱泵熱水器的運行范圍。通過圖5可以清晰地看到ZWKS同普通空調壓縮機在運行范圍上的差異。在蒸發溫度0℃以上時，ZWKS壓縮機的最高冷凝溫度可達70℃，滿足制取55℃以上乃至60℃熱水的要求。在低環境溫度高出水溫度運行區域，由于采用EVI技術解決了普通空調壓縮機面臨的壓縮比高和排氣溫度高的問題，可以工作在-30℃蒸發溫度和 65℃的冷凝溫度下，即采用ZWKS壓縮機的熱泵熱水器可以在大約-20℃環境溫度中提供60℃以上的熱水。

通過對比還可以發現，在循環加熱初始運行區域，ZWKS壓縮機最低冷凝溫度為20℃，對應的水溫約為15℃左右，能很好地適應水罐剛開始加熱時水溫不高的運行特征。在高環境溫度高蒸發壓力運行區域，ZWKS壓縮機適應的蒸發溫度上限更高，更能適應溫暖天氣條件下的制熱水運行。

為驗證 ZWKS壓縮機在實際熱泵熱水器系統中的工作性能，對之前測試所用的普通熱泵熱水器系統進行了改造，將壓縮機更換為ZWKS，增添了經濟器板換和電子膨脹閥回路，詳細請參見圖6。

圖5 ZWKS熱泵熱水器專用壓縮機的運行范圍 （R22 / R407C）

圖6 ZWKS熱泵熱水器系統原理圖

針對出水溫度55℃，分循環加熱和一次加熱兩種方式進行了測試。一次加熱方式的測試結果請見表4。排氣溫度在-15℃環境溫度時能安全地控制在 103℃。在各個環境溫度都顯示出了極佳的COP，并且在-15℃環境溫度時的COP達到了1.96。

循環加熱方式的測試數據請見表 5，循環加熱方式的冷凝溫度比一次加熱方式高，所以排氣溫度也比一次加熱方式稍高，達到了 110℃，處于安全的范圍內。在排氣溫度過高時有必要采取濕蒸汽噴射來冷卻渦旋，降低排氣溫度。

表4 ZWKS熱水器在各環境溫度下性能 — 一次加熱，55℃出水

表5 ZWKS熱水器在各環境溫度下性能 — 循環加熱，55℃出水

制取55℃熱水時，不同環境溫度下的蒸發溫度和冷凝溫度在 ZWKS壓縮機運行范圍圖對應的運行點如圖7所示。在-15℃～35℃的環境溫度下，各個運行點都處在 ZWKS的安全運行范圍內。對于一次加熱，43℃時的蒸發溫度雖然超出上限，但很容易用降低風機轉速等降低載荷的方法降低蒸發溫度，使之處于安全范圍。由圖7還可以發現制 55℃熱水時的各個運行點對應的冷凝溫度距離其上限還有很大的空間，這說明ZWKS系統還能制出溫度更高的熱水。

圖8顯示ZWKS系統制60℃熱水的情況，循環加熱和一次加熱在不同環境溫度下的各個運行點都處在壓縮機的安全運行范圍以內，并且還有一定的余量。說明ZWKS壓縮機滿足在嚴酷的低溫環境下制取60℃甚至溫度更高熱水的要求。

圖7 ZWKS熱水器制55℃熱水

艾默生對采用 ZWKS系列壓縮機的熱泵熱水器在安徽、甘肅和西藏等地進行整個冬季的現場跟蹤測試，結果顯示在-20 oC的環境溫度下，機組能滿足55 oC以上的熱水出水要求，與可靠性有關的系統參數均在正常范圍內。

7 應用前景

根據國際能源署在2007年發表的最新報告，中國每年產生著全世界22%的CO2。CO2是由燃燒石化燃料時排放的，它是造成地球變暖問題的主要溫室氣體。相對于傳統的直接燃燒化石燃料和直接使用電能的加熱裝置，熱泵熱水器可使能源效率提高（3～4）倍，這也就是說將燃燒所需的化石燃料減至1/4～1/3。因而熱泵熱水器的廣泛推廣和應用已被認為是環境保護中一項有深遠意義的進步。另外我國能源緊缺，減少資源浪費已經刻不容緩，如何實現我國經濟社會的健康發展，節能是重中之重，政府已經越來越關注到節能設備的推廣上來，因此熱泵熱水器必將受到社會各界更多的關注。

與現今龐大的熱水器市場相比，熱泵熱水器的的市場份額依舊很小，因此潛力巨大，它將是未來熱水器市場的全新發展方向。ZWKS熱泵熱水器專用壓縮機結合經濟器循環的系統設計是對現有熱泵熱水器技術的突破，它解決了低溫制熱水時排氣溫度過高的可靠性問題，同時具有優良的運行效率，使得熱泵熱水器的應用可以拓展到全國冬季最低溫度-20oC的區域，覆蓋大約 90%的全國人口，具有重大的社會效益和經濟效益。

8 結論

使用熱泵熱水器在節能、環保、安全等方面都優于傳統的燃氣熱水器、電加熱水器等，但是普通型熱泵熱水器的應用受到環境溫度及出水溫度限制。艾默生ZWKS渦旋壓縮機結合經濟器循環設計為此提供了成功的解決方案，該方案能顯著提高熱泵熱水器系統的工作效率，解決了低溫制熱的可靠性問題，拓展了熱泵熱水器的運行范圍。這項技術適應中國熱泵熱水器的使用要求，對熱泵熱水器應用在中國的大范圍普及，提高能源利用效率，降低碳排放產生積極深遠的影響。

[1]中華人民共和國國家標準《商業或工業用及類似用途的熱泵熱水機》GB 21362-2008[S]

[2]中華人民共和國國家標準《家用和類似用途熱泵熱水器》GBT 23137-2008[S]

[3]張立毅,胡浩,李勇健,吳棹舟. 谷輪“低溫強熱渦旋”在熱泵式空調器中的應用[J]. 制冷技術，2007，1：47-49[4]周東民，胡浩，李義. 高效強熱商用渦旋技術在熱泵空調中的應用[J]. 供熱制冷,2009,1:46-49

[5]周東民,胡浩,李義. 高效強熱商用渦旋的應用前景分析[J]. 制冷技術,2009,2:42-45

[6]廣東芬尼克茲節能設備有限公司.《供暖、制冷、熱水綜合節能解決方案 商用篇》[R]

[7]廣東長菱空調冷氣機制造有限公司. 《空氣源熱泵中央熱水》[R]

[8]廣州德能熱源設備有限公司. 《德能熱泵技術（廣州）研發中心》[R]

Emerson Compressor Application Engineering (34)Copeland ZWKS Scroll for Hot Water Heat Pump and the Application

Zhang Liyi*，Hu Hao，Lin Xiong
（Emerson Climate Technology(Suzhou), Inc., Suzhou 212021, China）

This article treats of the application limitations of standard air-conditioning compressors in HWHPs(Hot Water Heat Pumps) based on a technical analysis of current HWHPs and experimental results. The climate characteristics and hot water requirements in China place high demands of the technical features of the compressor, and an improved compressor to meet the operating demands of HWHP in most of China’s regions,is proposed. The new ZWKS compressor range from Emerson Climate Technologies overcomes the deficiencies of air-conditioning compressors by employing an economizer circuit. The ZWKS design features, extended working envelope and experimental results indicate that HWHPs can be efficient and reliable even when delivering hot water at low ambient temperatures. These advantages should enable development of the HWHP market in the colder regions of China which have traditionally used other energy sources to provide hot water.

hot water heat pump；enhanced vapor injection； scroll compressor；economizer cycle

*張立毅（1967-），男，高級工程師，主要從事空調冷凍壓縮機在系統的應用工作。聯系地址：廣州市黃浦大道西76號富力盈隆廣場508室，艾默生環境優化技術（蘇州）有限公司廣州分公司，郵編：510623，電話：020-28867663，電子郵箱：liyi.zhang@emerson.com