家用空氣源熱泵熱水機開發(fā)現(xiàn)狀與展望

張登科 駱名文 曾光明

(廣東美的商用空調(diào)設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528311)

1 前言

熱泵熱水技術(shù)是基于熱泵技術(shù)之上的一種熱水供應(yīng)方式，利用電能驅(qū)動將空氣中的低品味熱能轉(zhuǎn)化成60℃熱水中的高品位熱能。這種方式水電分離，無廢煙廢熱排出，能效比高，具有安全環(huán)保，節(jié)約能源等優(yōu)點。

國外學(xué)者對熱泵熱水系統(tǒng)研究得比較早，產(chǎn)品比較成熟。我國熱泵熱水機研究應(yīng)用起步較晚，還有很多亟需提高之處，筆者根據(jù)多年的空氣源熱泵熱水機開發(fā)經(jīng)驗，旨在對家用空氣源熱泵熱水機產(chǎn)品設(shè)計做簡單的闡述。

2 系統(tǒng)組成

家用空氣源熱泵熱水機主要由熱水制取系統(tǒng)和儲熱水系統(tǒng)組成。其中熱水制取系統(tǒng)主要包括壓縮機、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器及自控裝置組成。

3 分類方式

機組按照不同分類標(biāo)準(zhǔn)可以分為多種不同形式，其中按照加熱方式進(jìn)行分類可以分為一次加熱式、循環(huán)加熱式與靜態(tài)加熱式三種。其中靜態(tài)加熱式又可以分為水箱內(nèi)置盤管與水箱外置盤管兩種。

本文僅對市場上最多的循環(huán)加熱式與靜態(tài)加熱式空氣源熱泵熱水機組進(jìn)行簡單的對比分析。

4 系統(tǒng)原理

不同結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品設(shè)計有著不同的系統(tǒng)控制方案，下面針對不同結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品作簡單闡述。

4.1 循環(huán)加熱式

通過圖1，可以看出，壓縮機把蒸發(fā)器吸收的熱量傳給冷凝器循環(huán)水中，被加熱的循環(huán)水通過循環(huán)水泵帶到承壓保溫水箱中，從而把承壓水箱的水加熱。

圖1 循環(huán)加熱式工作原理簡圖

4.2 靜態(tài)加熱式

靜態(tài)加熱式熱水機的結(jié)構(gòu)形式，需要在保溫承壓水箱上加工傳熱盤管。該方案具體又可細(xì)分為水箱內(nèi)置盤管和水箱外置盤管兩種結(jié)構(gòu)形式。

4.2.1 水箱內(nèi)置盤管式。通過圖2，可以看出，壓縮機把蒸發(fā)器吸收的熱量傳給冷凝器盤管中，高溫的盤管把熱量傳給儲水箱的水里面，從而把承壓水箱的水加熱。

圖2 水箱內(nèi)置盤管式工作流程

4.2.2 水箱外置盤管式。與水箱內(nèi)置盤管式方案不同，傳熱盤管和水直接多了一層傳熱介質(zhì)——水箱內(nèi)膽。該結(jié)構(gòu)方案設(shè)計下，要注意盤管與水箱內(nèi)膽緊貼，還要注意盤管間距，管間距太小，冷凝管利用效率較低，管間距太大則冷凝換熱面積不夠。筆者通過試驗證明，φ8×0.5的銅管，管間距在22mm時較為合理。水箱設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 水箱外置盤管式承壓水箱

5 系統(tǒng)性能、加工工藝及成本比較

5.1 系統(tǒng)性能比較

系統(tǒng)性能的好壞將關(guān)系到產(chǎn)品的使用可靠性及經(jīng)濟性，上述幾種不同形式的系統(tǒng)其性能也存在較大的差異。

在產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程中，可靠性應(yīng)該是放在首位的。而在熱泵熱水機系統(tǒng)當(dāng)中，壓縮機的可靠運行又是我們考慮的重中之重。在國內(nèi)目前的熱泵熱水系統(tǒng)中，大部分是采用R22冷媒的轉(zhuǎn)子式壓縮機。對于這種壓縮機，其運行時的高壓側(cè)壓力應(yīng)控制在2.65MPa以下。否則，將超出壓縮機的運行范圍，壓縮機的高壓側(cè)壓力長時間的2.65MPa以上時將會嚴(yán)重的影響壓縮機的使用壽命。

在上述幾種方案中，循環(huán)加熱式熱泵熱水機由于冷凝器一般使用的是板式換熱器或套管式換熱器，其換熱效率高，傳熱溫差小(由于傳熱量Q=k·A·Δt，當(dāng)傳熱量Q與換熱面積A一定時，傳熱系數(shù)k越大則傳熱溫差Δt越小)。當(dāng)需要同樣溫度的熱水時，其相應(yīng)的冷凝溫度較低，冷凝側(cè)壓力也會較低，不會減短壓縮機使用壽命。靜態(tài)加熱式(水箱外置盤管式)熱泵熱水機，由于其傳熱過程是先將冷媒攜帶的熱量傳遞給銅管外壁，然后再傳給水箱外壁，再經(jīng)過水箱內(nèi)膽傳遞給箱體內(nèi)靜止的水。此時，傳熱熱阻相當(dāng)大(特別是水箱內(nèi)膽傳遞給箱體內(nèi)靜止的水這一過程的熱阻非常大)，要想的到相同溫度的熱水就需要較大的傳熱溫差。此時，其所要求的冷凝溫度也相對較高，冷凝側(cè)壓力也會隨之變高，當(dāng)要制取60℃熱水時，其高壓側(cè)壓力將會超過2.7MPa，此時將嚴(yán)重影響壓縮機的使用壽命。靜態(tài)加熱式(水箱內(nèi)置盤管式)熱泵熱水機，由于冷凝管直接放置于所需加熱的水中，其換熱效率較高，傳熱溫差較小，冷凝側(cè)壓力相對較低，也不會影響到壓縮機的使用壽命。但是，由于一般的冷凝管均為銅管，放置于水中容易產(chǎn)生銅綠，嚴(yán)重影響換熱效率，從而增大其傳熱溫差，長時間使用后同樣會使高壓側(cè)壓力偏高而影響壓縮機的使用壽命。此外，當(dāng)銅管被腐蝕后水會進(jìn)入系統(tǒng)，從而嚴(yán)重危害壓縮機的使用壽命。

在經(jīng)濟性方面，由于循環(huán)加熱式熱泵熱水機冷凝器一般使用的是板式換熱器或套管式換熱器，其換熱效率較高，使用經(jīng)濟性較好。但是由于系統(tǒng)中有一循環(huán)水泵需要消耗一定的功率，因此會對使用經(jīng)濟性有一定的影響。靜態(tài)加熱式(水箱外置盤管式)熱泵熱水機，其換熱效率最低，使用經(jīng)濟性最差，特別是當(dāng)水箱內(nèi)壁產(chǎn)生水垢及長時間使用后由于冷凝銅管與水箱外壁膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)致冷凝管與水箱外壁接觸不佳等原因造成的效率下降更為明顯。靜態(tài)加熱式(水箱內(nèi)置盤管式)熱泵熱水機，由于冷凝管直接放置于所需加熱的水中，其換熱效率最高，但是長時間使用后由于銅管產(chǎn)生銅綠，會嚴(yán)重影響加熱效率，長時間來看經(jīng)濟性也不是最好。

5.2 加工工藝比較

循環(huán)加熱式熱泵熱水機的結(jié)構(gòu)形式對水箱的制作工藝要求不高，就在一般的承壓水箱上加兩個循環(huán)水管接頭即可。對主機而言，只需把壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流部件和循環(huán)水泵有序連接起來即可。靜態(tài)加熱式(水箱內(nèi)置盤管式)熱泵熱水機的結(jié)構(gòu)形式對水箱的制作工藝要求較高。首先，水箱內(nèi)部的冷凝管需要支撐管支撐，制造有一定難度;其次，盤管和端蓋的密封為銅-鋼焊接，焊接有一定難度。靜態(tài)加熱式(水箱外置盤管式)熱泵熱水機的結(jié)構(gòu)形式對水箱的制作工藝要求最高。由于冷凝管要緊密的等間距的纏繞于水箱外壁，以確保其換熱效率，在加工工藝上有一定的難度。

5.3 成本比較

循環(huán)加熱式熱泵熱水機較其他兩種結(jié)構(gòu)形式的家用熱泵熱水機相比，少了水箱內(nèi)的盤管，多了一個板式換熱器(或套管式換熱器)與一個循環(huán)水泵。由于板式換熱器(或套管式換熱器)與水箱內(nèi)的盤管的成本相差無幾，因此循環(huán)加熱式熱泵熱水機較其他兩種結(jié)構(gòu)形式的家用熱泵熱水機的產(chǎn)品成本相對會高出一個循環(huán)水泵的價格。

6 總結(jié)與展望

通過上述分析介紹，筆者認(rèn)為，循環(huán)加熱式家用空氣源熱泵熱水機，冷凝器換熱系數(shù)高，制造工藝不復(fù)雜，但是零部件成本高(需要一個高質(zhì)量的屏蔽式循環(huán)熱水泵);系統(tǒng)防凍結(jié)要求高，在低溫環(huán)境中，循環(huán)水系統(tǒng)一旦被結(jié)凍，循環(huán)水泵等重要零部件可能會被凍裂。靜態(tài)加熱式家用空氣源熱泵熱水機，對于水箱內(nèi)置盤管式承壓水箱，盤管易泄漏，存在安全隱患;一旦盤管泄漏，冷媒系統(tǒng)就會進(jìn)水，系統(tǒng)就沒有可維修性，代價很大。對于水箱外置盤管式承壓水箱，主要是要注意盤管與水箱內(nèi)膽緊貼性;當(dāng)然該方案中，冷凝器傳熱效率不是很高，但系統(tǒng)運行安全，安裝簡便，具有成本優(yōu)勢。

目前，家用熱泵熱水機的開發(fā)還處于初級階段，還存在以下幾個需要完善的方面:(1)空氣源熱泵熱水機在低溫下制熱水效率不高的問題。(2)循環(huán)加熱式熱泵熱水機在低溫下的防凍結(jié)問題。(3)水箱設(shè)計不佳導(dǎo)致的水箱有效容積率(水箱放出的有效熱水與水箱容積之比)低的問題。(4)靜態(tài)加熱式熱泵熱水機水箱內(nèi)溫度梯度大的問題。(5)靜態(tài)加熱式熱泵熱水機存在冷媒存積的問題。

[1]唐文濤，羅剛，王瑞祥，等.家用空氣源熱泵熱水器實驗研究[J].流體機械，2005，33(增刊):53-56.

[2]黃遜青.家用空氣源熱泵熱水器制冷系統(tǒng)安全要求探討[J].中國制冷學(xué)會2005年制冷空調(diào)學(xué)術(shù)年會:332-336.

[3]劉金平，張治濤，劉雪峰，等.空氣源熱泵熱水器儲水箱動態(tài)性能試驗研究[J].太陽能學(xué)報，2007，28(5):472-476.