靜態加熱式熱泵熱水器的電加熱

黃聰

隨著社會經濟的發展，以及節能環保觀念的提升，燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器已逐漸滿足不了人們對舒適、節能、安全的需要。而空氣源熱泵熱水器因其節能、環保、安全等優點，受到消費者的喜愛，空氣源熱泵熱水器的市場份額逐年增長。在家用空氣源熱泵熱水器中，靜態加熱式熱水器因其結構簡單、價格較低成為眾多消費者的第一選擇。

由于熱泵熱水器的低溫衰減特性，大多數廠家都會有其加入了電加熱的熱泵熱水器的產品。根據GB 29541-2013《熱泵熱水機（器）能效限定值及能效等級》，對普通型靜態加熱式熱水器的能效等級指標如表，為什么要在熱泵熱水器加入性能系數不超過1.0的電加熱，電加熱的安裝位置、啟停時間與功率等對熱泵的性能、可靠性以及用戶的使用效果都有什么影響？

1、 為什么要加入電加熱

壓縮機作為熱泵熱水器的核心部件，其能力決定了熱泵的制熱量。壓縮機的制冷量，對定頻壓縮機，其理論輸氣量 由壓縮機的結垢參數和轉速所決定，是固定不變的。單位容積制冷量： ，在冷凝溫度 不變時， 固定不變，通過觀察制冷劑的飽和蒸汽性質表可以發現，隨著蒸發溫度 的降低，雖然飽和蒸汽的比焓也隨之降低，但變化很小。

盡管 的變化對單位容積制冷量的分子無多大的影響，但由于 的降低使蒸發壓力的 隨之下降，因而壓縮機的吸氣比容 增大，使分母有較大的改變， 隨 的降低而迅速下降，這意味著對一臺給定的定頻壓縮機，隨 的下降，制冷量將迅速下降。

熱泵熱水器的能力、能效會隨著環境溫度的降低而降低，這時壓縮機的運行時間會延長，當工況較惡劣時，會超出壓縮機的運行范圍，壓縮機超運行范圍運行會降低壓縮機可靠性，縮短壓縮機壽命。電加熱能夠保證低環境溫度下熱泵制熱量降低甚至不能運行時熱水器的正常熱水，提高熱泵熱水器的可靠性與用戶的使用體驗。

2、 電加熱的功率

對產品設計而言，需要盡可能使用戶能夠隨時享受到熱水，尤其是在晚上大量用水后要保證第二天早晨的熱水用水。

若一款靜態加熱式熱水機的名義制熱量為2500W，配200L水箱，熱泵最小運行工況制熱量為名義工況的75%，假定其制熱量衰減是線性的，那么熱水機在進水溫度9℃、出水溫度55℃，環境0℃、-5℃、-10℃、-15℃的條件下，熱泵熱水機的制熱量與運行時間如下：

當環境溫度低于-7℃時，很難在一個晚上將整箱熱水加熱到使用溫度。而且低溫環境下，蒸發溫度過低，會超出壓縮機運行范圍，壓縮機壓縮比增大會引起排氣溫度過高、系統會出現回液，嚴重時會導致壓縮機損壞等問題。

如果將整個加熱時間縮短到6小時內，那么需要增加的電加熱功率為：

當熱泵停止運轉時，需要的電加熱功率為1780W，因此電加熱選型1500W能滿足冬季的熱水需求。

3、 電加熱位置

電熱水器一般會設置多個電加熱，在夏季用水量較小或家庭成員較少的情況下，選擇只加熱上半水箱水，既能滿足適量用水量的需要，同時還能避免加熱整水箱水造成浪費；在冬季用水量增大或家庭成員增多的情況下，選擇加熱整水箱水，這樣就能整箱熱水能滿足用戶需求，更人性化、更便捷。

中國市場上，對絕大多數靜態加熱式熱泵熱水器，電加熱只作為一個輔助熱源，設置在水箱的下部。在實際應用中，由于冷熱水分層，冷水在下、熱水在上，電加熱的位置在水箱上部，就可以只加熱水箱上部的水，能夠在更短的時間內加熱好水箱上部的熱水，提高加熱效率，縮短加熱時間。

在美國，熱泵熱水器與燃氣熱水器、燃油熱水器、電熱水器其一樣需要測試第一小時額定值，第一小時額定值是評估儲水式熱水器在加熱元件全部工作狀態下，一小時內能夠提供的最大熱水容量。按照美國能源部最新公布的家用和商用熱水器測試程序最終法案，第一小時額定值放水期間，進水溫度應為14.4±1.1℃，出水最高溫度應滿足51.7±2.8℃，并且放水開始15s每隔5s記錄出水溫度，當出水溫度下降到當次放水最高溫度 ℃時終止放水，當有加熱元件停止加熱時再次開始放水，直到時間達到1h。

從標準來看，美國的熱泵熱水器需要設置大功率的電加熱，并且需要設置在水箱上部。例如，A.O.Smith整體式熱泵熱水器SHPT-50，額定容積為50gal，上部電加熱功率4500W，其第一小時額定值，混合模式為67.5gal，節能模式42.1gal，電加熱模式59.1gal，大功率的上部電加熱能夠很大程度的提高第一小時額定值，在同等額定容積條件下更大程度滿足用戶的大用水需求，提高產品競爭力。

4、 電加熱的控制

當電加熱設置在水箱上部時，那么需要在正常用水需求時不開啟電加熱，在有大用水需求時能盡快開啟電加熱，那么熱泵與電加熱的啟動控制可以按照以下思路：

熱泵啟動，水箱溫度≤設置溫度-熱泵再加熱溫差

電加熱啟動，水箱溫度≤設置溫度-熱泵再加熱溫差-電加熱在加熱溫差

隨著放水，冷水進入水箱，水箱下部水溫逐漸降低，當水箱感溫包感應溫度下降到熱泵啟動溫度時，熱泵啟動，如果放水停止，則熱泵將水加熱好后停機；如果放水繼續，水箱感溫包感應溫度下降到電加熱啟動溫度時，電加熱啟動，熱泵與電加熱同時運行，縮短加熱時間，滿足用戶的大用水量需求。

當電加熱設置在水箱下部時，電加熱一般作為輔助熱源，當環境溫度較低熱泵能力不足或不能運行時開啟電加熱運行，縮短加熱時間；當需求水溫超過熱泵加熱水溫上限時，這時電加熱能滿足用戶的高水溫需求。

小結

雖然電加熱的能效遠遠低于熱泵，但是電加熱能夠彌補熱泵在低環溫的能力不足，同時也能提高熱水器的加熱水溫上限。電加熱無論設置在水箱上部或是水箱下部，都能滿足用戶的大用水量需求，但是設置在水箱下部時需要用戶更改設置溫度并且需要更多的加熱時間才能讓用戶享受到符合使用要求的熱水。

參考文獻

[1]吳業正、韓寶琦.制冷原理與設備，西安交通大學出版社，1996

[2]GB/T 21317-2008，家用和類似用途熱泵熱水器.

[3]GB 29541-2013，熱泵熱水機（器）能效限定值及能效等級.

[4]Department Of Energy 10 CFR Parts 429，430and431，2014.