空气源热泵热水器的研究与开发现状

1空气源热泵热水器的工作原理 空气源热泵热水器的工作原理如图1所示：采用逆卡诺循环原理通过制冷剂与外界空气的温差吸热，压缩机的压缩制热以及冷凝器中制冷剂与水的持续换热等过程，将水加热至一定温度。制得的热水存放于保温储热水箱中，供用户随时使用。图2为空气源热泵热水器的设备简图。 工程案例

图1空气源热泵热水器的工作原理图 2空气源热泵热水器的设备简图 2空气源热泵热水器的优势 2.1几种家用热水器的性能比较 目前市场上较为常见的几种家用热水器的有关性能指标见表1。燃气热水器投资小,全运行时有一定的安全隐患,特别是城市煤气,中毒危险性较大。电热水器投资也不大,但触电事故也时有所闻。空气源热泵热水器的水、电分离,比较安全,当然它的初投资也相对较高。 工程案例 注:城市煤气的热值3500kcal/ｍ3,天然气8000kcal/ｍ3,LPG12000kcal/kg,电860kcal/kwh;运行费用和投资按把120L15℃的水加热到55℃估算。2.2空气源热泵热水器与热水锅炉相比的优点 空气源热泵热水器与热水锅炉相比有着较为显著的优势，具体如下： 热效率高：产品热效率全年平均在300%以上，而锅炉的热效率不会超过100%。运行费用低：与燃油,燃气锅炉比,全年平均可节70%的能源，加上电价的走低和燃料价格的上涨，运行费用低的优点日益突出。 节能环保：热泵产品无任何燃烧排放物，目前空气源热泵的制冷剂一般选用环保制冷剂R417A，R417A属于氯氟烃（CFC）类制冷剂，是R125、R134a、R600的混合物，ODP＝0，HGWP＝0.49不可燃，是较好的环保型产品。可以完全替代R22的旧系统和新设备。较R22可节省15％左右的电能。 运行安全，无需值守：与燃料锅炉相比，运行绝对安全，而且全自动控制，无需人员值守，可节省人员成本。 3高效节能原理 众所周知，电热水器是一个用电热棒放在水箱中加热并用于洗浴的热水装置。如果需要100升水，温度由15℃提高到55℃，则实际需耗热能4000大卡。4000大卡的热能，如由电热水器来提供，需耗电4.65kwh，因为一个kwh电如果100%转化成热能，也只有860大卡。然而热泵热水器（取最高COP=3.5）则仅耗电1.33kwh，节电率高达72%。 3.1节能原理 电热水器加热是将电能直接转化成热能，而热泵热水器是利用逆卡诺原理即借助 一小部分电力，推动压缩机对工质做功，让它在蒸发器中吸收周围空气中的热能，再经冷凝器释放出来，供人们使用，因而空气源热泵热水器节能率较高。 获得的热能与所耗的电力的比值称为热电性能系数C0P。若热泵热水器的COP平均值为3.0，则用1kwh电力能获得3kwh热力。由于空气源热泵热水器的热能主要来自空气中的热能，所以有人称这类热水器为空气能热水器。而空气中的能量最终来自于太阳辐射能的积累，因此也有人称这类热水器为无需阳光的太阳能热水器。3.2能效分析 热水器的能效用一次能源的热转换效率来评价，用ηP表示。对于二次能源(如煤气、电)热水器，其一次能源热转换效率即能效ηP等于其热水器的热效率，ηe或热电性能系数COP与一次能源转换成二次能源(煤气、电)的效率ηs的乘积，即： ηp=ηe·ηS或ηp=COP·ηS 不同的家用热水器，其能效或节能性各异。燃气热水器的热效率已达80%左右，有的甚至已达85%，要进一步提高效率较难，提高的幅度也不大，最多有5%的节能潜力。其中煤气热水器的热效率ηe虽然较高，一般为80%。但因煤气是由煤或油转化而来，其转换效率ηS 接近80%，因此煤气热水器的一次能源热效率ηp较低只有80%× 80%=64%，有时甚至更低。电热水器的热效率虽高达90~95%，而电热水器的一次能源热转换效率都很低，即一次能源的发电效率很低。上海当前电厂的平均发电效率37.5%，扣除电厂用电和传输损耗，到用户约为30%，因而电热水器的一次能源热效率ηp仅为95%×30%=28.5% 而空气源热泵热水器仅COP一项就可高达3.5之多，空气源热泵热水器的一次能源热转换效率也很低为30％，因而空气源热泵热水器的一次能源热效率ηp可高达为3.5×30%=105%；空气源热泵热水器年平均COP也可高达3.0，这样，空气源热泵热水器的年平均一次能源热效率ηp可高达为3.0×30%=90%。3.3供热量分析 在实际运行中，由于自然水温随着环境温度不断升高，因此将水加热到一定温度时所需的热量就随之减少了。 随着环境温度的升高，蒸发温度相应地升高，而冷凝温度始终不变（仅与进出水温度有关），故COP值逐渐增加；但当环境温度35～40℃时，COP值增加趋于平缓。这是由于蒸发温度有一个上限，当蒸发温度升高到一定程度时，它将趋于不变，此时无论环境温度如何增加，COP值都将趋于一个定值。 由此我们得到结论：加热水所需热量随环境温度的升高而减少。加热相同质量的水时，热泵热水器节能效果非常显著。 随着环境温度的升高，耗电量显著降低，当环境温度在零下时，耗电量显著增加，这也是限制热泵热水器北扩的主要原因，尤其当环境温度降低到-7℃以后，使用热泵 热水器就一定要考虑其工作效果。 4空气源热泵热水器的冬季除霜问题 4.1结霜原因 空气源热泵机组在冬季制热运行时，其肋片盘管换热器起蒸发器的作用，由于蒸发温度较低，盘管表面的温度也随之下降，甚至低于0℃。当室外空气在风机驱动下流经盘管时，其所含的水分就会析出并附着于盘管表面形成霜层。 解决除霜问题主要从以下三个方面着手（1）改进换热器，延缓结霜或降低结霜对热泵性能的影响。（2）除霜方法的研究。（3）除霜控制方法的研究。下面主要讨论一下空气源热泵热水器的除霜方法及其除霜控制方法。 4.2除霜方法 目前比较常见的空气源热泵的除霜方法有两种：四通阀换向除霜和热气旁通除霜。 四通阀换向除霜即：采用四通阀换向，将室外换热器转换成冷凝器来进行。故除霜系统比较简单。除霜所需的热量是从室内环境的吸热量、室内换热器蓄热量、压缩机消耗电力和压缩机蓄热量这四部分热量之和。 热气旁通除霜是指利用压缩机排气管和室外换热器与毛细管之间的旁通回路,将压缩机的高温排气直接引入室外换热器中,通过蒸汽液化放出的大量热将换热器外侧的霜层融化的除霜方法。在除霜时,四通阀不需换向,室内外换热器风扇停止运行。空气源热泵热水器的除霜与空调系统空气源热泵的除霜不同，空调系统空气源热泵的除霜需考虑除霜过程是否对室内人体的热舒适性构成影响，是否影响空调效果，故空调系统空气源热泵的除霜采用热气旁通除霜较为合理，而空气源热泵热水器的除霜采用四通阀换向除霜较为合理。4.3除霜控制方法 采用智能除霜控制系统：通过电脑根据温度和压力变化来实施除霜随机动态工作，从而保证热泵的高效运行。其控制原理为，制热开始或除霜后，经数分钟稳定运行，电脑记录当前气象环境下的蒸发压力A，并计算得出一个基准值B。每一次制热运行，由于条件不同，就会得到一个不同的A值和一个不同的B基准值。A点的蒸发压力随机组运行时间延长，换热器表面结霜加厚而下降。如图所示：当蒸发压力下降至基准值B1点时，电脑控制机组进行一次除霜；如果气象环境不好，换热器表面结霜加快，蒸发压力下降也快，除霜开始发生在B3点；在气象环境很好时，换热器表面不结霜，蒸发压力保持不下降，机组保持制热运行不除霜，工作如B4。智能除霜系统，能根据不同的空气温度和相对湿度的综合条件，鉴别出换热器表面结霜的程度，智能控制机组除霜或不除霜；何时开始除霜何时停止除霜。因此提高了热泵机组运行的制热效率，降低运行费用约10～20%，减少压缩机在低压下的运行时间，延长压缩机寿命。 工程案例

图3智能化除霜 5前景展望 热水器的市场除了未装热水器和新成立家庭新增的需求外,大量老的热水器已经到了更新期也有了更新需求。用户的多种选择决定了今后热水器的市场是一个竞争的市场。太阳能热水器和空气源热泵热水器的投资大,购买时增加的投资必须用节约下来的运行费用来补偿,回收期将是一根市场的经济杠杆。 空气源热泵热水器初投资虽然很高,但不受安装条件的限制,这一点明显优于太阳能热水器,因此将成为太阳能热水器的有力竞争对手,在市场上堀起,并已在太阳能界引起强烈的反响。 空气源热泵热水器能效高、节能效果好、不受安装条件限制、高度安全，是一种应扶持的节能产品。大气是太阳能的最大储存库,热泵热水器实际上间接利用了太阳能,但它的运行不受气候条件限制,安装又方便,作为一种名符其实的节能产品,应该得到政策的支持。