劳特斯：空气源热泵热水机组设计要点解析

空气源热泵热水机组是一种利用热泵原理对水进行加热的新型热水制取设备，国外对该类产品的研发与应用比较早，但国内仅在2001年才开始有个别企业涉足。由于该类产品节能环保的特点应用前景广阔，潜在市场巨大，近两年来有不少空调、太阳能等能源行业的企业纷纷进入，一个新兴的热水设备行业正在形成。尽管空气源热泵热水机组目前已初具行业规模，产品的市场占有率也正逐步攀升，但目前市场上产品的性能与品质相差极大，产品认知度、行业形象难以在短期内深入市场。造成这种现状的原因主要在于三个方面：一是行业标准的缺失；二是技术本身的差异。

前期行业标准的缺失是目前所有热泵热水器企业共同面临的难题，因为标准的缺失，产品的技术指标、测试方法难以确定，同类产品的横向对比比较困难，消费者对产品性价比无法确定，但却给跟风而上的投机者提供了龙鱼混杂的机会。目前，由全国冷冻空调设备标准化技术委员会组织，劳特斯、艾默生、中宇、天舒、同方、美的等多家企业参与编制的GB/T《工业和商业用热泵热水机》标准已完成了送审稿的编制工作。在该标准中明确了热泵热水机的相关术语的定义、考核工况、实验方法及相关性能指标等。在该标准的编制过程中重点解决的问题是：①出水温度的定义及其限值。出水温度限值在一定程度上代表热泵热水机组所处的技术水平，是产品的核心竞争力之一。热泵热水机组主要提供生活热水，根据国家有关生活热水的要求，其水温应在55度以上。照此理解，正确的出水温度应该被定义为热泵热水系统所需提供的最低出水温度，对一次加热式机组就是水侧换热器出水温度，对循环加热式机组应是储热水箱的平均出水温度。无论那种加热方式，只有储热水箱的平均出水温度大于等于55度，才算达到了生活热水的水温要求。至于产品在其它水温要求较低的场合使用，如泳池保温、海水养殖等，其出水温度自然不成问题，提高其制热水能力成为该类产品的技术核心。②性能指标、曲线及其测试方法。除额定的工况参数，作为中国这样一个幅员辽阔的国家而言，变工况的性能曲线将更能够很好的指导设计院及甲方针对工程项目的选择应用。在其他的类似空调标准中只是简单的提出了变工况性能曲线的绘制要求，而此次热泵热水机组在这个基础上要求设备供应商必须在提供给甲方的资料中体现不低于所要求的7个工况点的变工况曲线。这也是作为标准的编制过程中有意识的引导行业向一个负责任的方向发展。同时这个标准的制定还有另外一个特点就是在测试最大的负荷工况下，机组的运行电压分别按照额定电压的±10%变化值进行测试运行。该条款的写入主要是为了充分提高系统及控制方面的可靠性，使热泵热水机组的适应性更为广阔。关于测试方法，与系统采用的加热方式紧密相关。目前，热泵热水机组的按制热方式分为两大类，一是靠自来水压力或水泵将水压入换热器内，与制冷剂进行对流换热，且将水温一次性提高到所需高度，这就是一次加热式（小流量大温差换热），这包含了换热盘管置于水中，水无宏观流速，靠自然对流换热，业内一般称为沉浸式的加热方式；另一种是用水泵循环加热，把水温加热到所需温度，这就是循环加热式（大流量小温差换热）。就测试而言，一次加热式容易达到稳态，测点布置、结果计算都较简单；而循环式测试方法比较复杂，且测试精度难以控制，这次标准的做法是在测试水箱相关位置取8个点的水温平均值。③型式试验项目的确定。为了确保机组的整体性能与可靠性，必须有适当的型式试验项目来验证，这些试验项目应该覆盖机组在全工况范围内的运行状况。这次标准的制定中充分的考虑了最大负荷与最小负荷的可靠性试验，测取相关数据来评价产品在各种使用条件下的性能变化、安全要求、运行稳定性，并对其潜在风险有一定预测。④输入功率、制热量的统一标称方法。对于一次加热式机组，只要工况与出水稳定，输入功率、制热量也便确定，则额定输入功率、（制热量就是额定工况下机组稳定运行的实际输入功率、制热量。对于循环加热式机组，即使环境工况稳定，由于水温的不断变化，其输入功率、制热量随时都在变化，不可能存在稳定不变的功率值和制热量，在这种情况不存在类似空调运行时的额定输入功率、制热量概念。此时，只有采用平均输入功率、制热量才能够反映机组的电能消耗、制热量情况。

技术本身的差异是决定产品品质高下的根本。部分空调界人士认为，热泵热水器仅仅套用热泵空调原理，系统与结构相对于中央空调来讲都比较简单，无技术含量可言，甚至某些热泵热水器的业内人士也持有相同看法。这是一种肤浅的看法。热泵热水器属于制冷设备（器具）的一种，但它更是一种热水设备，它的宽气候、高温度、长时间运行对机组设计提出了严峻考验。如果不对产品进行全面设计，仅拿冷水机组来拼凑，其结果要么是搞成低水温出水，勉强维持运行；要么故障频出，投诉不断。要真正作好热泵热水器，就必须从以下方面仔细考虑：

一、如何保证能力指标。评价热泵热水器的能力指标主要有能效比和制热水能力（制热量）。如前所述，这种评价不应局限在标准工况，换言之，低温性能同属考核之列。根据其工作特点，性能指标在高温下不成问题，主要是在标况和低温，特别是低温性能，更是凸现产品核心技术竞争力的要素。从理论上分析，提高产品性能的主要思路有：①寻求适合低温运行的高效压缩机，如谷轮公司的超低温涡旋压缩机；②降低两器工作时的传热温差，对蒸发器而言是尽量提高蒸发温度，对冷凝器而言是尽量降低冷凝温度；③采用精确节流方式。从实际可行性来看，思路①是谷轮超低温涡旋压缩机非常规采购物资，且其应用必须配合喷汽增焓技术，而这一技术仅为个别企业掌握；思路②和③目前已被部分企业采用，对低温能力的提升有一定效果，技术工艺方面也容易实现。对思路②而言，降低传热温差的方式有三个，一是增加传热面积，这将引起成本的增加，二是增加载冷剂流量，这将引起输入功率和噪音的增加，三是优化传热效果，这是大有作为的地方。思路③节流方式的选择，鉴于热泵热水器超宽的工况范围，目前大多数厂家都采用热力膨胀阀节流；也有部分厂家的部分机型采用毛细管节流，极少数厂家采用电子膨胀阀节流。三种节流方式的优劣显而易见：从调节精度讲电子膨胀阀最佳，但成本最高，且需电控支持；从成本来讲毛细管最省钱，但调节能力最差。应用毛细管节流时，首先应作好工况划分，将调节范围缩小，提高调节能力。单纯靠一个毛细管是无法实现全工况范围的运行的。应用电子膨胀阀节流时，控制程序成为其成功的关键，传统的中央空调模糊控制方式（动态过热度）控制对循环式热泵热水器并不适用，因为热泵热水器运行时时刻处于变工况之中，模糊控制可能会引起系统振荡，必须开发适合热水器运行的新控制程序。

二、如何保证安全指标。评价安全性能的指标主要有三个：最高排气压力、最高排气温度、最大输入电流。这三个参数一般出现在极限工况，且往往同时出现。①首先，我们来看看高压产生的原因，排除系统堵塞、换热器负荷能力过小的因素，高压的产生源于制冷剂的热力性质和超高的冷凝温度。因此，解决高压的根本办法只有两条，一是选择具有较低冷凝压力并有较高能效比的制冷剂，目前倾向于使用混合制冷剂，如R417A，少数企业自行配置混合制冷剂，其制冷性能已得到验证，但其毒性、可燃性未知，不能得到政府环保部门的认可；或单一工质，可选R134a；二是尽量降低冷凝温度，降低冷凝温度的方法是多式多样的，这里不再一一叙述。第二，我们来看看高温问题。高压伴随高温，这是制冷剂热力循环特性。高温排气既可出现在高温工况，也可出现在低温工况。高温运行时由于蒸发压力高且回气过热度大，排气易过高；低温运行时，由于蒸发压力低、压缩比高（-10度工况下压缩比＞10），制冷剂质量流量小，压缩机电机发热非常厉害而又得不到及时冷却，故也容易出现排气温度过高。两种情况对压缩机来讲都是制冷剂流量不足所致，但其产生的原因却正好相反，一个是蒸发过剩，一个是蒸发不足。因此，对高温工况下排气过高，一般采取两种应对方法：增加制冷剂流量（减短毛细管或开大膨胀阀开度或热气旁通）、降低换热效果（降风速或停风机）。对低温工况下的排气过高，也可采用增加制冷剂流量（减短毛细管或开大膨胀阀开度热气旁通）的方法，但这样做会引起能力的下降和发生湿冲程的危险；此外，还可采取改善蒸发器结构、增加风量等措施，减少或延缓翅片结霜，从而阻止蒸发压力的下降。③超大电流运行。长时间的超大电流（功率）运行，不仅会缩短压缩机、风机电机等重要部件的使用寿命，而且有可能引起输电线路、控制器件的发热老化、漏电甚至起火燃烧，引起安全事故。这是一种风险，关键在于防范。以上所述高温、高压、大电流运行一般均发生在极限工况，在保证大部分使用要求的前提下，我们可以绕过前面所述的种种改善措施，以降低小部分使用要求的代价，来换取系统运行的安全性与稳定性。换言之，有得用比没得用总要强得多。

三、如何做好控制要求。控制系统是整个热水系统的指挥中心，它不仅负责主机的启停，而且还负责水箱的补水、用户的用水、其它辅助热源切入与退出，以及水箱和管道内水的保温防冻。控制系统作为工程项目的重要组成部分，设计前期必须充分考虑各个工程项目的特点，将合适的控制方案放到合适的项目上才能够充分发挥集中控制的优势。

热泵热水机组设计涉及到制冷、供热、自动控制等多学科内容，机组运行条件苛刻、年均运行时间长，这些特点决定了设计时必须全局考虑、仔细推磨，力求在性能与可靠之间找到合适的平衡点，做到尽可能满足使用要求，又能降低故障频率，延长使用寿命，获得最大的经济效益。