家用空气源热泵热水机开发现状与展望

张登科 骆名文 曾光明

(广东美的商用空调设备有限公司，广东 佛山 528311)

1 前言

热泵热水技术是基于热泵技术之上的一种热水供应方式，利用电能驱动将空气中的低品味热能转化成60℃热水中的高品位热能。这种方式水电分离，无废烟废热排出，能效比高，具有安全环保，节约能源等优点。

国外学者对热泵热水系统研究得比较早，产品比较成熟。我国热泵热水机研究应用起步较晚，还有很多亟需提高之处，笔者根据多年的空气源热泵热水机开发经验，旨在对家用空气源热泵热水机产品设计做简单的阐述。

2 系统组成

家用空气源热泵热水机主要由热水制取系统和储热水系统组成。其中热水制取系统主要包括压缩机、冷凝器、节流部件、蒸发器及自控装置组成。

3 分类方式

机组按照不同分类标准可以分为多种不同形式，其中按照加热方式进行分类可以分为一次加热式、循环加热式与静态加热式三种。其中静态加热式又可以分为水箱内置盘管与水箱外置盘管两种。

本文仅对市场上最多的循环加热式与静态加热式空气源热泵热水机组进行简单的对比分析。

4 系统原理

不同结构形式的产品设计有着不同的系统控制方案，下面针对不同结构形式的产品作简单阐述。

4.1 循环加热式

通过图1，可以看出，压缩机把蒸发器吸收的热量传给冷凝器循环水中，被加热的循环水通过循环水泵带到承压保温水箱中，从而把承压水箱的水加热。

图1 循环加热式工作原理简图

4.2 静态加热式

静态加热式热水机的结构形式，需要在保温承压水箱上加工传热盘管。该方案具体又可细分为水箱内置盘管和水箱外置盘管两种结构形式。

4.2.1 水箱内置盘管式。通过图2，可以看出，压缩机把蒸发器吸收的热量传给冷凝器盘管中，高温的盘管把热量传给储水箱的水里面，从而把承压水箱的水加热。

图2 水箱内置盘管式工作流程

4.2.2 水箱外置盘管式。与水箱内置盘管式方案不同，传热盘管和水直接多了一层传热介质——水箱内胆。该结构方案设计下，要注意盘管与水箱内胆紧贴，还要注意盘管间距，管间距太小，冷凝管利用效率较低，管间距太大则冷凝换热面积不够。笔者通过试验证明，φ8×0.5的铜管，管间距在22mm时较为合理。水箱设计方案如图3所示。

图3 水箱外置盘管式承压水箱

5 系统性能、加工工艺及成本比较

5.1 系统性能比较

系统性能的好坏将关系到产品的使用可靠性及经济性，上述几种不同形式的系统其性能也存在较大的差异。

在产品的设计开发过程中，可靠性应该是放在首位的。而在热泵热水机系统当中，压缩机的可靠运行又是我们考虑的重中之重。在国内目前的热泵热水系统中，大部分是采用R22冷媒的转子式压缩机。对于这种压缩机，其运行时的高压侧压力应控制在2.65MPa以下。否则，将超出压缩机的运行范围，压缩机的高压侧压力长时间的2.65MPa以上时将会严重的影响压缩机的使用寿命。

在上述几种方案中，循环加热式热泵热水机由于冷凝器一般使用的是板式换热器或套管式换热器，其换热效率高，传热温差小(由于传热量Q=k·A·Δt，当传热量Q与换热面积A一定时，传热系数k越大则传热温差Δt越小)。当需要同样温度的热水时，其相应的冷凝温度较低，冷凝侧压力也会较低，不会减短压缩机使用寿命。静态加热式(水箱外置盘管式)热泵热水机，由于其传热过程是先将冷媒携带的热量传递给铜管外壁，然后再传给水箱外壁，再经过水箱内胆传递给箱体内静止的水。此时，传热热阻相当大(特别是水箱内胆传递给箱体内静止的水这一过程的热阻非常大)，要想的到相同温度的热水就需要较大的传热温差。此时，其所要求的冷凝温度也相对较高，冷凝侧压力也会随之变高，当要制取60℃热水时，其高压侧压力将会超过2.7MPa，此时将严重影响压缩机的使用寿命。静态加热式(水箱内置盘管式)热泵热水机，由于冷凝管直接放置于所需加热的水中，其换热效率较高，传热温差较小，冷凝侧压力相对较低，也不会影响到压缩机的使用寿命。但是，由于一般的冷凝管均为铜管，放置于水中容易产生铜绿，严重影响换热效率，从而增大其传热温差，长时间使用后同样会使高压侧压力偏高而影响压缩机的使用寿命。此外，当铜管被腐蚀后水会进入系统，从而严重危害压缩机的使用寿命。

在经济性方面，由于循环加热式热泵热水机冷凝器一般使用的是板式换热器或套管式换热器，其换热效率较高，使用经济性较好。但是由于系统中有一循环水泵需要消耗一定的功率，因此会对使用经济性有一定的影响。静态加热式(水箱外置盘管式)热泵热水机，其换热效率最低，使用经济性最差，特别是当水箱内壁产生水垢及长时间使用后由于冷凝铜管与水箱外壁膨胀系数不一致导致冷凝管与水箱外壁接触不佳等原因造成的效率下降更为明显。静态加热式(水箱内置盘管式)热泵热水机，由于冷凝管直接放置于所需加热的水中，其换热效率最高，但是长时间使用后由于铜管产生铜绿，会严重影响加热效率，长时间来看经济性也不是最好。

5.2 加工工艺比较

循环加热式热泵热水机的结构形式对水箱的制作工艺要求不高，就在一般的承压水箱上加两个循环水管接头即可。对主机而言，只需把压缩机、蒸发器、冷凝器、节流部件和循环水泵有序连接起来即可。静态加热式(水箱内置盘管式)热泵热水机的结构形式对水箱的制作工艺要求较高。首先，水箱内部的冷凝管需要支撑管支撑，制造有一定难度;其次，盘管和端盖的密封为铜-钢焊接，焊接有一定难度。静态加热式(水箱外置盘管式)热泵热水机的结构形式对水箱的制作工艺要求最高。由于冷凝管要紧密的等间距的缠绕于水箱外壁，以确保其换热效率，在加工工艺上有一定的难度。

5.3 成本比较

循环加热式热泵热水机较其他两种结构形式的家用热泵热水机相比，少了水箱内的盘管，多了一个板式换热器(或套管式换热器)与一个循环水泵。由于板式换热器(或套管式换热器)与水箱内的盘管的成本相差无几，因此循环加热式热泵热水机较其他两种结构形式的家用热泵热水机的产品成本相对会高出一个循环水泵的价格。

6 总结与展望

通过上述分析介绍，笔者认为，循环加热式家用空气源热泵热水机，冷凝器换热系数高，制造工艺不复杂，但是零部件成本高(需要一个高质量的屏蔽式循环热水泵);系统防冻结要求高，在低温环境中，循环水系统一旦被结冻，循环水泵等重要零部件可能会被冻裂。静态加热式家用空气源热泵热水机，对于水箱内置盘管式承压水箱，盘管易泄漏，存在安全隐患;一旦盘管泄漏，冷媒系统就会进水，系统就没有可维修性，代价很大。对于水箱外置盘管式承压水箱，主要是要注意盘管与水箱内胆紧贴性;当然该方案中，冷凝器传热效率不是很高，但系统运行安全，安装简便，具有成本优势。

目前，家用热泵热水机的开发还处于初级阶段，还存在以下几个需要完善的方面:(1)空气源热泵热水机在低温下制热水效率不高的问题。(2)循环加热式热泵热水机在低温下的防冻结问题。(3)水箱设计不佳导致的水箱有效容积率(水箱放出的有效热水与水箱容积之比)低的问题。(4)静态加热式热泵热水机水箱内温度梯度大的问题。(5)静态加热式热泵热水机存在冷媒存积的问题。

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