相变储热热泵热水器关键技术分析

2014-03-25黄剑峰赵鹏飞

中国新技术新产品 2014年6期

黄剑峰赵鹏飞

（广东长菱空调冷气机制造有限公司，广东佛山 528000）

概述

热水器已经逐渐成为现代人民生活和社会生产中必不可少的设施之一，热水供应也是生活、生产的能源消耗中的重要组成部分。现代市场上的热水器主要可以分为三类，分别为太阳能热水器、燃气热水器以及电热水器。但是上述热水器都或多或少的存在一些问题和缺陷：例如，太阳能热水器收到天气气候的限制，使用的局限性较大；燃气热水器存在较大的安全隐患，容易引发煤气中毒；电热水器的能耗较大，其供热系数低于1。由此可见，相变储热热泵热泵热水器具有极大的优点——环保节能、运行成本较低、适用范围广泛，因此成为现代热水器技术发展的新方向。

1 相变储热热泵热水器工作原理

1.1 相变储热热泵热水器简介

卡诺在1824年奠定了“热泵”的理论基础， 1912年瑞士批准了世界上第一个有关“热泵”的商业专利。相比之下，我国的“热泵”技术的开发和研究较晚，直到1965年，我国才研制开发了第一台热泵空调机。发展到现在，我国已经有超过100多家制造厂在生产热泵热水器。

1.2 相变储热热泵热水器工作原理

“热泵”顾名思义，其原理如同水泵一样，就是指通过能源消耗使热量从低位热能源头向高位热能源头流动的一种装置。在工作时，相变储热热泵热水器主要通过交替实现储热和放热两个工作阶段，先利用压缩机将热量以潜热的主要形式储存于相变材料中；需要用热水时，利用相变材料放出潜热增加进水温度；而在暂时不需用热水供应时，不必停止相变储热热泵热水器的压缩机，从而在停机和再次启动时消耗额外的能源，而是可以通过加热融化相变材料以储存量，如此周而复始，进行循环供热。

2 相变储热热泵热水器的节能可能性

2.1 能耗损失分析

相变储热热泵热水器受季节影响，其蒸发温度不同，设备运行不稳定，在冬季时，其能效比会明显减小，热水供应的速度明显降低。另外，在相变储热热泵热水器中，相变材料是关键，但相变材料在长期使用后会明显损耗，其传热效果大大下降。

2.2 可节能技术点分析

与显热储热相比，相变储热热泵热水器系统因储热密度高，可以大幅减小储热容器的规模。而且，相变储热热泵热水器的放热温度可以相对保持平稳，在放热过程中可以做到近似恒温，因此，相变储热热泵热水器系统具有十分稳定的热水供应性能。此外，相变储热热泵热水器系统中的相变材料的储热温度低，与外界的传热温差小，因此，可以起到很好的保温效果。

3 相变储热热泵热水器的节能改造

3.1 节能原理

现代技术条件下，相变储热热泵热水器主要通过高效的相变材料，结合预热作用等新兴技术实现热水供应的分阶段加热，减小相变储热材料的换热器设备的规模，并采用逆流换热，提高系统的能效比。目前，在变相储热热泵热水器的开发和研究上，主要再用相变储热预热式热泵热水器模型来实现热泵节能效果的最大化。与常规的热泵热水器相比，主要在以下两点上集中体现了相变储热预热式的热泵热水器模型的优点：一是进入加热器的水的温度在预热阶段会高于室温，由此使得制冷剂与水两者之间的换热温差变小；二是在相同储热能量下，相变储热材料储能量大，因此，可以大幅减小相变储热材料的换热器设备的规模。

3.2 节能技术改造

为了达到最大节省能源的目的，最有效的技术改造方法是将变相储热热泵热水器与制冷空调器两种设备结合到一起。变相储热热泵热水器和制冷空调器可以共用一些相同的系统部分，如此这般可以更有效的节省能源，并可以有效缓解空调对环境造成的不利影响。在夏季，较多使用空调器的制冷功能时，可以同时利用空调器产生的冷凝热制造热水，还可以进一步提高空调器的制冷能效比，减少空调器对周围环境的热污染。在春季、秋季和冬季，相对较少使用空调器时，可以利用空调器闲置的热泵系统帮助变相储热热泵热水器系统制造热水。如此这般，可以大幅提高整套结合设备的全年功效率。

随着热水器相关技术的发展与进步，可以以二氧化碳作为环保制冷剂，应用于热泵热水器及空调器。因为二氧化碳相对其他类似功能的材料而言，对环境的负面影响较小，价格低廉，安全系数高，其物理化学性能比较稳定，流动性和传热性能好，单位容积制冷量也很高，因此可以明显减小压缩机尺寸，压缩相变储热热泵热水器和空调器的结合设备系统的体积和规模，降低设备安装的成本，节能环保。此外，还可以考虑将相变储热热泵热水器和其他传统的热水器技术相结合。不仅可以使太阳能热水器不再受天气影响，同时也可以提高热泵的能效比。例如，可以将相变储热热泵热水器的热泵蒸发器做成太阳能集热器，将太阳能作为低位热能。