張登科 駱名文 曾光明

(廣東美的商用空調(diào)設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528311)

1 前言

熱泵熱水技術(shù)是基于熱泵技術(shù)之上的一種熱水供應(yīng)方式，利用電能驅(qū)動(dòng)將空氣中的低品味熱能轉(zhuǎn)化成60℃熱水中的高品位熱能。這種方式水電分離，無廢煙廢熱排出，能效比高，具有安全環(huán)保，節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)。

國外學(xué)者對熱泵熱水系統(tǒng)研究得比較早，產(chǎn)品比較成熟。我國熱泵熱水機(jī)研究應(yīng)用起步較晚，還有很多亟需提高之處，筆者根據(jù)多年的空氣源熱泵熱水機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，旨在對家用空氣源熱泵熱水機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)做簡單的闡述。

2 系統(tǒng)組成

家用空氣源熱泵熱水機(jī)主要由熱水制取系統(tǒng)和儲(chǔ)熱水系統(tǒng)組成。其中熱水制取系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器及自控裝置組成。

3 分類方式

機(jī)組按照不同分類標(biāo)準(zhǔn)可以分為多種不同形式，其中按照加熱方式進(jìn)行分類可以分為一次加熱式、循環(huán)加熱式與靜態(tài)加熱式三種。其中靜態(tài)加熱式又可以分為水箱內(nèi)置盤管與水箱外置盤管兩種。

本文僅對市場上最多的循環(huán)加熱式與靜態(tài)加熱式空氣源熱泵熱水機(jī)組進(jìn)行簡單的對比分析。

4 系統(tǒng)原理

不同結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有著不同的系統(tǒng)控制方案，下面針對不同結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品作簡單闡述。

4.1 循環(huán)加熱式

通過圖1，可以看出，壓縮機(jī)把蒸發(fā)器吸收的熱量傳給冷凝器循環(huán)水中，被加熱的循環(huán)水通過循環(huán)水泵帶到承壓保溫水箱中，從而把承壓水箱的水加熱。

圖1 循環(huán)加熱式工作原理簡圖

4.2 靜態(tài)加熱式

靜態(tài)加熱式熱水機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，需要在保溫承壓水箱上加工傳熱盤管。該方案具體又可細(xì)分為水箱內(nèi)置盤管和水箱外置盤管兩種結(jié)構(gòu)形式。

4.2.1 水箱內(nèi)置盤管式。通過圖2，可以看出，壓縮機(jī)把蒸發(fā)器吸收的熱量傳給冷凝器盤管中，高溫的盤管把熱量傳給儲(chǔ)水箱的水里面，從而把承壓水箱的水加熱。

圖2 水箱內(nèi)置盤管式工作流程

4.2.2 水箱外置盤管式。與水箱內(nèi)置盤管式方案不同，傳熱盤管和水直接多了一層傳熱介質(zhì)——水箱內(nèi)膽。該結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)下，要注意盤管與水箱內(nèi)膽緊貼，還要注意盤管間距，管間距太小，冷凝管利用效率較低，管間距太大則冷凝換熱面積不夠。筆者通過試驗(yàn)證明，φ8×0.5的銅管，管間距在22mm時(shí)較為合理。水箱設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 水箱外置盤管式承壓水箱

5 系統(tǒng)性能、加工工藝及成本比較

5.1 系統(tǒng)性能比較

系統(tǒng)性能的好壞將關(guān)系到產(chǎn)品的使用可靠性及經(jīng)濟(jì)性，上述幾種不同形式的系統(tǒng)其性能也存在較大的差異。

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，可靠性應(yīng)該是放在首位的。而在熱泵熱水機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，壓縮機(jī)的可靠運(yùn)行又是我們考慮的重中之重。在國內(nèi)目前的熱泵熱水系統(tǒng)中，大部分是采用R22冷媒的轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)。對于這種壓縮機(jī)，其運(yùn)行時(shí)的高壓側(cè)壓力應(yīng)控制在2.65MPa以下。否則，將超出壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍，壓縮機(jī)的高壓側(cè)壓力長時(shí)間的2.65MPa以上時(shí)將會(huì)嚴(yán)重的影響壓縮機(jī)的使用壽命。

在上述幾種方案中，循環(huán)加熱式熱泵熱水機(jī)由于冷凝器一般使用的是板式換熱器或套管式換熱器，其換熱效率高，傳熱溫差小(由于傳熱量Q=k·A·Δt，當(dāng)傳熱量Q與換熱面積A一定時(shí)，傳熱系數(shù)k越大則傳熱溫差Δt越小)。當(dāng)需要同樣溫度的熱水時(shí)，其相應(yīng)的冷凝溫度較低，冷凝側(cè)壓力也會(huì)較低，不會(huì)減短壓縮機(jī)使用壽命。靜態(tài)加熱式(水箱外置盤管式)熱泵熱水機(jī)，由于其傳熱過程是先將冷媒攜帶的熱量傳遞給銅管外壁，然后再傳給水箱外壁，再經(jīng)過水箱內(nèi)膽傳遞給箱體內(nèi)靜止的水。此時(shí)，傳熱熱阻相當(dāng)大(特別是水箱內(nèi)膽傳遞給箱體內(nèi)靜止的水這一過程的熱阻非常大)，要想的到相同溫度的熱水就需要較大的傳熱溫差。此時(shí)，其所要求的冷凝溫度也相對較高，冷凝側(cè)壓力也會(huì)隨之變高，當(dāng)要制取60℃熱水時(shí)，其高壓側(cè)壓力將會(huì)超過2.7MPa，此時(shí)將嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的使用壽命。靜態(tài)加熱式(水箱內(nèi)置盤管式)熱泵熱水機(jī)，由于冷凝管直接放置于所需加熱的水中，其換熱效率較高，傳熱溫差較小，冷凝側(cè)壓力相對較低，也不會(huì)影響到壓縮機(jī)的使用壽命。但是，由于一般的冷凝管均為銅管，放置于水中容易產(chǎn)生銅綠，嚴(yán)重影響換熱效率，從而增大其傳熱溫差，長時(shí)間使用后同樣會(huì)使高壓側(cè)壓力偏高而影響壓縮機(jī)的使用壽命。此外，當(dāng)銅管被腐蝕后水會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)，從而嚴(yán)重危害壓縮機(jī)的使用壽命。

在經(jīng)濟(jì)性方面，由于循環(huán)加熱式熱泵熱水機(jī)冷凝器一般使用的是板式換熱器或套管式換熱器，其換熱效率較高，使用經(jīng)濟(jì)性較好。但是由于系統(tǒng)中有一循環(huán)水泵需要消耗一定的功率，因此會(huì)對使用經(jīng)濟(jì)性有一定的影響。靜態(tài)加熱式(水箱外置盤管式)熱泵熱水機(jī)，其換熱效率最低，使用經(jīng)濟(jì)性最差，特別是當(dāng)水箱內(nèi)壁產(chǎn)生水垢及長時(shí)間使用后由于冷凝銅管與水箱外壁膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)致冷凝管與水箱外壁接觸不佳等原因造成的效率下降更為明顯。靜態(tài)加熱式(水箱內(nèi)置盤管式)熱泵熱水機(jī)，由于冷凝管直接放置于所需加熱的水中，其換熱效率最高，但是長時(shí)間使用后由于銅管產(chǎn)生銅綠，會(huì)嚴(yán)重影響加熱效率，長時(shí)間來看經(jīng)濟(jì)性也不是最好。

5.2 加工工藝比較

循環(huán)加熱式熱泵熱水機(jī)的結(jié)構(gòu)形式對水箱的制作工藝要求不高，就在一般的承壓水箱上加兩個(gè)循環(huán)水管接頭即可。對主機(jī)而言，只需把壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流部件和循環(huán)水泵有序連接起來即可。靜態(tài)加熱式(水箱內(nèi)置盤管式)熱泵熱水機(jī)的結(jié)構(gòu)形式對水箱的制作工藝要求較高。首先，水箱內(nèi)部的冷凝管需要支撐管支撐，制造有一定難度;其次，盤管和端蓋的密封為銅-鋼焊接，焊接有一定難度。靜態(tài)加熱式(水箱外置盤管式)熱泵熱水機(jī)的結(jié)構(gòu)形式對水箱的制作工藝要求最高。由于冷凝管要緊密的等間距的纏繞于水箱外壁，以確保其換熱效率，在加工工藝上有一定的難度。

5.3 成本比較

循環(huán)加熱式熱泵熱水機(jī)較其他兩種結(jié)構(gòu)形式的家用熱泵熱水機(jī)相比，少了水箱內(nèi)的盤管，多了一個(gè)板式換熱器(或套管式換熱器)與一個(gè)循環(huán)水泵。由于板式換熱器(或套管式換熱器)與水箱內(nèi)的盤管的成本相差無幾，因此循環(huán)加熱式熱泵熱水機(jī)較其他兩種結(jié)構(gòu)形式的家用熱泵熱水機(jī)的產(chǎn)品成本相對會(huì)高出一個(gè)循環(huán)水泵的價(jià)格。

6 總結(jié)與展望

通過上述分析介紹，筆者認(rèn)為，循環(huán)加熱式家用空氣源熱泵熱水機(jī)，冷凝器換熱系數(shù)高，制造工藝不復(fù)雜，但是零部件成本高(需要一個(gè)高質(zhì)量的屏蔽式循環(huán)熱水泵);系統(tǒng)防凍結(jié)要求高，在低溫環(huán)境中，循環(huán)水系統(tǒng)一旦被結(jié)凍，循環(huán)水泵等重要零部件可能會(huì)被凍裂。靜態(tài)加熱式家用空氣源熱泵熱水機(jī)，對于水箱內(nèi)置盤管式承壓水箱，盤管易泄漏，存在安全隱患;一旦盤管泄漏，冷媒系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)水，系統(tǒng)就沒有可維修性，代價(jià)很大。對于水箱外置盤管式承壓水箱，主要是要注意盤管與水箱內(nèi)膽緊貼性;當(dāng)然該方案中，冷凝器傳熱效率不是很高，但系統(tǒng)運(yùn)行安全，安裝簡便，具有成本優(yōu)勢。

目前，家用熱泵熱水機(jī)的開發(fā)還處于初級階段，還存在以下幾個(gè)需要完善的方面:(1)空氣源熱泵熱水機(jī)在低溫下制熱水效率不高的問題。(2)循環(huán)加熱式熱泵熱水機(jī)在低溫下的防凍結(jié)問題。(3)水箱設(shè)計(jì)不佳導(dǎo)致的水箱有效容積率(水箱放出的有效熱水與水箱容積之比)低的問題。(4)靜態(tài)加熱式熱泵熱水機(jī)水箱內(nèi)溫度梯度大的問題。(5)靜態(tài)加熱式熱泵熱水機(jī)存在冷媒存積的問題。

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