空氣源熱泵熱水器簡介及其經(jīng)濟(jì)性分析

1、空氣源熱泵熱水器簡介及其經(jīng)濟(jì)性分析顏松（上海交通大學(xué)，上海200000 ）【摘 要】文章介紹了空氣源熱泵熱水器的工作原理，產(chǎn)島類型及結(jié)構(gòu)，以及熱泵熱水器產(chǎn)品可能帶來的經(jīng)濟(jì)效益，為熱 泵熱水器的推廣應(yīng)用提供有益的參考?！娟P(guān)鍵詞】空吒源熱泵；熱水器；冷礙口【中圖分類號】TM925【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文童編號】1008-1（2009）11-0104-03106-106-【收稿日期】2009-07-21【作者簡介】顏松（1972-）,男，上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院工程頊?zhǔn)可芯糠较驗(yàn)榭照{(diào)的熱回收利用。（一）熱泵熱水器的工作原理熱泵作為一種熱撬傳遞和轉(zhuǎn)移的方法已被廣泛應(yīng)用于空 調(diào)制冷行業(yè).如冰箱和家

2、用分體壁掛機(jī)冰箱在工作時(shí).熱 量被從低溫的冷藏室和冷凍室中轉(zhuǎn)移到溫度較高的房間空氣 中：而分體壁掛機(jī)夏天制冷運(yùn)行時(shí)，熱量則被從溫度較低的 室內(nèi)轉(zhuǎn)移到溫度較高的室外空氣中，分體壁掛機(jī)冬天制熱運(yùn) 行時(shí).熱量則被從溫度較低的室外轉(zhuǎn)移到溫度較離的室內(nèi)空 氣中來其基本熱力學(xué)原理農(nóng)示如卜：根據(jù)熱力學(xué)第一基本定律：能繪既不能創(chuàng)造，也不能消亡， 而只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體.或從一種形式轉(zhuǎn)變成 另一種形式.熱泵并沒有創(chuàng)造或產(chǎn)生熱量，只是把熱量Q從 低溫?zé)嵩矗ㄈ鐚Ρ涠缘睦錅缦浠蚶鋬鱿?對制冷運(yùn)行的 壁掛機(jī)而言的室內(nèi)空氣）轉(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩矗ㄈ鐚Ρ涠缘?房間空氣，對制冷運(yùn)行的壁掛機(jī)而言的室外空氣），低溫?zé)?/p>

3、源 失去的熱量Q都被釋放到高溫?zé)嵩粗腥?。根?jù)熱力學(xué)第二基木定律：熱屋自發(fā)地從高溫流向低溫 不可能把熱最從低溫物體傳至高溫物體而不需要附加條件。 熱泵在把熱量Q從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩催^程中所需要的 附加條件就是要消耗功附又根據(jù)熱力學(xué)第一定律，消耗掉的 功W并沒有消失，只是也轉(zhuǎn)變成熱量并釋放到高溫?zé)嵩粗校?這樣鬲溫?zé)嵩吹玫降臒犭mQb就等于Q和W之和。般從低溫?zé)嵩粗修D(zhuǎn)移出的熱僦Q要大于消耗的功札由 此可見.高溫?zé)嵩赐ㄟ^熱泵原理所獲得的熱最Q要遠(yuǎn)大于所 消耗掉的功Wo熱泵熱水器只不過是利用熱泵原理把從低溫?zé)?源（如空氣.水或土壤等）中所轉(zhuǎn)移出的熱量傳遞到高溫?zé)?源-生活熱水中去罷了，在原理上與冰箱和

4、空調(diào)沒有本質(zhì)區(qū) 別，只是具體應(yīng)用層面匕的差異。若低溫?zé)嵩礊榭諝鈩t稱為 空氣源熱泵熱水器，若低溫?zé)嵩礊樗畡t稱為水源熱泉熱水器， 若低溫?zé)嵩礊橥寥绖t稱為地源熱泵熱水器.本文以下內(nèi)容中 所提及的熱泵熱水器均指空氣源熱泵熱水器。空氣源熱泵熱水器也采用了如下圖所示的蒸汽壓縮式熱 泵循環(huán)從壓縮機(jī)2中排出的高溫髙壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器 3中與生活用水進(jìn)行熱交換制冷劑溫度下降被冷凝成液體， 而生活用水的溫度則被升高，冷凝成液體的制冷劑經(jīng)節(jié)流閥4 變成低溫低壓的制冷劑并進(jìn)入蒸發(fā)器1中與環(huán)境空氣進(jìn)行熱 交換，制冷劑從環(huán)境空氣中吸熱被蒸發(fā)成低溫汽體并披壓縮 機(jī)2吸入。在此循環(huán)過程中.制冷劑液體在蒸發(fā)器1中蒸發(fā) 時(shí)

5、從低溫?zé)嵩矗ōh(huán)境空氣）中吸收熱就Qt.然后通過壓縮機(jī) 壓縮進(jìn)入冷毅器中，在壓縮過程中制冷劑乂吸收了壓縮機(jī)功 耗轉(zhuǎn)換而來的熱雖肌最終這兩部分熱疑Z和0«在冷凝器中 被傳遞給了生活用水，使得生活用水溫度升高。一般此熱泵 循環(huán)的熱效率（壓縮機(jī)每消耗1KW的能呈，能把多少倍的熱 量傳遞給生活熱水）根據(jù)不同的環(huán)境溫度和生活熱水溫度在 2尸5之間變化，也就是說熱泵熱水器每消耗1KW的電能所產(chǎn) 生的熱水加熱量，相當(dāng)于25KW電熱水器所產(chǎn)生的熱水加熱 址。（二）空氣源熱泵熱水器的應(yīng)用技術(shù)分析和產(chǎn)品 結(jié)構(gòu)形式1. 出水溫度和制冷劑從以上熱泵循環(huán)過程可知.熱泵熱水器可以提奇生活用 水的溫度，直-般與人體

6、皮膚直接接觸的最適宜熱水溫度在 4045之何，因而熱泵熱水器要能滿足洗浴等一般生活熱 水需求，必須至少能把出水溫度升高到5（TC以上，另外考虔 到一些應(yīng)用場合會要求超過5（TC的生活熱水，最合適的熱泵 熱水器是要能產(chǎn)生609以上的出水溫度。而這一點(diǎn)主要受到 制冷劑參數(shù)和壓縮機(jī)性能及供應(yīng)的限制，R22、R134a. R410a 和CO?足目前熱泵熱水器最常用的幾種制冷劑。從國內(nèi)外的熱泵熱水器發(fā)展現(xiàn)狀來看.應(yīng)該說R134a的 應(yīng)用逐漸已替代了 R22,除了環(huán)保要求的原因外，R134a能產(chǎn) 生較高的出水溫度及壓力較低應(yīng)是主要因素。R410a和CQ因 壓力較高應(yīng)用相對較少。2 用水方式和產(chǎn)品類型生活熱

7、水主要有兩種典型的用水方式.一種是連續(xù)長時(shí) 間大量用水如淋浴，另一種是短時(shí)間少童頻繁多次用水如洗 手目前市場上主要有兩種類型的熱水器：快速熱水器和容 積式熱水器?？焖贌崴魇侵咐渌趶牧鬟M(jìn)熱水器到流出熱水器的極 短時(shí)間內(nèi)就披加熱到所需熱水溫度，最常用的就是燃?xì)饪焖?熱水器，也有電快速熱水器，其優(yōu)點(diǎn)是即開即用、無儲水熱 損失、體積小.占地面積小、安裝方便、價(jià)格較低。缺點(diǎn)是 不太合適第二種用水方式.一般也不能供多個(gè)用水點(diǎn)同時(shí)用 水，有最低供水壓力限制要求.另外對能源輸入能力也有較 高要求.比如若使用電快速熱水器則配電能力至少也要6 8KI以上容枳式熱水器則使用一個(gè)大容積的承壓水箱把熱水器產(chǎn) 生的熱

8、水先儲存起來，等需要時(shí)再放出來使用，最常用的就 足容積式電熱水器，也有燃?xì)馊莘e式熱水器，其優(yōu)點(diǎn)是適用 于任何-種形式的用水方式，可作為熱水供應(yīng)中心來滿足多 點(diǎn)同時(shí)用水的需求.水溫穩(wěn)定.無水壓限制，所需的能源輸 入能力也較小，一般小于同樣用途的快速熱水器，以家用容 積式電熱水器為例，配電功率只需1KW以上就可滿足使用。 缺點(diǎn)琵要提前啟動熱水器來加熱水箱中的水，有保溫?zé)釗p失. 水箱占用空間大，運(yùn)輸安裝不方便，價(jià)格也較貴.熱泵熱水器由于需要壓縮機(jī)工作時(shí)才能產(chǎn)生熱水，而壓 縮機(jī)又不能象燃?xì)馊紵骰螂娂訜峁?樣頻繁起停，因而熱 泵熱水器只能采用容積式的結(jié)構(gòu)形式來既滿足頻繁用水的要 求乂保證壓縮機(jī)的起停次

9、數(shù)限制。3. 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)形式熱泵熱水器的蒸發(fā)器主要有三種形式：強(qiáng)制空氣對流換 熱翅片式盤管（與空調(diào)換熱盤管類似.白然空氣對流換熱平 板（與冰箱散熱板類似人太陽能加熱平板（與平板式太陽能 吸熱板類似）。后兩科蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)因加工工藝復(fù)雜，吸熱能力 ?。ㄖ贿m用于家用小型機(jī)），安裝不方便，除霜困難.因而很 少采用。而翅片式盤蒂加王工藝成熟，工作可靠，能適應(yīng)各 種大小換熱疑的要求，故應(yīng)用最廣泛。4. 冷凝器常用結(jié)構(gòu)形式和布置方式（1冷凝器與水箱分開布置.水泵帶動水箱中的水經(jīng)過 冷凝器并升溫，冷礙器可采用套管式.板式或殼管式等。優(yōu)點(diǎn)-熱泵完全同水箱分離.水箱和冷凝器可單獨(dú)更換； 水箱內(nèi)無結(jié)垢問題.只耍不漏水

10、即可長期使用；水箱町使用 各種普通保溫?zé)崴?不需專門定制；容易實(shí)現(xiàn)根據(jù)水溫對 冷凝壓力的控制：能用于各種加熱能力的熱泵熱水器。缺點(diǎn)需要水泵；冷凝器結(jié)垢會比較快且除垢困難；水 泵一旦循環(huán)會導(dǎo)致水箱內(nèi)的冷熱水混合加劇而破壞水溫分 層，導(dǎo)致水箱頂部的水溫下降.使得水箱頂部的出口供水水 溫降低，也就降低了水箱的熱水產(chǎn)率。（2）冷凝器與水箱一體布宣，采用沒泡式盤管等形式的 冷凝器直接加熱水箱內(nèi)的水。優(yōu)點(diǎn)不需水泵；水箱內(nèi)傳熱均勻；壓縮機(jī)啟動運(yùn)行時(shí) 不破壞水溫分層.不影響熱水產(chǎn)率，且優(yōu)先加熱水箱頂部的 岀口水溫。缺點(diǎn)-水箱和冷凝器一體，一旦任一部件損壞必須一 同更換：整個(gè)水箱部件需定制；只適合用于小加熱量

11、的熱水 器：冬天冷水溫度較低且剛啟動時(shí)較難控制冷凝壓力5. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式（1）整體式結(jié)構(gòu)，水箱、壓縮機(jī)、冷凝器（包括水泵人 蒸發(fā)器（包括風(fēng)機(jī)）和冷媒系統(tǒng).電控等所有部件都集合在 -起成為一個(gè)整體.優(yōu)點(diǎn)-整裝出廠容易保證產(chǎn)品質(zhì)Sb且現(xiàn)場安裝工作量 小，對安裝工人的技術(shù)要求相對較低，只涉及到水路和電路 連接：熱水器跌可室內(nèi)安裝也可室外安裝，若安裝在室內(nèi)在 夏天還可用來降低其周圍環(huán)境溫度和濕度。缺點(diǎn)考虔到水箱尺寸不能太大.只適合加熱量小和水 箱容積小的家馬或輕型商用熱水器采用：若安裝在室內(nèi)而冬 天又需要采暖曲話，蒸發(fā)器排出的冷氣就會成為負(fù)荷而起不 到節(jié)能效果；安裝在室內(nèi)時(shí)會有壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行的噪音，

12、 且對安裝空間有域小尺寸限制，不能安裝在壁柜等狹窄空間 內(nèi)。因家用或輕型商用熱泵熱水器的壓縮機(jī)和蒸發(fā)器等部件 尺寸比較小，一般就直接把這些部件布遙在水箱頂部，并設(shè) 計(jì)成圓筒狀以減小占地面積，如下圖所示。（2）半分體式結(jié)構(gòu).將壓縮機(jī)、蒸發(fā)器及其風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和 相關(guān)冷媒系統(tǒng).電控組成一個(gè)獨(dú)立的部件.水箱和冷凝器（包 括水泵）等其它部件則集合在一起成為一個(gè)另一部件。優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場安裝方式布置靈活，水箱部件和蒸發(fā)器部件 即可同時(shí)安裝在室內(nèi)，也可同時(shí)安裝在室外，或一個(gè)部件安 裝在室內(nèi)另一個(gè)部件安裝在室外：水箱部件對室內(nèi)安裝空間 也沒有特別要求，可安裝在壁柜等狹窄空間內(nèi)以配合裝修. 而蒸發(fā)器部件則可安裝在室外以完全

13、避免機(jī)組運(yùn)行噪音對室 內(nèi)的影響。缺點(diǎn)-現(xiàn)場安裝調(diào)試較復(fù)雜，除水路和電路連接外，還 涉及到冷媒管路連接；考虔到水箱尺寸不能太大，只適合加 熱鼠小和水箱容積較小的家用或輕型商用熱水器釆用；若壓 縮機(jī)蒸發(fā)器部件放在室內(nèi)時(shí)噪音會較大。（3）分體式結(jié)構(gòu).除水箱外，將壓縮機(jī)、冷凝器（包括 水泵人蒸發(fā)器（包括風(fēng)機(jī)）和冷媒系統(tǒng)、電控尊其它所有部 件集合在一起成為一個(gè)整體.大多數(shù)情況下熱泵熱水器廠家 并不提供標(biāo)準(zhǔn)配置水箱，而是根據(jù)不同客戶的工程實(shí)際悄況另行購買水箱。優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場安裝方式布置靈活，水箱和熱泵本體即可同 時(shí)安裝在室內(nèi).也可同時(shí)安裝在室外，或一個(gè)部件安裝在室 內(nèi)另一個(gè)部件安裝在室外；現(xiàn)場安裝相對較簡單，只

14、涉及到 水管路和電路連接：水箱與熱泵本體之間的安裝距離沒有限 制：水箱容積可靈活配備來滿足不同熱水需求，比如i臺小 型熱泵熱水器也可能通過配一個(gè)大水箱來滿足短時(shí)間超過其 能力十幾倍的大量熱水需求：熱泵本體也可根據(jù)需要安裝在 常年需要制冷的房間內(nèi)來利用制熱水時(shí)的免費(fèi)冷量，而此時(shí) 仍可將大尺寸的水箱放在室外以免占用室內(nèi)空間：適合各種 大小加熱能力的熱泵熱水器采用，大型熱泵熱水器一般采用 此種形式。缺點(diǎn)-每個(gè)工程項(xiàng)目都需要專門訂購水箱；熱水器若室 內(nèi)安裝時(shí)，噪音會比較大；除了冷熱水進(jìn)出水路外.還需要 安裝熱水循環(huán)管路。通常室外安裝的產(chǎn)品形式如下圖所示（蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)一般 采用軸流風(fēng)禺）.國內(nèi)商用熱泵熱水

15、器大多采用此種結(jié)構(gòu)形 式：通常室內(nèi)安裝的產(chǎn)品形式如下圖所示（蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)一般 采用離心風(fēng)機(jī)）.國外商用熱泵熱水器大多采用此種結(jié)構(gòu)形 式：（三）熱泵熱水器的經(jīng)濟(jì)性分析熱泵熱水器右市場上的競爭對手主要是太陽能熱水器. 天燃?xì)鉄崴骱碗姛崴鳎瑹岜脽崴鲀H熱效率較高并一定 意味著經(jīng)濟(jì)性好，關(guān)鍵是要根據(jù)不同的能源價(jià)格比較其實(shí)際使用費(fèi)用的差異.以下的經(jīng)濟(jì)性分析以廣州地區(qū)的氣候和能源價(jià)格為基準(zhǔn) 進(jìn)行，考慮到不同季節(jié)的環(huán)境溫度和水溫不同會對熱水器的 運(yùn)行效率和使用費(fèi)用產(chǎn)生明顯影響，將全年分為夏天、冬夭 和過渡季節(jié)三種氣候進(jìn)行熱水器的年運(yùn)行費(fèi)用核算.其中夏 天按5個(gè)月、冬天3個(gè)月、過渡季節(jié)4個(gè)月進(jìn)行計(jì)算.夏天

16、的自來水平均進(jìn)水溫度取25-C,熱泵熱水器平均效率取3. 5, 冬天的進(jìn)水平均溫度取10-C.熱泵熱水器平均效率取2.5, 過渡季節(jié)的平均進(jìn)水溫度取209,熱泵熱水器平均效率取 30。熱水供水溫度則按55進(jìn)行核算°下表是各種形式熱水 器的年使用費(fèi)用對比：太陽能熱水器按一年有120天時(shí)間完 全靠電加熱來加熱熱水（夏季.冬季和過渡季節(jié)各40天）， 其余時(shí)間則完全由太陽能加熱熱水尺w電MtWitK電計(jì)MMMJMMOMM*667M67M0M0tei041ier3MJ.WMlion1$IS0.%a*a 88a.na«0«2*515a 96a%aw0.Maee330.97ar

17、ano.t?4UIM.m«3-M42wn$742從上表可得出以下結(jié)論：（1）空氣源熱泵熱水器與電熱水器相比，具有明顯的經(jīng) 濟(jì)性。（2）空氣源熱泵熱水器與天燃?xì)鉄崴飨啾纫簿哂幸欢?的經(jīng)濟(jì)性，再考慮到管道天燃?xì)鈨r(jià)格的不斷上調(diào)和燃?xì)鉄崴?器安裝位置的限制，熱泵熱水器與天燃?xì)鉄崴飨啾仍谑袌?上將有不錯(cuò)的競爭力。（3）熱泵熱水器與太陽能熱水器相比.并無明顯的經(jīng)濟(jì) 性.但因太陽能熱水器在城市內(nèi)的安裝位置受到限制，且加 熱能力受天氣影響較大.不如熱泵熱水器供熱水能力穩(wěn)定， 在城市內(nèi)應(yīng)用，熱泵熱水器與太陽能熱水器相比在市場上也 將有不錨的丸爭力。（4）因家庭熱水用承比較小，家用熱泵熱水器的經(jīng)濟(jì)性

18、 不如商用的明顯?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 Graham Morrison. Heat Pump Water Heaters Sydney: The University of New South Wales.2004 G.L. Morrison. T Anderson and M Behnia. Seasonal Performance Rating of Heat Pump Water Heaters Sydney: The University of New South Wales,2004.106-106-（上接第132頁）入空氣造成真空下降。對真空系統(tǒng)進(jìn)行全面查漏工作，發(fā)現(xiàn)凝汽器周圍有異常 氣流聲，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)7號低加至8號低加的疏水引出管的焊接 處有明顯空氣流動的聲音。分析認(rèn)為，可能是運(yùn)行中7號低 加水位過低，疏水管道中為汽水混合物.疏水不暢引起管道 振動.造成焊口破裂。2. 采取措施對破裂處進(jìn)行補(bǔ)焊。將該處封堵后.真空開始回升到正 常水平。為了從根本上防止管道焊口破裂，運(yùn)行