空氣源熱泵熱水機(jī)組設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析

1、空氣源熱泵熱水機(jī)組設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析空氣源熱泵熱水機(jī)組是一種利用熱泵原理對(duì)水進(jìn)行加熱的新型熱水制取設(shè)備，國(guó)外對(duì)該類產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用比較早，但國(guó)內(nèi)僅在2001年才開(kāi)始有個(gè)別企業(yè)涉足。由于該類產(chǎn)品應(yīng)用前景廣闊，潛在市場(chǎng)巨大，近兩年來(lái)有不少空調(diào)、太陽(yáng)能等能源行業(yè)的企業(yè)紛紛進(jìn)入，一個(gè)新興的熱水設(shè)備行業(yè)正在形成。盡管空氣源熱泵熱水機(jī)組目前已初具行業(yè)規(guī)模，產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率也正逐步攀升，但目前市場(chǎng)上產(chǎn)品的性能與品質(zhì)相差極大，產(chǎn)品認(rèn)知度、行業(yè)形象難以在短期內(nèi)深入市場(chǎng)。造成這種現(xiàn)狀的原因主要在于三個(gè)方面：一是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失；二是技術(shù)本身的差異；三是急功近利的思想。急功近利的浮躁帶給產(chǎn)品的只是簡(jiǎn)單的模仿和復(fù)制，不在本文

2、論述之列。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失是目前所有熱泵熱水器企業(yè)共同面臨的難題，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的缺失，產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)、測(cè)試方法難以確定，同類產(chǎn)品的橫向?qū)Ρ缺容^困難，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品性價(jià)比無(wú)法確定，但卻給跟風(fēng)而上的投機(jī)者提供了龍魚混雜的機(jī)會(huì)。目前，標(biāo)準(zhǔn)急需解決的問(wèn)題是：出水溫度定義及其限值。出水溫度限值在一定程度上代表熱泵熱水機(jī)組所處的技術(shù)水平，是產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一?？諝庠礋岜脽崴畽C(jī)組主要提供生活熱水，根據(jù)國(guó)家有關(guān)生活熱水的要求，其水溫應(yīng)在55度以上，按歐洲標(biāo)準(zhǔn)水溫應(yīng)在60度以上。照此理解，正確的出水溫度應(yīng)該被定義為熱泵熱水系統(tǒng)所需提供的最低出水溫度，對(duì)一次加熱式機(jī)組就是水側(cè)換熱器出水溫度，對(duì)循環(huán)加熱式機(jī)組應(yīng)是儲(chǔ)熱水箱

3、的平均出水溫度。無(wú)論那種加熱方式，只有儲(chǔ)熱水箱的平均出水溫度大于等于55度，才算達(dá)到了生活熱水的水溫要求。至于產(chǎn)品在其它水溫要求較低的場(chǎng)合使用，如泳池保溫、海水養(yǎng)殖等，其出水溫度自然不成問(wèn)題，提高其制熱水能力成為該類產(chǎn)品的技術(shù)核心。目前，市場(chǎng)上的產(chǎn)品出水溫度不同的企業(yè)有不同定義，有的定義為水側(cè)換熱器進(jìn)水溫度，有的定義為水側(cè)換熱器出水溫度，還有的定義為儲(chǔ)熱水箱中部水溫。大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品其出水溫度標(biāo)稱為55度，少數(shù)標(biāo)稱65度甚至更高，也有部分企業(yè)僅做到50度。性能指標(biāo)定義、限值及其測(cè)試方法。除能效比指標(biāo)外，應(yīng)有反映機(jī)組制熱水能力的指標(biāo)，可以制熱量或熱水補(bǔ)償速率來(lái)評(píng)價(jià)，這種評(píng)價(jià)不應(yīng)只限于標(biāo)準(zhǔn)工況，低

4、溫工況同樣應(yīng)做類似評(píng)價(jià)，并就兩種工況分別做出不同的指標(biāo)要求。其原因在于熱水機(jī)組的年平均使用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱泵空調(diào)的年平均使用時(shí)間，其節(jié)能效果必須作全季節(jié)考量。關(guān)于測(cè)試方法，與系統(tǒng)采用的加熱方式緊密相關(guān)。目前，熱泵熱水機(jī)組的加熱方式按換熱機(jī)理可分為兩大類，一是自然對(duì)流換熱，一般為換熱盤管輅于水中，水無(wú)宏觀流速，靠自然對(duì)流換熱，業(yè)內(nèi)一般稱為沉浸式；二是強(qiáng)迫對(duì)流換熱，又可分為兩種情況，一種是靠自來(lái)水壓力或水泵將水壓入換熱器內(nèi)，與制冷劑進(jìn)行對(duì)流換熱，且將水溫一次性提高到所需高度，這就是所謂的即熱式或一次加熱式（小流量大溫差換熱）；另一種是用水泵將水打入換熱器內(nèi)，但并不一次性將水溫提到所需高度，而是通過(guò)多

5、次循環(huán)，把水溫加熱到所需高度，這就是所謂的循環(huán)加熱式（大流量小溫差換熱）。沉侵式與循環(huán)式又可統(tǒng)稱為蓄熱式。就測(cè)試而言，即熱式容易達(dá)到穩(wěn)態(tài)，測(cè)點(diǎn)布輅、結(jié)果計(jì)算都較簡(jiǎn)單；沉侵式與循環(huán)式測(cè)試基本相同，但比較復(fù)雜，且測(cè)試精度難以控制，主要難點(diǎn)在于出水平均水溫的測(cè)定，通常的做法是機(jī)組停機(jī)后循環(huán)泵運(yùn)行兩小時(shí)，再測(cè)試水箱上中下6個(gè)點(diǎn)的水溫，取其平均值。型式試驗(yàn)項(xiàng)目的確定。為了確保機(jī)組的整體性能與可靠性，必須有適當(dāng)?shù)男褪皆囼?yàn)項(xiàng)目來(lái)驗(yàn)證，這些試驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)該覆蓋機(jī)組在全工況范圍內(nèi)的運(yùn)行狀況。通過(guò)型式試驗(yàn)，測(cè)取相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)品在各種使用條件下的性能變化、安全要求、運(yùn)行穩(wěn)定性，并對(duì)其潛在風(fēng)險(xiǎn)有一定預(yù)測(cè)。輸入功率、輸入

6、電流的統(tǒng)一標(biāo)稱方法。對(duì)于即熱式機(jī)組，只要工況與出水穩(wěn)定，輸入功率（電流）也便確定，則額定輸入功率、（電流）就是額定工況下機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)際輸入功率（電流）。對(duì)于蓄熱式機(jī)組，即使環(huán)境工況穩(wěn)定，由于水溫的不斷變化，其輸入功率（電流）隨時(shí)都在變化，不可能存在穩(wěn)定不變的功率值和電流值，在這種情況不存在類似空調(diào)運(yùn)行時(shí)的額定輸入功率（電流）概念。此時(shí)，只有采用平均輸入功率（電流）來(lái)大致反映機(jī)組的電能消耗速率、電路的載流負(fù)荷情況?？紤]到機(jī)組在極限工況下運(yùn)行到進(jìn)水溫度為53度以上（水箱平均水溫接近55）時(shí)其輸入功率（電流）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工況下的平均輸入功率（電流），因此有必要將此時(shí)的功率（電流）作為選擇電源容量

7、與電氣器件的安全限值參考點(diǎn)。所以，對(duì)循環(huán)式機(jī)組，比較適合的標(biāo)稱應(yīng)該由標(biāo)準(zhǔn)工況下的平均輸入功率（電流）、和極限工況下的最大輸入功率（電流）（極限高溫與極限低溫二者中取較大值）組成。技術(shù)本身的差異是決定產(chǎn)品品質(zhì)高下的根本。部分空調(diào)界人士認(rèn)為，熱泵熱水器僅僅套用熱泵空調(diào)原理，系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)相對(duì)于中央空調(diào)來(lái)講都比較簡(jiǎn)單，無(wú)技術(shù)含量可言，甚至某些熱泵熱水器的業(yè)內(nèi)人士也持有相同看法。這是一種膚淺的看法。熱泵熱水器屬于制冷設(shè)備（器具）的一種,但它更是一種熱水設(shè)備，它的寬氣候、高溫度、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)機(jī)組設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。如果不對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，僅拿冷水機(jī)組來(lái)拼湊，其結(jié)果要么是搞成低水溫出水，勉強(qiáng)維持運(yùn)行；要么故

8、障頻出，投訴不斷。要真正作好熱泵熱水器，就必須從以下方面仔細(xì)考慮：一如何保證能力指標(biāo)。評(píng)價(jià)熱泵熱水器的能力指標(biāo)主要有能效比和制熱水能力(制熱量或熱水補(bǔ)水速率)。如前所述，這種評(píng)價(jià)不應(yīng)局限在標(biāo)準(zhǔn)工況，換言之，低溫性能同屬考核之列。根據(jù)其工作特點(diǎn)，性能指標(biāo)在高溫下不成問(wèn)題，主要是在標(biāo)況和低溫，特別是低溫性能，更是凸現(xiàn)產(chǎn)品核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的要素。從理論上分析，提高產(chǎn)品性能的主要思路有：尋求適合低溫運(yùn)行的高效壓縮機(jī)，如古輪公司的超低溫?cái)?shù)碼渦旋壓縮機(jī)；或變頻壓縮機(jī)；降低兩器工作時(shí)的傳熱溫差，對(duì)蒸發(fā)器而言是盡量提高蒸發(fā)溫度，對(duì)冷凝器而言是盡量降低冷凝溫度；采用精確節(jié)流方式。從實(shí)際可行性來(lái)看，思路是變?nèi)萘恐评?/p>

9、系統(tǒng)的應(yīng)用，是提高低溫制熱能力對(duì)的革命性方式，但目前對(duì)大多數(shù)企業(yè)均難以實(shí)現(xiàn)，一是古輪超低溫?cái)?shù)碼渦旋壓縮機(jī)非常規(guī)采購(gòu)物資，且其應(yīng)用必須配合噴汽增給技術(shù)，而這一技術(shù)僅為個(gè)別企業(yè)掌握；二是如果采用變頻壓縮機(jī)，其控制程序開(kāi)發(fā)難度大，周期長(zhǎng)，且成本會(huì)大幅增加；思路和目前已被部分企業(yè)采用，對(duì)低溫能力的提升有一定效果，技術(shù)工藝方面也容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)思路而言，降低傳熱溫差的方式有三個(gè)，一是增加傳熱面積，這將引起成本的增加，二是增加載冷劑流量，這將引起輸入功率和噪音的增加，三是優(yōu)化傳熱效果，這是大有作為的地方。結(jié)合熱水機(jī)組的工作特點(diǎn)，建議在兩器設(shè)計(jì)時(shí)作如下思考：i設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。蒸發(fā)溫度由最低工作-10度來(lái)確定，過(guò)

10、熱度A2度，換熱負(fù)荷按40%標(biāo)況下蒸發(fā)器負(fù)荷在加上5%的安全存量來(lái)確定，以此作為蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)依據(jù)，這將比同等輸入功率的空調(diào)換熱器面積約增加20%30%;冷凝溫度根據(jù)采用的加熱方式的不同而有不同的選擇，一般即熱式冷凝溫度可取52度，循環(huán)式最終冷凝溫度為在62度以上，冷凝負(fù)荷為極限高溫工況熱負(fù)荷，過(guò)冷度A2度；ii兩器結(jié)構(gòu)形式的選擇。蒸發(fā)器宜采用片距大(2.53.0mm)、肋高低(1.52.0mm厚度寬(1.52.5mm)的親水翅片，管排及分流路數(shù)盡可能少。冷凝器從換熱效率來(lái)講應(yīng)選板換,考慮到熱水易結(jié)垢（雖然一般出水溫度都低于70度易結(jié)垢區(qū)以下，但部分水與高達(dá)80度以上的銅管接觸后會(huì)產(chǎn)生部分水垢）

11、，宜選套管，目前傳熱效率較高的套管有高效螺旋管（同軸換熱器）；話節(jié)流方式的選擇，鑒于熱泵熱水器超寬的工況范圍，目前大多數(shù)廠家都采用熱力膨脹閥節(jié)流；也有部分廠家的部分機(jī)型采用毛細(xì)管節(jié)流，極少數(shù)廠家采用電子膨脹閥節(jié)流。三種節(jié)流方式的優(yōu)劣顯而易見(jiàn)：從調(diào)節(jié)精度講電子膨脹閥最佳，但成本最高，且需電控支持；從成本來(lái)講毛細(xì)管最省錢，但調(diào)節(jié)能力最差。應(yīng)用毛細(xì)管節(jié)流時(shí)，首先應(yīng)作好產(chǎn)品市場(chǎng)細(xì)分，將調(diào)節(jié)范圍縮小，提高調(diào)節(jié)能力。一般而言，對(duì)面向珠江三角洲等亞熱帶地區(qū)產(chǎn)品，可按偏向高溫來(lái)匹配毛細(xì)管，對(duì)面向黃河以北的偏寒地區(qū)產(chǎn)品，可按偏向低溫溫來(lái)匹配毛細(xì)管，但不管何種類型產(chǎn)品，均應(yīng)以組合毛細(xì)管來(lái)保證運(yùn)行安全，且面向寒冷地

12、區(qū)的產(chǎn)品，原則上不宜采用毛細(xì)管節(jié)流。應(yīng)用電子膨脹閥節(jié)流時(shí)，控制程序成為其成功的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的中央空調(diào)模糊控制方式（動(dòng)態(tài)過(guò)熱度）控制對(duì)循環(huán)式熱泵熱水器并不適用，因?yàn)闊岜脽崴鬟\(yùn)行時(shí)時(shí)刻處于變工況之中，模糊控制可能會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，必須開(kāi)發(fā)適合熱水器運(yùn)行的新控制程序。二如何保證安全指標(biāo)。評(píng)價(jià)安全性能的指標(biāo)主要有三個(gè)：最高排氣壓力、最高排氣溫度、最大輸入電流。這三個(gè)參數(shù)一般出現(xiàn)在極限工況，且往往同時(shí)出現(xiàn)。首先，我們來(lái)看看高壓產(chǎn)生的原因，排除系統(tǒng)堵塞、換熱器負(fù)荷能力過(guò)小的因素，高壓的產(chǎn)生源于制冷劑的熱力性質(zhì)和超高的冷凝溫度。因此，解決高壓的根本辦法只有兩條，一是選擇具有較低冷凝壓力并有較高能效比的制冷劑，

13、目前傾向于使用混合制冷劑，如R417A,少數(shù)企業(yè)自行配輅混合制冷劑，其制冷性能已得到驗(yàn)證，但其毒性、可燃性未知，不能得到政府環(huán)保部門的認(rèn)可；或單一工質(zhì)，可選R134a二是盡量降低冷凝溫度，也有兩個(gè)方向可以思考：一種是降低傳熱溫差，前面已述不再重復(fù)；一種是通過(guò)采用即熱式加熱，避開(kāi)高冷凝溫度。即熱式加熱機(jī)組在出水溫度為55度時(shí)，冷凝溫度為52度左右，對(duì)應(yīng)冷凝壓力為20公斤多一點(diǎn)，而蓄熱式機(jī)組要使水箱平均水溫達(dá)到55度，其水側(cè)換熱器進(jìn)出水溫度分別為53.5度、57.5度，其冷凝溫度高達(dá)62度，冷凝壓力接近或超過(guò)25公斤。這里就即熱式與蓄熱式做一簡(jiǎn)單比較：即熱式除能效比略有降低外，它有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：

14、冷凝壓力低和可隨時(shí)供應(yīng)熱水，不致因補(bǔ)水引起水溫下降影響用戶使用，不耗費(fèi)待機(jī)時(shí)間，從而間接提高了產(chǎn)熱水能力。即熱式的優(yōu)點(diǎn)恰好是蓄熱式的缺點(diǎn)，但即熱式在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)較為困難，主要是動(dòng)態(tài)流量調(diào)節(jié)技術(shù)的準(zhǔn)確性及其硬件的可靠性難以保證，目前國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)幾家采用即熱式；而蓄熱式在運(yùn)行控制、生產(chǎn)工藝方面均比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定可靠。第二，我們來(lái)看看高溫問(wèn)題。高壓伴隨高溫，這是制冷劑熱力循環(huán)特性。高溫排氣既可出現(xiàn)在高溫工況，也可出現(xiàn)在低溫工況。高溫運(yùn)行時(shí)由于蒸發(fā)壓力高且回氣過(guò)熱度大，排氣易過(guò)高；低溫運(yùn)行時(shí)，由于蒸發(fā)壓力低、壓縮比高（-10度工況下壓縮比10）,制冷劑質(zhì)量流量小，壓縮機(jī)電機(jī)發(fā)熱非常

15、厲害而又得不到及時(shí)冷卻，故也容易出現(xiàn)排氣溫度過(guò)高。兩種情況對(duì)壓縮機(jī)來(lái)講都是制冷劑流量不足所致，但其產(chǎn)生的原因卻正好相反，一個(gè)是蒸發(fā)過(guò)剩，一個(gè)是蒸發(fā)不足。因此，對(duì)高溫工況下排氣過(guò)高，一般采取兩種應(yīng)對(duì)方法：增加制冷劑流量（減短毛細(xì)管或開(kāi)大膨脹閥開(kāi)度或熱氣旁通）、降低換熱效果（降風(fēng)速或停風(fēng)機(jī)）。對(duì)低溫工況下的排氣過(guò)高，也可采用增加制冷劑流量（減短毛細(xì)管或開(kāi)大膨脹閥開(kāi)度熱氣旁通）的方法，但這樣做會(huì)引起能力的下降和發(fā)生濕沖程的危險(xiǎn)；此外，還可采取改善蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、增加風(fēng)量等措施，減少或延緩翅片結(jié)霜，從而阻止蒸發(fā)壓力的下降。超大電流運(yùn)行。長(zhǎng)時(shí)間的超大電流（功率）運(yùn)行，不僅會(huì)縮短壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)等重要部件的使

16、用壽命，而且有可能引起輸電線路、控制器件的發(fā)熱老化、漏電甚至起火燃燒，引起安全事故。這是一種風(fēng)險(xiǎn)，關(guān)鍵在于防范。以上所述高溫、高壓、大電流運(yùn)行一般均發(fā)生在極限工況，在保證大部分使用要求的前提下，我們可以繞過(guò)前面所述的種種改善措施，以降低小部分使用要求的代價(jià)，來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。換言之，有得用比沒(méi)得用總要強(qiáng)得多。三如何做好控制要求?？刂破魇钦麄€(gè)熱水系統(tǒng)的指揮中心，它不僅負(fù)責(zé)主機(jī)的啟停，而且還負(fù)責(zé)水箱的補(bǔ)水、用戶的用水、其它輔助熱源切入與退出，以及水箱和管道內(nèi)水的保溫。即熱式機(jī)組除流量調(diào)節(jié)裝輅控制較復(fù)雜外，其余均比循環(huán)式簡(jiǎn)單，故下面重點(diǎn)闡述循環(huán)式熱水機(jī)組的控制要點(diǎn)。主機(jī)正常啟?？刂?。主

17、機(jī)的正常啟動(dòng)受回水溫度、用水狀態(tài)、水箱水位（可轉(zhuǎn)化為水流信號(hào)或水壓信號(hào)）的共同控制，僅當(dāng)i回水溫度W設(shè)定溫度-回差溫度、ii熱水供水閥關(guān)閉（斷開(kāi)）、iii最低水位接通三者同時(shí)滿足機(jī)組才啟動(dòng)運(yùn)行。主機(jī)正常停車僅受回水溫度同控制，回水溫度A設(shè)定溫度時(shí)停止運(yùn)行。補(bǔ)水控制。補(bǔ)水控制對(duì)用戶使用效果有重要影響。補(bǔ)水由儲(chǔ)水余量與用水狀態(tài)共同控制：i當(dāng)供水閥閉合且最低水位接通時(shí)，不得補(bǔ)水；ii當(dāng)最低水位斷開(kāi)時(shí)，無(wú)論供水閥是否閉合，立即強(qiáng)制補(bǔ)水（事實(shí)上此時(shí)供水閥應(yīng)立即關(guān)閉）；話供水閥關(guān)閉且高水位斷開(kāi)時(shí)，立即補(bǔ)水直至加滿水箱（此時(shí)機(jī)組應(yīng)自行啟動(dòng)運(yùn)行）。用水控制。自動(dòng)供水受水溫、水位及用水需求共同控制。i當(dāng)水溫A用

18、戶設(shè)定溫度且低水位接通及有用水請(qǐng)求時(shí)，供水閥閉合、供水泵啟動(dòng)；ii當(dāng)水溫W用戶設(shè)定溫度-2或低水位斷開(kāi)或無(wú)用水請(qǐng)求時(shí)，供水閥斷開(kāi)、供水泵停止運(yùn)行。強(qiáng)制供水僅受用水需求控制，按下強(qiáng)制供水按紐，供水閥閉合、供水泵啟動(dòng)。除霜控制。針對(duì)不同地區(qū)氣候條件的差異機(jī)組結(jié)霜的區(qū)別，除霜應(yīng)采用可編程控制器，以便調(diào)節(jié)除霜參數(shù)設(shè)輅；同時(shí)，機(jī)組除霜時(shí)宜采用停機(jī)、再啟動(dòng)方式，以確保四通閥不受液擊之危害。對(duì)于采用電子膨脹閥節(jié)流的系統(tǒng)，其控制程序應(yīng)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行要求重新編寫。對(duì)于有其它控制對(duì)象輸出的系統(tǒng)，如風(fēng)機(jī)風(fēng)速調(diào)節(jié)、卸載閥控制等，均應(yīng)根據(jù)具體的系統(tǒng)要求進(jìn)行編程。保溫控制，主要是管道保溫（只要將機(jī)組設(shè)輅成自動(dòng)運(yùn)行水箱便一直在保溫之中），難點(diǎn)不在控制程序，在于工程施工時(shí)測(cè)溫點(diǎn)的選取，需要工程人員現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)試確定。各種常規(guī)保護(hù)功能控制。相序檢測(cè)與保護(hù)、壓縮機(jī)延時(shí)保護(hù)、高低壓壓力檢測(cè)與保護(hù)、排氣溫度