空气源热泵热水器简介及其经济性分析

1、空气源热泵热水器简介及其经济性分析颜松（上海交通大学，上海200000 ）【摘 要】文章介绍了空气源热泵热水器的工作原理，产岛类型及结构，以及热泵热水器产品可能带来的经济效益，为热 泵热水器的推广应用提供有益的参考。【关键词】空吒源热泵；热水器；冷礙口【中图分类号】TM925【文献标识码】A【文童编号】1008-1（2009）11-0104-03106-106-【收稿日期】2009-07-21【作者简介】颜松（1972-）,男，上海交通大学机械与动力工程学院工程顼士生，研究方向为空调的热回收利用。（一）热泵热水器的工作原理热泵作为一种热撬传递和转移的方法已被广泛应用于空 调制冷行业.如冰箱和家

2、用分体壁挂机冰箱在工作时.热 量被从低温的冷藏室和冷冻室中转移到温度较高的房间空气 中：而分体壁挂机夏天制冷运行时，热量则被从温度较低的 室内转移到温度较高的室外空气中，分体壁挂机冬天制热运 行时.热量则被从温度较低的室外转移到温度较离的室内空 气中来其基本热力学原理农示如卜：根据热力学第一基本定律：能绘既不能创造，也不能消亡， 而只能从一个物体转移到另一个物体.或从一种形式转变成 另一种形式.热泵并没有创造或产生热量，只是把热量Q从 低温热源（如对冰箱而言的冷滅箱或冷冻箱.对制冷运行的 壁挂机而言的室内空气）转移到高温热源（如对冰箱而言的 房间空气，对制冷运行的壁挂机而言的室外空气），低温热

3、源 失去的热量Q都被释放到高温热源中去。根据热力学第二基木定律：热屋自发地从高温流向低温 不可能把热最从低温物体传至高温物体而不需要附加条件。 热泵在把热量Q从低温热源转移到高温热源过程中所需要的 附加条件就是要消耗功附又根据热力学第一定律，消耗掉的 功W并没有消失，只是也转变成热量并释放到高温热源中， 这样鬲温热源得到的热虽Qb就等于Q和W之和。般从低温热源中转移出的热僦Q要大于消耗的功札由 此可见.高温热源通过热泵原理所获得的热最Q要远大于所 消耗掉的功Wo热泵热水器只不过是利用热泵原理把从低温热 源（如空气.水或土壤等）中所转移出的热量传递到高温热 源-生活热水中去罢了，在原理上与冰箱和

4、空调没有本质区 別，只是具体应用层面匕的差异。若低温热源为空气则称为 空气源热泵热水器，若低温热源为水则称为水源热泉热水器， 若低温热源为土壤则称为地源热泵热水器.本文以下内容中 所提及的热泵热水器均指空气源热泵热水器。空气源热泵热水器也采用了如下图所示的蒸汽压缩式热 泵循环从压缩机2中排出的高温髙压的制冷剂气体进入冷凝器 3中与生活用水进行热交换制冷剂温度下降被冷凝成液体， 而生活用水的温度则被升高，冷凝成液体的制冷剂经节流阀4 变成低温低压的制冷剂并进入蒸发器1中与环境空气进行热 交换，制冷剂从环境空气中吸热被蒸发成低温汽体并披压缩 机2吸入。在此循环过程中.制冷剂液体在蒸发器1中蒸发 时

5、从低温热源（环境空气）中吸收热就Qt.然后通过压缩机 压缩进入冷毅器中，在压缩过程中制冷剂乂吸收了压缩机功 耗转换而来的热虽肌最终这两部分热疑Z和0«在冷凝器中 被传递给了生活用水，使得生活用水温度升高。一般此热泵 循环的热效率（压缩机每消耗1KW的能呈，能把多少倍的热 量传递给生活热水）根据不同的环境温度和生活热水温度在 2尸5之间变化，也就是说热泵热水器每消耗1KW的电能所产 生的热水加热量，相当于25KW电热水器所产生的热水加热 址。（二）空气源热泵热水器的应用技术分析和产品 结构形式1. 出水温度和制冷剂从以上热泵循环过程可知.热泵热水器可以提奇生活用 水的温度，直-般与人体

6、皮肤直接接触的最适宜热水温度在 4045之何，因而热泵热水器要能满足洗浴等一般生活热 水需求，必须至少能把出水温度升高到5（TC以上，另外考虔 到一些应用场合会要求超过5（TC的生活热水，最合适的热泵 热水器是要能产生609以上的出水温度。而这一点主要受到 制冷剂参数和压缩机性能及供应的限制，R22、R134a. R410a 和CO?足目前热泵热水器最常用的几种制冷剂。从国内外的热泵热水器发展现状来看.应该说R134a的 应用逐渐已替代了 R22,除了环保要求的原因外，R134a能产 生较高的出水温度及压力较低应是主要因素。R410a和CQ因 压力较高应用相对较少。2 用水方式和产品类型生活热

7、水主要有两种典型的用水方式.一种是连续长时 间大量用水如淋浴，另一种是短时间少童频繁多次用水如洗 手目前市场上主要有两种类型的热水器：快速热水器和容 积式热水器。快速热水器是指冷水在从流进热水器到流出热水器的极 短时间内就披加热到所需热水温度，最常用的就是燃气快速 热水器，也有电快速热水器，其优点是即开即用、无储水热 损失、体积小.占地面积小、安装方便、价格较低。缺点是 不太合适第二种用水方式.一般也不能供多个用水点同时用 水，有最低供水压力限制要求.另外对能源输入能力也有较 高要求.比如若使用电快速热水器则配电能力至少也要6 8KI以上容枳式热水器则使用一个大容积的承压水箱把热水器产 生的热

8、水先储存起来，等需要时再放出来使用，最常用的就 足容积式电热水器，也有燃气容积式热水器，其优点是适用 于任何-种形式的用水方式，可作为热水供应中心来满足多 点同时用水的需求.水温稳定.无水压限制，所需的能源输 入能力也较小，一般小于同样用途的快速热水器，以家用容 积式电热水器为例，配电功率只需1KW以上就可满足使用。 缺点琵要提前启动热水器来加热水箱中的水，有保温热损失. 水箱占用空间大，运输安装不方便，价格也较贵.热泵热水器由于需要压缩机工作时才能产生热水，而压 缩机又不能象燃气燃烧器或电加热管-样频繁起停，因而热 泵热水器只能采用容积式的结构形式来既满足频繁用水的要 求乂保证压缩机的起停次

9、数限制。3. 蒸发器结构形式热泵热水器的蒸发器主要有三种形式：强制空气对流换 热翅片式盘管（与空调换热盘管类似.白然空气对流换热平 板（与冰箱散热板类似人太阳能加热平板（与平板式太阳能 吸热板类似）。后两科蒸发器结构因加工工艺复杂，吸热能力 小（只适用于家用小型机），安装不方便，除霜困难.因而很 少采用。而翅片式盘蒂加王工艺成熟，工作可靠，能适应各 种大小换热疑的要求，故应用最广泛。4. 冷凝器常用结构形式和布置方式（1冷凝器与水箱分开布置.水泵带动水箱中的水经过 冷凝器并升温，冷礙器可采用套管式.板式或壳管式等。优点-热泵完全同水箱分离.水箱和冷凝器可单独更换； 水箱内无结垢问题.只耍不漏水

10、即可长期使用；水箱町使用 各种普通保温热水箱.不需专门定制；容易实现根据水温对 冷凝压力的控制：能用于各种加热能力的热泵热水器。缺点需要水泵；冷凝器结垢会比较快且除垢困难；水 泵一旦循环会导致水箱内的冷热水混合加剧而破坏水温分 层，导致水箱顶部的水温下降.使得水箱顶部的出口供水水 温降低，也就降低了水箱的热水产率。（2）冷凝器与水箱一体布宣，采用没泡式盘管等形式的 冷凝器直接加热水箱内的水。优点不需水泵；水箱内传热均匀；压缩机启动运行时 不破坏水温分层.不影响热水产率，且优先加热水箱顶部的 岀口水温。缺点-水箱和冷凝器一体，一旦任一部件损坏必须一 同更换：整个水箱部件需定制；只适合用于小加热量

11、的热水 器：冬天冷水温度较低且刚启动时较难控制冷凝压力5. 系统结构形式（1）整体式结构，水箱、压缩机、冷凝器（包括水泵人 蒸发器（包括风机）和冷媒系统.电控等所有部件都集合在 -起成为一个整体.优点-整装出厂容易保证产品质Sb且现场安装工作量 小，对安装工人的技术要求相对较低，只涉及到水路和电路 连接：热水器跌可室内安装也可室外安装，若安装在室内在 夏天还可用来降低其周围环境温度和湿度。缺点考虔到水箱尺寸不能太大.只适合加热量小和水 箱容积小的家馬或轻型商用热水器采用：若安装在室内而冬 天又需要采暖曲话，蒸发器排出的冷气就会成为负荷而起不 到节能效果；安装在室内时会有压缩机和风机运行的噪音，

12、 且对安装空间有域小尺寸限制，不能安装在壁柜等狭窄空间 内。因家用或轻型商用热泵热水器的压缩机和蒸发器等部件 尺寸比较小，一般就直接把这些部件布遥在水箱顶部，并设 计成圆筒状以减小占地面积，如下图所示。（2）半分体式结构.将压缩机、蒸发器及其风机系统和 相关冷媒系统.电控组成一个独立的部件.水箱和冷凝器（包 括水泵）等其它部件则集合在一起成为一个另一部件。优点现场安装方式布置灵活，水箱部件和蒸发器部件 即可同时安装在室内，也可同时安装在室外，或一个部件安 装在室内另一个部件安装在室外：水箱部件对室内安装空间 也没有特别要求，可安装在壁柜等狭窄空间内以配合装修. 而蒸发器部件则可安装在室外以完全

13、避免机组运行噪音对室 内的影响。缺点-现场安装调试较复杂，除水路和电路连接外，还 涉及到冷媒管路连接；考虔到水箱尺寸不能太大，只适合加 热鼠小和水箱容积较小的家用或轻型商用热水器釆用；若压 缩机蒸发器部件放在室内时噪音会较大。（3）分体式结构.除水箱外，将压缩机、冷凝器（包括 水泵人蒸发器（包括风机）和冷媒系统、电控尊其它所有部 件集合在一起成为一个整体.大多数情况下热泵热水器厂家 并不提供标准配置水箱，而是根据不同客户的工程实际悄况另行购买水箱。优点现场安装方式布置灵活，水箱和热泵本体即可同 时安装在室内.也可同时安装在室外，或一个部件安装在室 内另一个部件安装在室外；现场安装相对较简单，只

14、涉及到 水管路和电路连接：水箱与热泵本体之间的安装距离没有限 制：水箱容积可灵活配备来满足不同热水需求，比如i台小 型热泵热水器也可能通过配一个大水箱來满足短时间超过其 能力十几倍的大量热水需求：热泵本体也可根据需要安装在 常年需要制冷的房间内来利用制热水时的免费冷量，而此时 仍可将大尺寸的水箱放在室外以免占用室内空间：适合各种 大小加热能力的热泵热水器采用，大型热泵热水器一般采用 此种形式。缺点-每个工程项目都需要专门订购水箱；热水器若室 内安装时，噪音会比较大；除了冷热水进出水路外.还需要 安装热水循环管路。通常室外安装的产品形式如下图所示（蒸发器风机一般 采用轴流风禺）.国内商用热泵热水

15、器大多采用此种结构形 式：通常室内安装的产品形式如下图所示（蒸发器风机一般 采用离心风机）.国外商用热泵热水器大多采用此种结构形 式：（三）热泵热水器的经济性分析热泵热水器右市场上的竞争对手主要是太阳能热水器. 天燃气热水器和电热水器，热泵热水器仅热效率较高并一定 意味着经济性好，关键是要根据不同的能源价格比较其实际使用费用的差异.以下的经济性分析以广州地区的气候和能源价格为基准 进行，考虑到不同季节的环境温度和水温不同会对热水器的 运行效率和使用费用产生明显影响，将全年分为夏天、冬夭 和过渡季节三种气候进行热水器的年运行费用核算.其中夏 天按5个月、冬天3个月、过渡季节4个月进行计算.夏天

16、的自来水平均进水温度取25-C,热泵热水器平均效率取3. 5, 冬天的进水平均温度取10-C.热泵热水器平均效率取2.5, 过渡季节的平均进水温度取209,热泵热水器平均效率取 30。热水供水温度则按55进行核算°下表是各种形式热水 器的年使用费用对比：太阳能热水器按一年有120天时间完 全靠电加热来加热热水（夏季.冬季和过渡季节各40天）， 其余时间则完全由太阳能加热热水尺w电MtWitK电计MMMJMMOMM*667M67M0M0tei041ier3MJ.WMlion1$IS0.%a*a 88a.na«0«2*515a 96a%aw0.Maee330.97ar

17、ano.t?4UIM.m«3-M42wn$742从上表可得出以下结论：（1）空气源热泵热水器与电热水器相比，具有明显的经 济性。（2）空气源热泵热水器与天燃气热水器相比也具有一定 的经济性，再考虑到管道天燃气价格的不断上调和燃气热水 器安装位置的限制，热泵热水器与天燃气热水器相比在市场 上将有不错的竞争力。（3）热泵热水器与太阳能热水器相比.并无明显的经济 性.但因太阳能热水器在城市内的安装位置受到限制，且加 热能力受天气影响较大.不如热泵热水器供热水能力稳定， 在城市内应用，热泵热水器与太阳能热水器相比在市场上也 将有不锚的丸争力。（4）因家庭热水用承比较小，家用热泵热水器的经济性

18、 不如商用的明显。【参考文献】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页）入空气造成真空下降。对真空系统进行全面查漏工作，发现凝汽器周围有异常 气流声，进而发现7号低加至8号低加的疏水引出管的焊接 处有明显空气流动的声音。分析认为，可能是运行中7号低 加水位过低，疏水管道中为汽水混合物.疏水不畅引起管道 振动.造成焊口破裂。2. 采取措施对破裂处进行补焊。将该处封堵后.真空开始回升到正 常水平。为了从根本上防止管道焊口破裂，运行