在理論上，熱泵的效率永遠(yuǎn)高于1 。在我國的大部分氣候條件下，氣源熱泵和水源熱泵的效率都在2～3 以上，其他加熱設(shè)備如電熱器、燃油、燃?xì)夂腿济旱募訜嵝示? 以下，甚至低于0. 5 ，而且還可能排放大量的燃?xì)夂头蹓m，加劇城市的污染和熱島效應(yīng)。在能源日趨緊張和環(huán)保意識不斷提高的大背景下，利用熱泵技術(shù)制成的熱泵熱水器和熱泵熱風(fēng)機(jī)在家庭、賓館、洗浴中心以及食品干燥、糧食干燥、印染、造紙、化工等場所具有廣闊的應(yīng)用前景。
根據(jù)所采用的工質(zhì)或制冷劑，目前的熱泵可分為常規(guī)熱泵和CO2熱泵。常規(guī)熱泵采用R22，R134a和R410A 等制冷劑，冷凝放熱過程在亞臨界區(qū)進(jìn)行，壓力和溫度維持不變，熱泵的結(jié)構(gòu)與制冷或空調(diào)設(shè)備非常接近，設(shè)計、加工沒有特殊要求，一般制冷或空調(diào)廠家均可生產(chǎn)。
CO2 熱泵以CO2為工質(zhì)，最大特點(diǎn)在于跨臨界熱泵循環(huán)。由于CO2氣體的臨界溫度(31 ℃) 比較低，CO2 熱泵只能采用跨臨界熱泵循環(huán)，冷凝放熱過程中溫度和壓力不斷下降，最高冷凝壓力可達(dá)10 MPa ，有一定的安全憂患，給設(shè)計和生產(chǎn)帶來了一些不便。CO2 熱泵需要專用壓縮機(jī)等配件，成本很高，而效率并沒有超出常規(guī)熱泵很多，因而仍處于開發(fā)階段。一些國家也推出了小功率的家用CO2 熱泵熱水器，年平均COP可達(dá)3 ，但售價卻超過5000 美元。顯然，CO2 熱泵熱水器進(jìn)入百姓生活還有一段漫長的路要走。所以在這里我們重點(diǎn)討論常規(guī)熱泵熱水器。
一 熱泵熱水器的結(jié)構(gòu)原理
從結(jié)構(gòu)上看，熱泵熱水器與水冷式制冷或空調(diào)系統(tǒng)沒有太大區(qū)別，都由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥(或毛細(xì)管) 、蒸發(fā)器以及制冷小附件組成，但它們的用途完全不同。
空氣源熱泵熱水器通常不帶水箱，冷水進(jìn)入冷凝器換熱后，出水溫度已達(dá)要求，故稱為一次換熱式熱泵熱水器。其特點(diǎn)是熱水速度快，但效率可能比較低。
水源熱泵熱水器常帶有水箱，冷水與冷凝器需要多次循環(huán)換熱才能達(dá)到出水溫度要求，故稱為循環(huán)換熱式熱泵熱水器。其特點(diǎn)是加熱時間長，但水量大，效率高，適合人多的場合。
二 渦旋壓縮機(jī)的優(yōu)勢
熱泵以制熱為目的， 無論冬夏，冷凝溫度始終很高，這與一般的制冷或空調(diào)系統(tǒng)不同。高冷凝溫度意味著高冷凝壓力、大壓縮比、高排氣壓力、電機(jī)的過載、潤滑油焦化以及零部件的嚴(yán)重磨損。目前生產(chǎn)熱泵專用壓縮機(jī)的公司很少，而且產(chǎn)品僅供北歐等很少地區(qū)的單熱空調(diào)使用，冷凝溫度低，與熱泵熱水器的要求相差甚遠(yuǎn)。
渦旋壓縮機(jī)的工作范圍比較寬廣，冷凝溫度界限比較高，最高可達(dá)68 ℃。即使在寒冷的冬天，當(dāng)蒸發(fā)溫度為0 ℃，其最高冷凝溫度也可達(dá)到65 ℃，可以滿足出水溫度55 ℃的要求。因此，在熱泵熱水器專用壓縮機(jī)還沒有廣泛應(yīng)用之前，渦旋壓縮機(jī)是最合適的過渡產(chǎn)品。
三 熱泵制熱溫度的局限
理論上， 渦旋壓縮機(jī)的最高排氣溫度允許125 ℃，甚至更高一點(diǎn)。但是，對于空氣源熱泵和水源熱泵， 當(dāng)壓縮機(jī)的排氣溫度超過100 ℃時，系統(tǒng)可能存在壓縮比過大或冷凝面積不足等問題。另外，空調(diào)渦旋壓縮機(jī)在設(shè)計時更多考慮的是國際或國家標(biāo)準(zhǔn)下的制冷運(yùn)行要求和特點(diǎn)，其在渦盤材料選擇、強(qiáng)度和耐磨性要求、電機(jī)熱絕緣等級、電機(jī)功率選擇、潤滑油選擇、性能測試程序設(shè)計、破環(huán)性試驗(yàn)要求等方面，都沒有過多地考慮熱泵運(yùn)行的特點(diǎn)。
嚴(yán)格意義上講，目前市場上熱泵熱水器所用渦旋壓縮機(jī)已超出了渦旋壓縮機(jī)廠家所允許的使用范圍。高出水溫度是以壓縮機(jī)的壽命縮短為代價，最終受損的將是廣大消費(fèi)者。一些廠家表示其熱泵熱水溫度可以更高，這是很令人擔(dān)憂的。
四 電機(jī)過載
電機(jī)超載是造成壓縮機(jī)電機(jī)燒毀的主要原因。一般而言，渦旋壓縮機(jī)在冷凝溫度接近50 ℃時已經(jīng)處于滿負(fù)荷狀態(tài)，超過50 ℃就已經(jīng)超載。當(dāng)冷凝溫度從50 ℃上升到65 ℃后，工作電流從36 安培升高到46 安培，輸入功率也由20 kW(約26 hp) 飚升到26 kW(約35 hp) ，電機(jī)嚴(yán)重過載。對于一般的空調(diào)，50 ℃以上的冷凝溫度并不多見;而對于熱泵熱水器，根據(jù)正在制定中的熱泵熱水器國家標(biāo)準(zhǔn)，出水溫度為55 ℃。顯然，冷凝溫度將常年保持在60 ℃以上，電機(jī)的超載可見一斑。
五 兩步換熱法
對于普通的制冷和空調(diào)系統(tǒng)，冷卻冷凝過程在冷凝器中完成，并沒有做任何劃分。但是對于熱泵而言，將冷卻過程和冷凝過程分開，是有實(shí)際意義的。因?yàn)閴嚎s機(jī)的排氣溫度較高，而冷凝溫度較低。不同的溫度可以用于不同加熱過程。對于一個冷凝溫度為55 ℃，蒸發(fā)溫度為5 ℃，無液體過冷度及回氣過熱度為15 ℃的熱泵系統(tǒng)，壓縮機(jī)的排氣溫度在100～110 ℃之間 。排氣可用顯熱(B2C) 為42 kJ / kg ，而冷凝過程(C2D)的放熱為145 kJ / kg。顯熱達(dá)到總放熱量的1/ 4 ，是潛熱的1/ 3 ，這是非常可觀的。
根據(jù)這個比例，對于從15 ℃加熱到55 ℃的熱水器而言，可以先在55 ℃冷凝器中將水加熱到38～45 ℃，再利用熱氣顯熱加熱到55 ℃。這種利用2個換熱器對水進(jìn)行2次加熱的方法就稱為兩步換熱法。
兩步換熱法將冷卻和冷凝過程分開，并將傳統(tǒng)的冷凝換熱器一分為二:一個冷凝換熱器(低溫?fù)Q熱器) ，一個冷卻換熱器(高溫?fù)Q熱器) 。冷水先進(jìn)入低溫?fù)Q熱器，循環(huán)吸收相變潛熱，成為中溫水;中溫水再進(jìn)入高溫?fù)Q熱器，吸收氣體的顯熱，二次換熱成為高溫水。2個換熱器的區(qū)別在于制冷劑的狀態(tài)，高溫?fù)Q熱器中的制冷劑不能冷凝，冷凝過程只能發(fā)生在低溫?fù)Q熱器中。
兩步換熱法充分利用了一次換熱和循環(huán)換熱的2種熱泵熱水器的優(yōu)點(diǎn)，并且在維持同樣出水溫度的前提下，可以適當(dāng)降低冷凝溫度和冷凝壓力，從而大大緩解壓縮機(jī)電機(jī)的超載情況，降低繞組溫度，對延長電機(jī)壽命非常有利;而對于水溫要求較高的場所，可以在不提高冷凝溫度的情況下做到。
六 化霜循環(huán)
在冬季，空氣源熱泵可能需要化霜。化霜循環(huán)設(shè)計不當(dāng)很容易損壞壓縮機(jī)。化霜開始后，制冷劑在管路中的流向發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，帶霜的蒸發(fā)器突然變成了冷凝器。隨著壓縮機(jī)的高溫排氣大量進(jìn)入，霜開始融化，冷凝溫度開始升高。通常，為了降低熱量的散失，化霜時風(fēng)扇是不轉(zhuǎn)的。隨著霜的減少，溫度上升加快，當(dāng)溫度升高到8～12 ℃時應(yīng)該打開風(fēng)扇，并結(jié)束化霜循環(huán)，整個過程在霜比較少時只有3～4 分鐘。這就要求溫度傳感器具備較高的響應(yīng)速度，以便系統(tǒng)能及時判斷管壁溫度，并發(fā)出終止化霜的指令，否則冷凝溫度會迅速竄升至50 ℃。與此同時，被熱水包圍的冷凝器變成了蒸發(fā)器，從膨脹閥出來的低壓低溫制冷劑突然進(jìn)入溫度高達(dá)50 ℃甚至60 ℃的換熱管，立刻爆沸，蒸發(fā)溫度馬上飚升到接近熱水溫度。如果不停止熱水循環(huán)或減小熱水流量，幾分鐘之內(nèi)，蒸發(fā)溫度將達(dá)到40 ℃或者更高。因此，化霜循環(huán)不正常時會出現(xiàn)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度都在40～50 ℃的危險情況，很容易造成壓縮機(jī)電機(jī)燒毀。
化霜結(jié)束后，蒸發(fā)器(化霜時為冷凝器) 中往往聚集了過多的冷凝液，液體在沒有阻擋的情況下進(jìn)入壓縮機(jī)會引起嚴(yán)重的后果。因此，選擇一個合適的氣液分離器對壓縮機(jī)的安全性非常重要。
七 結(jié) 論
盡管熱泵熱水器體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，但其在節(jié)能方面的突出性能是傳統(tǒng)熱水器無法比擬的。隨著能源價格的不斷攀升，熱泵熱水器等熱泵節(jié)能產(chǎn)品將會有更大的發(fā)展。
渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行范圍廣， COP高，與高價的專用熱泵熱水器壓縮機(jī)相比，具有很高的性價比，在熱泵熱水器中有著廣泛的應(yīng)用前景。出水溫度是熱泵熱水器的重要技術(shù)參數(shù)，提高出水溫度，要考慮到壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍和可靠性。兩步換熱法可以在不提高冷凝溫度的前提下提高出水溫度，從而起到延長壓縮機(jī)使用壽命的作用。
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