空气源热泵热水器的研究与开发现状.doc

空气源热泵热水器的研究与开发现状南京师范大学动力工程学院张东亮摘要本文鉴于空气源热泵热水器的研究与开发现状阐述了空气源热泵热水器的工作原理高效节能原理以及相对于目前市场上较为常见的几种家用热水器如燃气热水器电热水器以及太阳能热水器的优势通过理论分析和计算得出空气源热泵热水器能效高以及其供热量的变化特性从而验证了空气源热水器高效节能的特点同时在空气源热泵的除霜问题除霜方法以及除霜控制方法基础上对空气源热泵热水器的冬季除霜方法及除霜控制方法作了简要介绍关键词空气源热泵热水器原理除霜1空气源热泵热水器的工作原理空气源热泵热水器的工作原理如图1所示采用逆卡诺循环原理通过制冷剂与外界空气的温差吸热压缩机的压缩制热以及冷凝器中制冷剂与水的持续换热等过程将水加热至一定温度制得的热水存放于保温储热水箱中供用户随时使用图2为空气源热泵热水器的设备简图图空气源热泵热水器的工作原理图空气源热泵热水器的设备简图2空气源热泵热水器的优势21几种家用热水器的性能比较目前市场上较为常见的几种家用热水器的有关性能指标见表1燃气热水器投资小全运行时有一定的安全隐患特别是城市煤气中毒危险性较大电热水器投资也不大但触电事故也时有所闻空气源热泵热水器的水电分离比较安全当然它的初投资也相对较高表几种家用热水器的性能比较热水器类型热效率一次能源效初投资千元安装条件要求运行费元安全性寿命年备注率煤气80640815无174有中毒爆炸风险1012天然气808015无126有爆炸风险1012LPG80801015无140有爆炸风险1012电蓄热952851015较少位置要求360有漏触电风险510能享受分时电价太阳能250752550要有无遮挡22以上朝南安装场地148有漏触电风险1012不完全享受分时电价空气源热泵3501055055较少位置要求110水电分离无漏触电风险1215能享受分时电价注城市煤气的热值3500kcal3天然气8000kcal3LPG12000kcalkg电860kcalkwh运行费用和投资按把120L15的水加热到55估算22空气源热泵热水器与热水锅炉相比的优点空气源热泵热水器与热水锅炉相比有着较为显著的优势具体如下热效率高产品热效率全年平均在300以上而锅炉的热效率不会超过100运行费用低与燃油燃气锅炉比全年平均可节70的能源加上电价的走低和燃料价格的上涨运行费用低的优点日益突出节能环保热泵产品无任何燃烧排放物目前空气源热泵的制冷剂一般选用环保制冷剂R417AR417A属于氯氟烃CFC类制冷剂是R125R134aR600的混合物ODP0HGWP049不可燃是较好的环保型产品可以完全替代R22的旧系统和新设备较R22可节省15左右的电能运行安全无需值守与燃料锅炉相比运行绝对安全而且全自动控制无需人员值守可节省人员成本3高效节能原理众所周知电热水器是一个用电热棒放在水箱中加热并用于洗浴的热水装置如果需要100升水温度由15提高到55则实际需耗热能4000大卡4000大卡的热能如由电热水器来提供需耗电465kwh因为一个kwh电如果100转化成热能也只有860大卡然而热泵热水器取最高COP35则仅耗电133kwh节电率高达7231节能原理电热水器加热是将电能直接转化成热能而热泵热水器是利用逆卡诺原理即借助一小部分电力推动压缩机对工质做功让它在蒸发器中吸收周围空气中的热能再经冷凝器释放出来供人们使用因而空气源热泵热水器节能率较高获得的热能与所耗的电力的比值称为热电性能系数C0P若热泵热水器的COP平均值为30则用1kwh电力能获得3kwh热力由于空气源热泵热水器的热能主要来自空气中的热能所以有人称这类热水器为空气能热水器而空气中的能量最终来自于太阳辐射能的积累因此也有人称这类热水器为无需阳光的太阳能热水器32能效分析热水器的能效用一次能源的热转换效率来评价用P表示对于二次能源如煤气电热水器其一次能源热转换效率即能效P等于其热水器的热效率e或热电性能系数COP与一次能源转换成二次能源煤气电的效率s的乘积即peS或pCOPS不同的家用热水器其能效或节能性各异燃气热水器的热效率已达80左右有的甚至已达85要进一步提高效率较难提高的幅度也不大最多有5的节能潜力其中煤气热水器的热效率e虽然较高一般为80但因煤气是由煤或油转化而来其转换效率S接近80因此煤气热水器的一次能源热效率p较低只有808064有时甚至更低电热水器的热效率虽高达9095而电热水器的一次能源热转换效率都很低即一次能源的发电效率很低上海当前电厂的平均发电效率375扣除电厂用电和传输损耗到用户约为30因而电热水器的一次能源热效率p仅为95302852而空气源热泵热水器仅COP一项就可高达35之多空气源热泵热水器的一次能源热转换效率也很低为30因而空气源热泵热水器的一次能源热效率p可高达为3530105空气源热泵热水器年平均COP也可高达30这样空气源热泵热水器的年平均一次能源热效率p可高达为30309033供热量分析在实际运行中由于自然水温随着环境温度不断升高因此将水加热到一定温度时所需的热量就随之减少了随着环境温度的升高蒸发温度相应地升高而冷凝温度始终不变仅与进出水温度有关故值逐渐增加但当环境温度时值增加趋于平缓这是由于蒸发温度有一个上限当蒸发温度升高到一定程度时它将趋于不变此时无论环境温度如何增加值都将趋于一个定值由此我们得到结论加热水所需热量随环境温度的升高而减少加热相同质量的水时热泵热水器节能效果非常显著随着环境温度的升高耗电量显著降低当环境温度在零下时耗电量显著增加这也是限制热泵热水器北扩的主要原因尤其当环境温度降低到7以后使用热泵热水器就一定要考虑其工作效果4空气源热泵热水器的冬季除霜问题41结霜原因空气源热泵机组在冬季制热运行时其肋片盘管换热器起蒸发器的作用由于蒸发温度较低盘管表面的温度也随之下降甚至低于0当室外空气在风机驱动下流经盘管时其所含的水分就会析出并附着于盘管表面形成霜层解决除霜问题主要从以下三个方面着手1改进换热器延缓结霜或降低结霜对热泵性能的影响2除霜方法的研究3除霜控制方法的研究下面主要讨论一下空气源热泵热水器的除霜方法及其除霜控制方法42除霜方法目前比较常见的空气源热泵的除霜方法有两种四通阀换向除霜和热气旁通除霜四通阀换向除霜即采用四通阀换向将室外换热器转换成冷凝器来进行故除霜系统比较简单除霜所需的热量是从室内环境的吸热量室内换热器蓄热量压缩机消耗电力和压缩机蓄热量这四部分热量之和热气旁通除霜是指利用压缩机排气管和室外换热器与毛细管之间的旁通回路将压缩机的高温排气直接引入室外换热器中通过蒸汽液化放出的大量热将换热器外侧的霜层融化的除霜方法在除霜时四通阀不需换向室内外换热器风扇停止运行空气源热泵热水器的除霜与空调系统空气源热泵的除霜不同空调系统空气源热泵的除霜需考虑除霜过程是否对室内人体的热舒适性构成影响是否影响空调效果故空调系统空气源热泵的除霜采用热气旁通除霜较为合理而空气源热泵热水器的除霜采用四通阀换向除霜较为合理43除霜控制方法4采用智能除霜控制系统通过电脑根据温度和压力变化来实施除霜随机动态工作从而保证热泵的高效运行其控制原理为制热开始或除霜后经数分钟稳定运行电脑记录当前气象环境下的蒸发压力A并计算得出一个基准值B每一次制热运行由于条件不同就会得到一个不同的A值和一个不同的B基准值A点的蒸发压力随机组运行时间延长换热器表面结霜加厚而下降如图所示当蒸发压力下降至基准值B1点时电脑控制机组进行一次除霜如果气象环境不好换热器表面结霜加快蒸发压力下降也快除霜开始发生在B3点在气象环境很好时换热器表面不结霜蒸发压力保持不下降机组保持制热运行不除霜工作如B4智能除霜系统能根据不同的空气温度和相对湿度的综合条件鉴别出换热器表面结霜的程度智能控制机组除霜或不除霜何时开始除霜何时停止除霜因此提高了热泵机组运行的制热效率降低运行费用约1020减少压缩机在低压下的运行时间延长压缩机寿命图3智能化除霜5前景展望热水器的市场除了未装热水器和新成立家庭新增的需求外大量老的热水器已经到了更新期也有了更新需求用户的多种选择决定了今后热水器的市场是一个竞争的市场太阳能热水器和空气源热泵热水器的投资大购买时增加的投资必须用节约下来的运行费用来补偿回收期将是一根市场的经济杠杆空气源热泵热水器初投资虽然很高但不受安装条件的限制这一点明显优于太阳能热水器因此将成为太阳能热水器的有力竞争对手在市场上堀起并已在太阳能界引起强烈的反响空气源热泵热水器能效高节能效果好不受安装条件限制高度安全是一种应扶持的节能产品大气是太阳能的最大储存库热泵热水器实际上间接利用了太阳能但它的运行不受气候条件限制安装又方便作为一种名符其实的节能产品应该得到政策的支持参考文献1倪德良俞善庆杜云庆家用热水器的能效应用及发展对策能源技术200482倪德良俞善庆新型节能热水器空气源热泵热水器机组上海节能20043罗鸣谢军龙沈国民风冷热泵机组中的热气除霜方法节能200354罗鸣谢军龙沈国民风冷热泵冷热水机组除霜研究建筑热能通风空调20026