熱泵是一種利用低品位熱能的設(shè)備，采用熱泵制取熱水可以大大降低一次能源的消耗以及燃燒礦物燃料引起的CO。的排放。在中國(guó)，熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用推廣已經(jīng)進(jìn)入快速增長(zhǎng)的軌道。
一、緒言
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，公共建筑和住宅的生活熱水以及空氣調(diào)節(jié)已經(jīng)成為普遍的需求。在發(fā)達(dá)國(guó)家，暖通空調(diào)及熱泵系統(tǒng)所用的能耗可占到社會(huì)總能耗的25~6-30%。在國(guó)際能源局勢(shì)日益緊張的今天，節(jié)能減排已經(jīng)越來(lái)越為世界各國(guó)所關(guān)注。熱泵是一種利用低品位熱能的設(shè)備，采用熱泵制取熱水可以大大降低一次能源的消耗以及燃燒礦物燃料引起的CO。的排放。在中國(guó)，熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用推廣已經(jīng)進(jìn)入快速增長(zhǎng)的軌道。
傳統(tǒng)熱水器采用燃油、天然氣、油制氣等一次能源直接燃燒或采用電加熱等方式產(chǎn)生熱水，其熱效率均不大于l，并且直接燃燒的加熱方式還會(huì)產(chǎn)生有害污染物，帶來(lái)環(huán)境、甚至安全等方面的負(fù)面影響?？諝饽軣崴鞅徽J(rèn)為是傳統(tǒng)熱水器的綠色替代產(chǎn)品。它采用蒸汽壓縮制冷循環(huán)，將來(lái)自周圍環(huán)境的低品質(zhì)熱源進(jìn)行再利用，如空氣、土壤或水源等可再生能源，具有熱效率高，對(duì)使用地區(qū)不會(huì)造成環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)?？諝庠礋岜脽崴魇褂冒惭b簡(jiǎn)便，其產(chǎn)品和技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到了極大的推廣。本文的討論限于空氣源熱泵熱水器。熱泵熱水器的熱效率可高達(dá)3—4(W/W)?？梢园l(fā)現(xiàn)熱泵熱水器的熱效率最高，運(yùn)行費(fèi)用最低。和傳統(tǒng)的熱水器相比，其運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省可帶來(lái)巨大的投資回報(bào)，這是熱泵熱水器市場(chǎng)高速增長(zhǎng)的主要原因之一。
二、空調(diào)壓縮機(jī)在熱泵熱水器應(yīng)用中的技術(shù)局限
熱泵熱水器和空調(diào)器二者的系統(tǒng)原理相同，所采用的零部件大部分是相同或類似的，但二者的運(yùn)行特點(diǎn)卻差異極大：
首先，空調(diào)器一般只在夏季或冬／夏季運(yùn)行，工作運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較短；熱泵熱水器則在一年四季都需要運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。并且GB21362-2008《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)》和GBT23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》對(duì)出水溫度都規(guī)定在55℃。當(dāng)水被加熱到55℃或以上，冷凝溫度就會(huì)達(dá)到60℃左右甚至更高，所以壓縮機(jī)全年都處于高冷凝壓力運(yùn)行狀態(tài)。
在冬季，熱泵空調(diào)器的蒸發(fā)側(cè)在室外，蒸發(fā)溫度隨環(huán)境溫度的降低而降低，冷凝側(cè)在室內(nèi)，室內(nèi)溫度在200C左右，冷凝溫度低；熱泵熱水器的蒸發(fā)側(cè)的工作條件與空調(diào)器相似，但在冷側(cè)，由于水溫為550C左右，冷凝溫度高。壓縮機(jī)在冬季處于高壓縮比和高負(fù)載運(yùn)行工況。
在夏季，空調(diào)器的蒸發(fā)側(cè)在室內(nèi)，蒸發(fā)溫度通常在15℃以下，冷凝溫度較高，但一般低于55℃。熱泵熱水器的蒸發(fā)側(cè)在室外，在環(huán)境溫度43℃時(shí)，蒸發(fā)溫度會(huì)達(dá)到20℃左右，蒸發(fā)溫度高，冷媒流量大，并且冷凝側(cè)由于55℃水溫使冷凝溫度居高不下，壓縮機(jī)在夏季處于高負(fù)載運(yùn)行工況。
三、空調(diào)壓縮機(jī)在熱泵熱水器應(yīng)用中的改進(jìn)方案
以上分析和實(shí)驗(yàn)都證明了普通空調(diào)壓縮機(jī)直接用于熱泵熱水器將導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。對(duì)此問(wèn)題，我們了解到一些采用普通空調(diào)壓縮機(jī)的熱泵熱水器的制造商或工程商，進(jìn)行了以下兩種方案的改進(jìn)：
方案一、普通空調(diào)壓縮機(jī)+輔助電加熱采用普通空調(diào)壓縮機(jī)熱泵運(yùn)行將15℃的水加熱到45℃，然后再用輔助電加熱將45℃的水加熱到55℃。該方案通過(guò)降低熱泵加熱的出水溫度來(lái)降低排氣壓力，照顧了普通空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行要求。但由于采用了電加熱，整個(gè)熱水加熱過(guò)程的能效比低，具體數(shù)值取決于加熱量中電加熱所占的比例，難以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
方案二、“混配”冷媒采用自行配置的冷媒，以達(dá)到降低排氣壓力和溫度的目的。由于“混配”冷媒很少能得到壓縮機(jī)制造商對(duì)性能和可靠性的認(rèn)可，還存在諸多弊端：“混配”冷媒的成分控制的穩(wěn)定性難以保證，造成性能不穩(wěn)定；“混配”冷媒的熱力學(xué)性能與壓縮機(jī)不完全匹配，壓縮機(jī)中零部件的受力未經(jīng)校核，可能超出設(shè)計(jì)極限；“混配”冷媒與壓縮機(jī)材料的相容性未經(jīng)確認(rèn)，長(zhǎng)期可靠性不能保證。
綜上分析，我們認(rèn)為：普通空調(diào)壓縮機(jī)在熱泵熱水器應(yīng)用中有難以克服的技術(shù)問(wèn)題，需要按照熱泵熱水器的應(yīng)用特點(diǎn)和要求開發(fā)專用的壓縮機(jī)。
四、壓縮機(jī)的適用
適用于中國(guó)市場(chǎng)的熱泵熱水器應(yīng)用的理想壓縮機(jī)由于與使用效果直接相關(guān)，用戶首先關(guān)注的熱泵熱水器對(duì)用水溫度的滿足。GB21362-2008和GBT23137-2008對(duì)出水溫度都規(guī)定在55℃。如果根據(jù)不同使用場(chǎng)合進(jìn)一步細(xì)分，還可以發(fā)現(xiàn)對(duì)出水溫度要求的差異化。
例如，用于泳池和地暖的水溫通常在不高于45℃就可以了：針對(duì)生活熱水我國(guó)要求達(dá)到55℃的水溫；用于暖氣的水溫需要更高，至少要在600C以上。所以理想的熱泵熱水器壓縮機(jī)要有能力提供55℃以上乃至60℃的熱水，相對(duì)應(yīng)的冷凝溫度要能達(dá)到60-65℃。
影響熱泵熱水器推廣使用最關(guān)鍵的因素是使用環(huán)境溫度，在寒冷的冬季是否能提供熱水是被關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。我國(guó)地域遼闊，南北氣候差異極大，為使熱泵熱水器的使用能推廣到我國(guó)長(zhǎng)城以南的廣大區(qū)域，覆蓋大約90%的全國(guó)人口，理想的熱泵熱水器需要在冬季最低溫度-20℃的區(qū)域能穩(wěn)定可靠的工作。
結(jié)合以上兩點(diǎn)，可以勾畫出適用于中國(guó)市場(chǎng)的理想熱泵熱水器用壓縮機(jī)。理想的熱泵熱水器壓縮機(jī)能工作在最低大約-20’C的寒冷環(huán)境中，并確保在冬季能提供55℃以上乃至60℃的熱水。
五、應(yīng)用前景
根據(jù)國(guó)際能源署在2007年發(fā)表的最新報(bào)告，中國(guó)每年產(chǎn)生著全世界22%的CO，。CO。是由燃燒石化燃料時(shí)排放的，它是造成地球變暖問(wèn)題的主要溫室氣體。相對(duì)于傳統(tǒng)的直接燃燒化石燃料和直接使用電能的加熱裝置，熱泵熱水器可使能源效率提高3-4倍，這也就是說(shuō)將燃燒所需的化石燃料減至1/4-1/3。因而熱泵熱水器的廣泛推廣和應(yīng)用已被認(rèn)為是環(huán)境保護(hù)中一項(xiàng)有深遠(yuǎn)意義的進(jìn)步。另外我國(guó)能源緊缺，減少資源浪費(fèi)已經(jīng)刻不容緩，如何實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康發(fā)展，節(jié)能是重中之重，政府已經(jīng)越來(lái)越關(guān)注到節(jié)能設(shè)備的推廣上來(lái)，因此熱泵熱水器必將受到社會(huì)各界更多的關(guān)注。
與現(xiàn)今龐大的熱水器市場(chǎng)相比，熱泵熱水器的的市場(chǎng)份額依舊很小，因此潛力巨大，它將是未來(lái)熱水器市場(chǎng)的全新發(fā)展方向。ZWKS熱泵熱水器專用壓縮機(jī)結(jié)合經(jīng)濟(jì)器循環(huán)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)現(xiàn)有熱泵熱水器技術(shù)的突破，它解決了低溫制熱水時(shí)排氣溫度過(guò)高的可靠性問(wèn)題，同時(shí)具有優(yōu)良的運(yùn)行效率，使得熱泵熱水器的應(yīng)用可以拓展到全國(guó)冬季最低溫度-200C的區(qū)域，覆蓋大約90%的全國(guó)人口，具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。