空氣源熱泵熱水機組設計要點解析

1、空氣源熱泵熱水機組設計要點解析空氣源熱泵熱水機組是一種利用熱泵原理對水進行加熱的新型熱水制取設備,國外對該類產(chǎn)品的研發(fā)與應用比較早,但國內(nèi)僅在2001年才開始有個別企業(yè)涉足。由于該類產(chǎn)品應用前景廣闊,潛在市場巨大,近兩年來有不少空調(diào)、太陽能等能源行業(yè)的企業(yè)紛紛進入,一個新興的熱水設備行業(yè)正在形成。盡管空氣源熱泵熱水機組目前已初具行業(yè)規(guī)模,產(chǎn)品的市場占有率也正逐步攀升,但目前市場上產(chǎn)品的性能與品質(zhì)相差極大,產(chǎn)品認知度、行業(yè)形象難以在短期內(nèi)深入市場。造成這種現(xiàn)狀的原因主要在于三個方面:一是行業(yè)標準的缺失;二是技術本身的差異;三是急功近利的思想。急功近利的浮躁帶給產(chǎn)品的只是簡單的模仿和復制,不在本文

2、論述之列。行業(yè)標準的缺失是目前所有熱泵熱水器企業(yè)共同面臨的難題,因為標準的缺失,產(chǎn)品的技術指標、測試方法難以確定,同類產(chǎn)品的橫向?qū)Ρ缺容^困難,消費者對產(chǎn)品性價比無法確定,但卻給跟風而上的投機者提供了龍魚混雜的機會。目前,標準急需解決的問題是: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組所處的技術水平,是產(chǎn)品的核心競爭力之一。空氣源熱泵熱水機組主要提供生活熱水,根據(jù)國家有關生活熱水的要求,其水溫應在55度以上,按歐洲標準水溫應在60度以上。照此理解,正確的出水溫度應該被定義為熱泵熱水系統(tǒng)所需提供的最低出水溫度,對一次加熱式機組就是水側(cè)換熱器出水溫度,對循環(huán)加熱式機組應是儲熱水箱

3、的平均出水溫度。無論那種加熱方式,只有儲熱水箱的平均出水溫度大于等于55度,才算達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合使用,如泳池保溫、海水養(yǎng)殖等,其出水溫度自然不成問題,提高其制熱水能力成為該類產(chǎn)品的技術核心。目前,市場上的產(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,還有的定義為儲熱水箱中部水溫。大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品其出水溫度標稱為55度,少數(shù)標稱65度甚至更高,也有部分企業(yè)僅做到50度。性能指標定義、限值及其測試方法。除能效比指標外,應有反映機組制熱水能力的指標,可以制熱量或熱水補償速率來評價,這種評價不應只限于標準工況,低

4、溫工況同樣應做類似評價,并就兩種工況分別做出不同的指標要求。其原因在于熱水機組的年平均使用時間遠遠高于熱泵空調(diào)的年平均使用時間,其節(jié)能效果必須作全季節(jié)考量。關于測試方法,與系統(tǒng)采用的加熱方式緊密相關。目前,熱泵熱水機組的加熱方式按換熱機理可分為兩大類,一是自然對流換熱,一般為換熱盤管臵于水中,水無宏觀流速,靠自然對流換熱,業(yè)內(nèi)一般稱為沉浸式;二是強迫對流換熱,又可分為兩種情況,一種是靠自來水壓力或水泵將水壓入換熱器內(nèi),與制冷劑進行對流換熱,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,而是通過多次

5、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。就測試而言,即熱式容易達到穩(wěn)態(tài),測點布臵、結(jié)果計算都較簡單;沉侵式與循環(huán)式測試基本相同,但比較復雜,且測試精度難以控制,主要難點在于出水平均水溫的測定,通常的做法是機組停機后循環(huán)泵運行兩小時,再測試水箱上中下6個點的水溫,取其平均值。型式試驗項目的確定。為了確保機組的整體性能與可靠性,必須有適當?shù)男褪皆囼烅椖縼眚炞C,這些試驗項目應該覆蓋機組在全工況范圍內(nèi)的運行狀況。通過型式試驗,測取相關數(shù)據(jù)來評價產(chǎn)品在各種使用條件下的性能變化、安全要求、運行穩(wěn)定性,并對其潛在風險有一定預測。輸入功率、輸入電流

6、的統(tǒng)一標稱方法。對于即熱式機組,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組穩(wěn)定運行的實際輸入功率(電流。對于蓄熱式機組,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)運行時的額定輸入功率(電流概念。此時,只有采用平均輸入功率(電流來大致反映機組的電能消耗速率、電路的載流負荷情況?？紤]到機組在極限工況下運行到進水溫度為53度以上(水箱平均水溫接近55時其輸入功率(電流遠遠超過標準工況下的平均輸入功率(電流,因此有必要將此時的功率(電流作為選擇電源容量與電氣器件的安全限值參考

7、點。所以,對循環(huán)式機組,比較適合的標稱應該由標準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)界人士認為,熱泵熱水器僅僅套用熱泵空調(diào)原理,系統(tǒng)與結(jié)構相對于中央空調(diào)來講都比較簡單,無技術含量可言,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備(器具的一種,但它更是一種熱水設備,它的寬氣候、高溫度、長時間運行對機組設計提出了嚴峻考驗。如果不對產(chǎn)品進行全面設計,僅拿冷水機組來拼湊,其結(jié)果要么是搞成低水溫出水,勉強維持運行;要么故障頻出,投訴不斷。要真正作好熱泵

8、熱水器,就必須從以下方面仔細考慮:一如何保證能力指標。評價熱泵熱水器的能力指標主要有能效比和制熱水能力(制熱量或熱水補水速率。如前所述,這種評價不應局限在標準工況,換言之,低溫性能同屬考核之列。根據(jù)其工作特點,性能指標在高溫下不成問題,主要是在標況和低溫,特別是低溫性能,更是凸現(xiàn)產(chǎn)品核心技術競爭力的要素。從理論上分析,提高產(chǎn)品性能的主要思路有:尋求適合低溫運行的高效壓縮機,如古輪公司的超低溫數(shù)碼渦旋壓縮機;或變頻壓縮機;降低兩器工作時的傳熱溫差,對蒸發(fā)器而言是盡量提高蒸發(fā)溫度,對冷凝器而言是盡量降低冷凝溫度;采用精確節(jié)流方式。從實際可行性來看,思路是變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)的應用,是提高低溫制熱能力對的

9、革命性方式,但目前對大多數(shù)企業(yè)均難以實現(xiàn),一是古輪超低溫數(shù)碼渦旋壓縮機非常規(guī)采購物資,且其應用必須配合噴汽增焓技術,而這一技術僅為個別企業(yè)掌握;二是如果采用變頻壓縮機,其控制程序開發(fā)難度大,周期長,且成本會大幅增加;思路和目前已被部分企業(yè)采用,對低溫能力的提升有一定效果,技術工藝方面也容易實現(xiàn)。對思路而言,降低傳熱溫差的方式有三個,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)合熱水機組的工作特點,建議在兩器設計時作如下思考:設計參數(shù)的確定。蒸發(fā)溫度由最低工作-10度來確定,過熱度2度,換熱負荷按40%標況下蒸發(fā)

10、器負荷在加上5%的安全存量來確定,以此作為蒸發(fā)器的設計依據(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,冷凝負荷為極限高溫工況熱負荷,過冷度2度;兩器結(jié)構形式的選擇。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講應選板換,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80度以上的銅管接觸后會產(chǎn)生部分水垢,宜選套管,目前傳熱效率較高的套管有高效螺旋管(

11、同軸換熱器;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型采用毛細管節(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: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;從成本來講毛細管最省錢,但調(diào)節(jié)能力最差。應用毛細管節(jié)流時,首先應作好產(chǎn)品市場細分,將調(diào)節(jié)范圍縮小,提高調(diào)節(jié)能力。一般而言,對面向珠江三角洲等亞熱帶地區(qū)產(chǎn)品,可按偏向高溫來匹配毛細管,對面向黃河以北的偏寒地區(qū)產(chǎn)品,可按偏向低溫溫來匹配毛細管,但不管何種類型產(chǎn)品,均應以組合毛細管來保證運行安全,且面向寒冷地區(qū)的產(chǎn)品,原則上不宜采用毛細管節(jié)流。應用電子膨脹閥節(jié)

12、流時,控制程序成為其成功的關鍵,傳統(tǒng)的中央空調(diào)模糊控制方式(動態(tài)過熱度控制對循環(huán)式熱泵熱水器并不適用,因為熱泵熱水器運行時時刻處于變工況之中,模糊控制可能會引起系統(tǒng)振蕩,必須開發(fā)適合熱水器運行的新控制程序。二如何保證安全指標。評價安全性能的指標主要有三個:最高排氣壓力、最高排氣溫度、最大輸入電流。這三個參數(shù)一般出現(xiàn)在極限工況,且往往同時出現(xiàn)。首先,我們來看看高壓產(chǎn)生的原因,排除系統(tǒng)堵塞、換熱器負荷能力過小的因素,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,目前傾向于使用混合制冷劑,如R417A,少數(shù)企業(yè)自行配

13、臵混合制冷劑,其制冷性能已得到驗證,但其毒性、可燃性未知，不能得到政府環(huán)保部門的認可；或單一工質(zhì)，可選 R134a；二是 盡量降低冷凝溫度，也有兩個方向可以思考：一種是降低傳熱溫差，前面 已述不再重復；一種是通過采用即熱式加熱，避開高冷凝溫度。即熱式加 熱機組在出水溫度為 55 度時，冷凝溫度為 52 度左右，對應冷凝壓力為 20 公斤多一點，而蓄熱式機組要使水箱平均水溫達到 55 度，其水側(cè)換熱 器進出水溫度分別為 53.5 度、57.5 度，其冷凝溫度高達 62 度，冷凝壓力 接近或超過 25 公斤。這里就即熱式與蓄熱式做一簡單比較：即熱式除能 效比略有降低外，它有兩個突出的優(yōu)點：冷凝壓力

14、低和可隨時供應熱水， 不致因補水引起水溫下降影響用戶使用， 不耗費待機時間， 從而間接提高 了產(chǎn)熱水能力。 即熱式的優(yōu)點恰好是蓄熱式的缺點， 但即熱式在技術上實 現(xiàn)較為困難， 主要是動態(tài)流量調(diào)節(jié)技術的準確性及其硬件的可靠性難以保 證，目前國內(nèi)僅有少數(shù)幾家采用即熱式；而蓄熱式在運行控制、生產(chǎn)工藝 方面均比較簡單，易于實現(xiàn)，且系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定可靠。第二，我們來 看看高溫問題。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。 高溫運行時由于蒸發(fā)壓力高且回 氣過熱度大，排氣易過高；低溫運行時，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

15、流量小，壓縮機電機發(fā)熱非常厲害而 又得不到及時冷卻， 故也容易出現(xiàn)排氣溫度過高。 兩種情況對壓縮機來講 都是制冷劑流量不足所致， 但其產(chǎn)生的原因卻正好相反， 一個是蒸發(fā)過剩， 一個是蒸發(fā)不足。 因此， 對高溫工況下排氣過高， 一般采取兩種應對方法： 增加制冷劑流量（減短毛細管或開大膨脹閥開度或熱氣旁通） 、降低換熱 效果（降風速或停風機） 。對低溫工況下的排氣過高，也可采用增加制冷 劑流量（減短毛細管或開大膨脹閥開度熱氣旁通）的方法，但這樣做會引 起能力的下降和發(fā)生濕沖程的危險；此外，還可采取改善蒸發(fā)器結(jié)構、增 加風量等措施，減少或延緩翅片結(jié)霜，從而阻止蒸發(fā)壓力的下降。超大 電流運行。長時間的

16、超大電流（功率）運行，不僅會縮短壓縮機、風機電 機等重要部件的使用壽命， 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。這是一種風險，關鍵在于防范。 以上所述高溫、高壓、大電流運行一般均發(fā)生在極限工況，在保證大部分 使用要求的前提下， 我們可以繞過前面所述的種種改善措施， 以降低小部 分使用要求的代價，來換取系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性。換言之，有得用 比沒得用總要強得多。 三 如何做好控制要求?？刂破魇钦麄€熱水系統(tǒng)的指揮中心，它不 僅負責主機的啟停，而且還負責水箱的補水、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。 即熱式機組除流量調(diào)節(jié)裝置

17、控 制較復雜外， 其余均比循環(huán)式簡單， 故下面重點闡述循環(huán)式熱水機組的控 制要點。主機正常啟?？刂?。主機的正常啟動受回水溫度、用水狀態(tài)、 水箱水位（可轉(zhuǎn)化為水流信號或水壓信號）的共同控制，僅當回水溫度 設定溫度-回差溫度、熱水供水閥關閉（斷開） 、最低水位接通三者 同時滿足機組才啟動運行。 主機正常停車僅受回水溫度同控制， 回水溫度 設定溫度時停止運行。 補水控制。 補水控制對用戶使用效果有重要影 響。 補水由儲水余量與用水狀態(tài)共同控制： 當供水閥閉合且最低水位接 通時，不得補水；當最低水位斷開時，無論供水閥是否閉合，立即強制 補水（事實上此時供水閥應立即關閉） ；供水閥關閉且高水位斷開時，

18、立即補水直至加滿水箱（此時機組應自行啟動運行） 。用水控制。自動 供水受水溫、 水位及用水需求共同控制。 當水溫用戶設定溫度且低水 位接通及有用水請求時，供水閥閉合、供水泵啟動；當水溫用戶設定 溫度-2 或低水位斷開或無用水請求時，供水閥斷開、供水泵停止運行。 強制供水僅受用水需求控制，按下強制供水按紐，供水閥閉合、供水泵啟 動。除霜控制。針對不同地區(qū)氣候條件的差異機組結(jié)霜的區(qū)別，除霜應 采用可編程控制器，以便調(diào)節(jié)除霜參數(shù)設置；同時，機組除霜時宜采用停 機、再啟動方式，以確保四通閥不受液擊之危害。對于采用電子膨脹閥 節(jié)流的系統(tǒng)， 其控制程序應根據(jù)機組運行要求重新編寫。 對于有其它控制 對象輸出的系統(tǒng)，如風機風速調(diào)節(jié)、卸載閥控制等，均應根據(jù)具體的系統(tǒng) 要求進行編程。保溫控制，主要是管道保溫（只要將機組設置成自動運 行水箱便一直在保溫之中） ，難點不在控制程序，在于工程施工時測溫點 的選取，需要工程人員現(xiàn)場多次測試確定。各種常規(guī)保護功能控制。相 序檢測與保護、壓縮機延時保護、高低壓壓力檢測與保護、排氣溫度、出 水溫度檢測與保護、水流