不為人所熟知的熱泵技術(shù)之二電加熱

1、不為人所熟知的熱泵技術(shù)之二：低溫氣侯為什么需要使用輔助能源江蘇華揚新能源有限公司 陳志強熱泵熱水機搬運能量的多少決定著熱泵產(chǎn)品的經(jīng)濟性能。一定能耗時空氣源熱泵熱水機搬運的能量越多，節(jié)能效果就越好，經(jīng)濟價值就越大。反之，如果空氣能產(chǎn)品在一定能耗時獲得的熱能很少，甚至沒有直接用電加熱產(chǎn)生的能量多，那么這樣的產(chǎn)品沒有節(jié)能價值，也就沒有什么經(jīng)濟價值了。我們用性能參數(shù)（或“能效比”）的數(shù)值來衡量這個產(chǎn)品的能效。許多宣傳空氣源熱泵不用輔助電加熱的人強調(diào)：熱泵的“能效比”超過1，比電加熱高很多，要節(jié)能當然就不能用電加熱。于是，一方面那些不用電加熱的熱泵熱水機冬季故障不斷，另一方面，許多廠商和經(jīng)銷商在“悄悄”

2、使用著輔助電加熱。在此，本文想從技術(shù)層面為熱泵配備輔助電加熱正名，并且理直氣壯地提出：熱泵熱水機欲成為成熟的全面推廣的產(chǎn)品，離不開輔助熱源的支持，輔助電加熱是使用方便的清潔能源，自然是系統(tǒng)配套的首選對象之一。實際上，在熱泵型空調(diào)系統(tǒng)中，采用電加熱作為補充能源幾乎成為常規(guī)配置，并沒有見到多少客戶或者專家學者提議取消這個配置。配備輔助熱源的理由有三：低溫氣侯中空氣源熱泵制熱量不足，往往無法保證熱水需求。前文結(jié)合實驗結(jié)果闡明：空氣源熱泵制熱量與能效比都會隨著環(huán)境溫度的降低而下降。前文圖一中給出：環(huán)境溫度20時制熱量17.2kW（冷熱水溫差40度），到了環(huán)境溫度5時制熱量降為11.23kW（冷熱水溫差

3、51度），比20的數(shù)值降低1/3；到了環(huán)境溫度-5時制熱量降為5.75kW（冷熱水溫差51度），比20的數(shù)值降低了2/3。相關(guān)測試數(shù)據(jù)表明，即使是采用優(yōu)化電機性能曲線、補氣增焓、變頻等改善壓縮機的手段，與名義工況相比，空氣源熱泵機組冬季制熱量依舊會有一半以上的衰減。另一方面，熱水使用的常規(guī)是，環(huán)境溫度降低，自來水溫度降低，冬季熱水使用量往往會比春秋季多使用1/4以上。如果按照滿足冬季極端情況下-5時的熱水負荷、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)24小時連續(xù)工作來設(shè)計，那么，春秋天的機組工作時間往往還不到6個小時，而每天熱水供應量與熱泵機組的配置比需要達到1噸水配置2匹高能效熱泵機組。囿于工程人員經(jīng)驗、市場競爭

4、和投資回報期等方面因素，目前國內(nèi)95%以上的熱水工程無法做到這一點。并且，哪怕能夠保證-5時的熱水供應，遇到特殊情況氣溫更低或者熱水使用量超量，1噸水配置2匹高能效熱泵機組的配置還是顯得不足的。如何處理此矛盾呢？我們還是應該從工程設(shè)計思路中找答案。集中熱水工程設(shè)計有兩種方法：一種是冬季極限負荷法，要求設(shè)計的熱水系統(tǒng)能夠保證冬季極端氣候狀況下的熱水負荷需要。另一種是冬季平均負荷法，要求設(shè)計的熱水系統(tǒng)能夠保證冬季平均氣候條件下的熱水負荷需要，在無法保證熱水負荷的低溫氣候下，該熱水系統(tǒng)通過配備其他熱源的方法保證需求。很顯然，一般情況下，冬季極限負荷法設(shè)計的系統(tǒng)要比冬季平均負荷法的熱泵選型要大，成本要

5、高，節(jié)能效果也會好一些。無論如何設(shè)計，熱源供熱量要能夠保證熱水的需求。如果系統(tǒng)中制熱量不足，那么談能效比已經(jīng)沒有價值：如圖九所示，雖然環(huán)境溫度-5時系統(tǒng)能效比還可以達到1.5，但如果制熱量無法滿足把水制熱的需求，就難免出現(xiàn)“水溫上不去”、“省電不省錢”、“冬天沒法用”這樣惡劣的后果，客戶如何滿意呢。低溫氣候中壓縮機常常超極限運行，長期如此將縮短機器壽命。常規(guī)空調(diào)壓縮機的溫度工作范圍比較窄，熱泵熱水機工作的溫度范圍要大很多（詳見圖六：熱泵系統(tǒng)運行特點），所以，用空調(diào)壓縮機制造熱泵熱水機就會超極限運行。有銷量的經(jīng)銷商都知道，熱泵熱水機在冬季最容易壞壓縮機。冬季壓縮機損壞主要有以下幾種原因：電機卷線

6、溫度過高不同電機有不同的性能曲線，壓縮機一般在最佳的一段電機性能范圍中運行，在此范圍內(nèi)，電機效率高，電機卷線溫度低，一般不超過120。但如圖十所示，水溫55時，當干/濕球溫度為43/26時，空調(diào)壓縮機卷線溫度達到125以上，當干/濕球溫度為-7/-8時，空調(diào)壓縮機卷線溫度達到134左右。卷線溫度過高帶來的問題常常是致命的：一方面潤滑油黏度降低，壓縮機潤滑狀態(tài)惡化，嚴重情況下導致潤滑油碳化，壓縮機卡殼；另一方面電機卷線漆包線、絕緣材料高溫老化，容易直接造成電機短路、壓縮機燒毀。 圖十：空調(diào)壓縮機與熱泵壓縮機卷線溫度對比（摘自上海日立電器有限公司資料）過熱度差引起的液擊故障壓縮機吸氣口前面帶有一個

7、汽液分離器，用以將管道中的液體沉淀下去，保證壓縮機吸的都是氣體。同時，技術(shù)上提出了一個過熱度的概念，把壓縮機吸氣管中冷媒的溫度與翅片管換熱器中冷媒蒸發(fā)溫度的差值定義為過熱度，要求系統(tǒng)運行過程中有一定的過熱度，保證壓縮機不會因吸進液體冷媒而產(chǎn)生液擊葉片的故障。圖十一給出了合理系統(tǒng)與不合理系統(tǒng)中過熱度的不同?？梢钥闯?，在不合理的熱泵系統(tǒng)中，夏季過熱度特別高，而冬季過熱度為負值，液體冷媒混入壓縮機，這就很容易產(chǎn)生液擊故障，導致壓縮機工作能力下降，噪音增大，甚至直接報廢。圖十一：合理系統(tǒng)與不合理系統(tǒng)過熱度的變化（摘自上海日立電器有限公司資料）潤滑油中溶解冷媒過多常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中，潤滑油和冷媒的充注量在一

8、定范圍內(nèi)相對穩(wěn)定，所以潤滑油中的冷媒溶解度也比較容易確定。在水箱內(nèi)或者內(nèi)膽外壁纏繞銅管的熱泵熱水器系統(tǒng)中，由于在熱泵停機期間水箱側(cè)管道溫度高，冷媒自然向低溫側(cè)流動，壓縮機往往成為積蓄液態(tài)冷媒比較多的地方，客觀上造成了潤滑油中液態(tài)冷媒溶解量過大、潤滑油被稀釋的現(xiàn)象，帶來再次啟動過程中潤滑油失效的問題。圖十二：熱泵壓縮機預留電加熱帶位置（摘自上海日立電器有限公司資料）特別值得說明的是，合理開啟輔助能源不一定會降低系統(tǒng)能效。本系列“概述”中提及：對于循環(huán)加熱式熱泵熱水機而言，整體性能參數(shù)是各個時段瞬間性能參數(shù)的疊加，分析瞬間性能參數(shù)的規(guī)律和發(fā)展變化有助于進一步全面了解整體性能參數(shù)。圖九中給出不同環(huán)境

9、溫度下整體性能參數(shù)的數(shù)值，其中環(huán)境溫度-5時的數(shù)值是1.5；而前文圖四中給出了環(huán)境溫度-5時50水加熱的瞬間性能參數(shù)是0.7。這表明整體性能系數(shù)的數(shù)值的高低并不能說明系統(tǒng)運行過程中每一個瞬間性能系數(shù)的大小。圖十三詳細給出了-3環(huán)境中熱泵瞬間性能參數(shù)隨水溫的變換?？梢悦黠@的看出，進水溫度越高，瞬即性能參數(shù)越低。當進水溫度高于43時熱泵瞬間性能參數(shù)值均低于1，且越來越低，這種情況下，43-55范圍內(nèi)熱泵的整體性能參數(shù)肯定是小于1的。如果把43以上的部分不用熱泵制熱，而采用輔助電加熱工作，43-55范圍內(nèi)系統(tǒng)性能參數(shù)不會低于熱泵相應過程的性能參數(shù)值。由圖九得到-3時熱泵熱水機將水由9加熱到55的整體

10、性能參數(shù)值是2.2，這個整體性能參數(shù)值是由各個時段瞬間性能參數(shù)值疊加而來的，可以將此疊加過程分為兩個階段：高能效階段(9-43)和低能效階段(43-55)，如果低能效階段不用熱泵來制熱而采用輔助電加熱，只要輔助電加熱加熱過程的性能參數(shù)不低于低能效階段熱泵加熱的性能參數(shù)，那么，整個“熱泵+輔助電加熱”制熱水的整體性能參數(shù)就不會低于單獨熱泵工作的整體性能參數(shù)。用輔助電加熱來替代熱泵熱水機完成低能效階段的加熱過程的優(yōu)點是顯而易見的：熱泵此時單位制熱量太小，制熱水速度太慢，不利于保證熱水供應速度。采用電加熱輔助時可以適當配置功率較大的電加熱設(shè)備，從而可以在不降低系統(tǒng)整體能效比的情況下提高熱水供應速度。（此時電加熱的功率大小與性能參數(shù)無直接關(guān)系）熱泵此階段的工作過程已經(jīng)偏離其最佳出力范圍，工作效率低，使用壽命短，減少其在此階段的工作運行過程，可以更加有效地保證產(chǎn)品運行壽命。通過配置功率較大的電加熱設(shè)備，提高熱水供應速度，可以適當減少熱泵機組