家用熱泵熱水器運(yùn)行中常見(jiàn)問(wèn)題分析及解決措施

1、文章編號(hào)：CAR119家用熱泵熱水器運(yùn)行中常見(jiàn)問(wèn)題分析及解決措施李翔1,2 倪龍2 江輝民3 張旭1 馬最良2(1. 同濟(jì)大學(xué) 暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克虾?200092；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 熱泵空調(diào)技術(shù)研究所，哈爾濱 150090；3. 廣東省吉榮空調(diào)設(shè)備公司，廣東 揭陽(yáng) 522000摘 要 針對(duì)目前熱泵熱水器實(shí)際運(yùn)行中最常見(jiàn)的問(wèn)題出水溫度高于50時(shí)壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)過(guò)熱保護(hù)從而不能正常工作，設(shè)計(jì)了一個(gè)空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)的理論分析，并給出相應(yīng)地合理的技術(shù)改進(jìn)措施。 關(guān)鍵詞 空氣源熱泵熱水器 熱保護(hù) 技術(shù)改進(jìn)PROBLEM ANALYSIS OF HOUSEHOLD HEA

2、T PUMP WATER HEATER IN OPERATION AND TECNNICAL IMPROVEMENTLi Xiang1,2 Ni Long 2 Jiang Huiming 3 Zhang Xu 1 Ma Zuiliang 2(1. HVAC & Gas Institute, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Institute of heat pump and air conditioning of technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090

3、, China; 3. Guangdong Jirong Air Conditioning Equipment CO., Jieyang 522000, Guangdong, ChinaAbstract When the outlet water temperature above 50 degrees , compressor start the thermal protection frequently the most common problem of the Air-source heat pump water heater in its actual operation. In o

4、rder to ananyze the reason , an air-source heat pump water heater system was designed and some technical improvement methods also given in this paper .Keywords Air-source heat pump water heater Thermal protection Technical improvement隨著改革開(kāi)放和惠民政策力度的加大，熱水器的需求量還將進(jìn)一步增加。熱水器的普及、生活水平的0 引言 提高、衛(wèi)生習(xí)慣的改進(jìn)，生活熱水的用

5、能量將必然隨著生活水平的提高，熱水器現(xiàn)已成為人們生增加，熱水器的節(jié)能潛力也日益得到人們的重視。 活中一項(xiàng)必需的基本設(shè)施，城鎮(zhèn)居民家庭擁有熱水目前市場(chǎng)上的熱水器產(chǎn)品主要有燃?xì)鉄崴?、器的?shù)量逐年增加。1997年我國(guó)每百戶(hù)家庭擁有熱電熱水器、太陽(yáng)能熱水器三種類(lèi)型。而被稱(chēng)為第4水器數(shù)量為39.8%，2000年為49.3%，2002年增加代熱水器的空氣源熱泵熱水器因環(huán)保、節(jié)能、運(yùn)行國(guó)外調(diào)查指出，人均熱水消耗量為25為62.4%1。安全等優(yōu)點(diǎn)，正在引起廣泛地重視。然而熱泵熱水35L/d，4人家庭規(guī)模人均耗量更大2。參照這一調(diào)器作為一種新型的節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)查結(jié)果，考慮地區(qū)、季節(jié)等差異，我國(guó)每年

6、僅城鎮(zhèn)間還不長(zhǎng)，某些技術(shù)方面還沒(méi)有電熱水器，燃?xì)鉄峋用駸崴芎恼鬯愠呻娏ο木瓦_(dá)175245億水器那么成熟，在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常遇到這樣問(wèn)題：kW ·h 3。外經(jīng)貿(mào)部研究院市場(chǎng)研究部2002年的研當(dāng)輸出熱水溫度高于50時(shí)使壓縮機(jī)過(guò)熱保護(hù)，不究結(jié)果顯示，廣州和上海生活熱水洗澡用能占家庭能正常工作，產(chǎn)生頻繁開(kāi)機(jī)，直接影響壓縮機(jī)的使生活用能的比例分別是19.1%和13.1%4，各類(lèi)公用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤嚎s機(jī)6。因此，筆者共建筑衛(wèi)生熱水能耗占總運(yùn)行能耗的2040%5。設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的空氣源熱泵熱水器，如表1所示，并采用集總參數(shù)法建立了該空氣源熱泵熱水器的基金項(xiàng)目：廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目

7、數(shù)學(xué)模型，借此對(duì)熱泵熱水器實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)(No.2008B080501013題進(jìn)行了較深入的相關(guān)理論分析，并給出相應(yīng)地合作者簡(jiǎn)介：李翔（1984-），男，博士研究生理的技術(shù)改進(jìn)措施。1 熱泵熱水器運(yùn)行特性分析部件名稱(chēng) 熱水箱 蒸發(fā)器 冷凝器 毛細(xì)管 管路系統(tǒng) 氣液分離器 干燥過(guò)濾器 電磁閥 制冷劑充注量描述通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的熱泵熱水器進(jìn)行模擬運(yùn)行分析，我們得到了熱泵熱水器的實(shí)際運(yùn)行特性：表1 空氣源熱泵熱水器部件參數(shù)備注熱水容量120L ，圓柱形，殼體尺寸542×850 50mm厚玻璃絲棉保溫全封閉滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī) 套片式翅片換熱器 浸沒(méi)式螺旋盤(pán)管水冷冷凝器 入口裝300目英寸的過(guò)濾器

8、 盡量縮短管線長(zhǎng)度 筒體型氣液分離器 接口尺寸1/4英寸 連接尺寸3/8英寸銅管外徑9.52mm ，長(zhǎng)度8.4m ，翅化系數(shù)17.6，翅片厚度0.15mm 紫銅管型號(hào)9.9×0.75mm，換熱面積1.445m2，長(zhǎng)度46.5m 內(nèi)徑1.6mm ，長(zhǎng)度0.8m紫銅管，吸汽管：12×1.5mm；排汽管：10×1.5mm；液體管：8×1.5mm壓縮機(jī) YZG-25RT1，額定功率860WJJY-2 SEK032 EVRA31.709 R22 熱水平均溫度 0c圖1 冷凝壓力隨熱水平均溫度的變化熱水平均溫度 o c圖2 壓縮比隨熱水平均溫度的變化壓縮比2 熱水器

9、運(yùn)行問(wèn)題分析及相應(yīng)解決措施2.1 熱水器運(yùn)行中問(wèn)題分析從以上運(yùn)行特性圖可清晰的看到：熱水加熱過(guò)程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，熱水溫度的升高，使得冷凝壓力、壓縮比和排氣溫度隨之升高，系統(tǒng)COP 下降。同時(shí)，冷凝壓力、壓縮比和排氣溫度在運(yùn)行的過(guò)程中，如此大范圍的波動(dòng)是普通空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)很少見(jiàn)的，較高的冷凝溫度、壓縮比和排氣溫度使得壓縮機(jī)效率大大降低，系統(tǒng)的性能也隨之降低，甚至可能會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行；與此同時(shí)熱泵熱水器必須每天都進(jìn)行這種周而復(fù)始的變化過(guò)程，因此對(duì)熱水器的壽命有一定的影響。2.2 幾種改進(jìn)方法的研究與普通空調(diào)工況范圍相比，熱泵熱水器工作區(qū)間要寬廣的多，如圖4所示，與空調(diào)工況相比，多

10、了四個(gè)工作區(qū)間： 圖4熱泵熱水器使用范圍示意圖1 低溫帶該區(qū)間壓力小，冷媒比容大，使得制冷劑流量低，回油困難。壓縮機(jī)輸出能力小，電機(jī)效率低下。流量低，電機(jī)散熱能力惡化，溫升迅速。此外，電流比較低，壓縮機(jī)保護(hù)器無(wú)法動(dòng)作，所有這些使壓縮機(jī)容易出現(xiàn)過(guò)熱燒毀。2 高溫帶該區(qū)間的特點(diǎn)是環(huán)境溫度高，即夏天制熱水狀態(tài)。蒸發(fā)溫度很高，有時(shí)候蒸發(fā)器出口溫度甚至達(dá)到了環(huán)境溫度，壓縮機(jī)吸氣溫度高使得排氣溫度也上升，容易使壓縮機(jī)出現(xiàn)過(guò)熱。在該條件下，必須保證壓縮機(jī)溫度不超過(guò)其保護(hù)器最大設(shè)置溫度，也可以提高電機(jī)絕緣等級(jí)，使壓縮機(jī)耐熱溫度上升。在盤(pán)管溫度較高的情況下，系統(tǒng)設(shè)置上也需要將風(fēng)機(jī)停止工作，或風(fēng)機(jī)變速，以保護(hù)壓縮

11、機(jī)不至于損壞。3 熱水帶提供較高的熱水溫度，那么制冷劑冷凝溫度相應(yīng)上升，排氣壓力增高，壓縮機(jī)負(fù)荷迅速上升，溫升較大。如果長(zhǎng)時(shí)間在該狀態(tài)下工作，將使壓縮機(jī)內(nèi)部零部件的性能受損，影響壓縮機(jī)工作壽命。4 冷水帶在該工況下，冷凝溫度低，壓縮比也較小，壓縮機(jī)負(fù)荷輕，制熱量大，效率比較高。目前熱泵熱水器基本都是選用空調(diào)用壓縮機(jī)，而且國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家壓縮機(jī)企業(yè)提供專(zhuān)門(mén)的熱泵熱水器用壓縮機(jī)。國(guó)外生產(chǎn)熱泵專(zhuān)用的公司也很少，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，很難滿(mǎn)足熱泵熱水器的要求。由于渦旋壓縮機(jī)的工作范圍比較寬廣，且冷凝溫度界限比較高，因此，有學(xué)者7提出在熱泵熱水器專(zhuān)用壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用之前，渦旋

12、壓縮機(jī)是最合適的過(guò)渡產(chǎn)品。表2中顯示了不同蒸發(fā)溫度（T e ，單位）下，隨著熱水平均水溫變化的系統(tǒng)的性能系數(shù)COP 的變化情況。表3為熱水溫度超過(guò)50后利用電輔助加熱前后，性能系數(shù)、總耗電能情況對(duì)比，設(shè)電加熱效率0.95。表2 不同蒸發(fā)溫度下，隨著熱水平均水溫變化的系統(tǒng)的性能系數(shù)COPT e15 20 25 30 35 40 45 50 55-5 2.855 2.747 2.600 2.442 2.277 2.109 1.943 1.780 1.593 -4 2.965 2.843 2.680 2.511 2.338 2.164 1.992 1.824 1.631 -3 3.081 2.943

13、 2.765 2.583 2.400 2.220 2.042 1.870 1.671 -2 3.204 3.048 2.852 2.657 2.465 2.277 2.094 1.916 1.712 -1 3.333 3.158 2.943 2.735 2.532 2.336 2.147 1.964 1.754 0 3.467 3.272 3.038 2.814 2.601 2.397 2.201 2.013 1.797 1 3.607 3.389 3.135 2.897 2.672 2.460 2.257 2.063 1.841 2 3.750 3.510 3.235 2.981 2.745

14、 2.524 2.314 2.115 1.887 3 3.897 3.634 3.337 3.068 2.820 2.590 2.373 2.168 1.934 4 4.047 3.761 3.443 3.157 2.898 2.658 2.434 2.222 1.982 5 4.197 3.889 3.550 3.249 2.977 2.727 2.496 2.278 2.031 6 3.358 3.111 2.840 2.599 2.381 2.182 2.559 2.335 1.625 7 2.686 2.489 2.272 2.079 1.905 1.746 2.625 2.394 1

15、.300 8 2.149 1.991 1.817 1.663 1.524 1.396 2.692 2.454 1.040 9 1.719 1.593 1.454 1.331 1.219 1.117 2.761 2.516 0.832 10 1.375 1.274 1.163 1.065 0.975 0.894 2.832 2.579 0.666表3 使用電輔助加熱的能耗對(duì)比TT e-5 -3 -1 0 1 3 5 7 9電加熱多耗量8.00% 7.36% 10.53% 8.26% 8.46% 8.77% 9.13% 9.39% 9.68%上海交大的王善平7等提出了“兩步換熱法”，該方法可以使問(wèn)

16、題在一定程度上得到緩解。對(duì)熱泵熱水器系統(tǒng)而言，將冷卻過(guò)程和冷凝過(guò)程分開(kāi)，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(guò)程。兩步換熱法將冷卻和冷凝過(guò)程分開(kāi)，并將傳統(tǒng)的冷凝換熱器一分為二：一個(gè)冷凝換熱器(低溫?fù)Q熱器 ，一個(gè)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(gè)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(guò)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

17、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(duì)延長(zhǎng)電機(jī)壽命非常有利；而對(duì)于水溫要求較高的場(chǎng)所，可以在不提高冷凝溫度的情況下做到。3 結(jié)論隨著我國(guó)城鄉(xiāng)居民生活水平的不斷提高，全年提供生活熱水已經(jīng)成為進(jìn)入小康生活的重要標(biāo)志之一。節(jié)能方面的突出性能是傳統(tǒng)熱水器無(wú)法比擬的。隨著能源價(jià)格的不斷攀升，熱泵熱水器等熱泵節(jié)能產(chǎn)品必將會(huì)有更大的發(fā)展。對(duì)于用常規(guī)壓縮機(jī)作為核心部件的熱泵熱水器，隨著水溫的升高，冷凝溫度不斷升高，造成冷凝壓力過(guò)高，排氣壓力升高，壓縮比過(guò)大，使得壓縮機(jī)頻繁停機(jī)，從而直接影響壓縮機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤嚎s機(jī)。熱泵熱水器專(zhuān)用壓縮機(jī)的研究開(kāi)發(fā)的進(jìn)展便成了制約熱泵熱水器發(fā)展的瓶頸之一。在專(zhuān)門(mén)的壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用之前，渦旋壓縮機(jī)可作為過(guò)渡期的最佳替代品，與此同時(shí)使用輔助電加熱和兩步換熱法，在不提高冷凝溫度下提高出水溫度從而延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命方面具有突出的貢獻(xiàn)，而且完全可行、合理。參考文獻(xiàn)1 史暢. 當(dāng)前國(guó)內(nèi)熱水器市場(chǎng)現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析. 家電科技. 2003, (5: 30-322 K. T. Papakostas, N. E. Papageorgiou. Residential Hot Water Use Patterns in