1、空氣源熱泵熱水器簡介及其經濟性分析顏松（上海交通大學，上海200000 ）【摘 要】文章介紹了空氣源熱泵熱水器的工作原理，產島類型及結構，以及熱泵熱水器產品可能帶來的經濟效益，為熱 泵熱水器的推廣應用提供有益的參考。【關鍵詞】空吒源熱泵；熱水器；冷礙口【中圖分類號】TM925【文獻標識碼】A【文童編號】1008-1（2009）11-0104-03106-106-【收稿日期】2009-07-21【作者簡介】顏松（1972-）,男，上海交通大學機械與動力工程學院工程頊士生，研究方向為空調的熱回收利用。（一）熱泵熱水器的工作原理熱泵作為一種熱撬傳遞和轉移的方法已被廣泛應用于空 調制冷行業.如冰箱和家

2、用分體壁掛機冰箱在工作時.熱 量被從低溫的冷藏室和冷凍室中轉移到溫度較高的房間空氣 中：而分體壁掛機夏天制冷運行時，熱量則被從溫度較低的 室內轉移到溫度較高的室外空氣中，分體壁掛機冬天制熱運 行時.熱量則被從溫度較低的室外轉移到溫度較離的室內空 氣中來其基本熱力學原理農示如卜：根據熱力學第一基本定律：能繪既不能創造，也不能消亡， 而只能從一個物體轉移到另一個物體.或從一種形式轉變成 另一種形式.熱泵并沒有創造或產生熱量，只是把熱量Q從 低溫熱源（如對冰箱而言的冷滅箱或冷凍箱.對制冷運行的 壁掛機而言的室內空氣）轉移到高溫熱源（如對冰箱而言的 房間空氣，對制冷運行的壁掛機而言的室外空氣），低溫熱

3、源 失去的熱量Q都被釋放到高溫熱源中去。根據熱力學第二基木定律：熱屋自發地從高溫流向低溫 不可能把熱最從低溫物體傳至高溫物體而不需要附加條件。 熱泵在把熱量Q從低溫熱源轉移到高溫熱源過程中所需要的 附加條件就是要消耗功附又根據熱力學第一定律，消耗掉的 功W并沒有消失，只是也轉變成熱量并釋放到高溫熱源中， 這樣鬲溫熱源得到的熱雖Qb就等于Q和W之和。般從低溫熱源中轉移出的熱僦Q要大于消耗的功札由 此可見.高溫熱源通過熱泵原理所獲得的熱最Q要遠大于所 消耗掉的功Wo熱泵熱水器只不過是利用熱泵原理把從低溫熱 源（如空氣.水或土壤等）中所轉移出的熱量傳遞到高溫熱 源-生活熱水中去罷了，在原理上與冰箱和

4、空調沒有本質區 別，只是具體應用層面匕的差異。若低溫熱源為空氣則稱為 空氣源熱泵熱水器，若低溫熱源為水則稱為水源熱泉熱水器， 若低溫熱源為土壤則稱為地源熱泵熱水器.本文以下內容中 所提及的熱泵熱水器均指空氣源熱泵熱水器。空氣源熱泵熱水器也采用了如下圖所示的蒸汽壓縮式熱 泵循環從壓縮機2中排出的高溫髙壓的制冷劑氣體進入冷凝器 3中與生活用水進行熱交換制冷劑溫度下降被冷凝成液體， 而生活用水的溫度則被升高，冷凝成液體的制冷劑經節流閥4 變成低溫低壓的制冷劑并進入蒸發器1中與環境空氣進行熱 交換，制冷劑從環境空氣中吸熱被蒸發成低溫汽體并披壓縮 機2吸入。在此循環過程中.制冷劑液體在蒸發器1中蒸發 時

5、從低溫熱源（環境空氣）中吸收熱就Qt.然后通過壓縮機 壓縮進入冷毅器中，在壓縮過程中制冷劑乂吸收了壓縮機功 耗轉換而來的熱雖肌最終這兩部分熱疑Z和0«在冷凝器中 被傳遞給了生活用水，使得生活用水溫度升高。一般此熱泵 循環的熱效率（壓縮機每消耗1KW的能呈，能把多少倍的熱 量傳遞給生活熱水）根據不同的環境溫度和生活熱水溫度在 2尸5之間變化，也就是說熱泵熱水器每消耗1KW的電能所產 生的熱水加熱量，相當于25KW電熱水器所產生的熱水加熱 址。（二）空氣源熱泵熱水器的應用技術分析和產品 結構形式1. 出水溫度和制冷劑從以上熱泵循環過程可知.熱泵熱水器可以提奇生活用 水的溫度，直-般與人體

6、皮膚直接接觸的最適宜熱水溫度在 4045之何，因而熱泵熱水器要能滿足洗浴等一般生活熱 水需求，必須至少能把出水溫度升高到5（TC以上，另外考虔 到一些應用場合會要求超過5（TC的生活熱水，最合適的熱泵 熱水器是要能產生609以上的出水溫度。而這一點主要受到 制冷劑參數和壓縮機性能及供應的限制，R22、R134a. R410a 和CO?足目前熱泵熱水器最常用的幾種制冷劑。從國內外的熱泵熱水器發展現狀來看.應該說R134a的 應用逐漸已替代了 R22,除了環保要求的原因外，R134a能產 生較高的出水溫度及壓力較低應是主要因素。R410a和CQ因 壓力較高應用相對較少。2 用水方式和產品類型生活熱

7、水主要有兩種典型的用水方式.一種是連續長時 間大量用水如淋浴，另一種是短時間少童頻繁多次用水如洗 手目前市場上主要有兩種類型的熱水器：快速熱水器和容 積式熱水器。快速熱水器是指冷水在從流進熱水器到流出熱水器的極 短時間內就披加熱到所需熱水溫度，最常用的就是燃氣快速 熱水器，也有電快速熱水器，其優點是即開即用、無儲水熱 損失、體積小.占地面積小、安裝方便、價格較低。缺點是 不太合適第二種用水方式.一般也不能供多個用水點同時用 水，有最低供水壓力限制要求.另外對能源輸入能力也有較 高要求.比如若使用電快速熱水器則配電能力至少也要6 8KI以上容枳式熱水器則使用一個大容積的承壓水箱把熱水器產 生的熱

8、水先儲存起來，等需要時再放出來使用，最常用的就 足容積式電熱水器，也有燃氣容積式熱水器，其優點是適用 于任何-種形式的用水方式，可作為熱水供應中心來滿足多 點同時用水的需求.水溫穩定.無水壓限制，所需的能源輸 入能力也較小，一般小于同樣用途的快速熱水器，以家用容 積式電熱水器為例，配電功率只需1KW以上就可滿足使用。 缺點琵要提前啟動熱水器來加熱水箱中的水，有保溫熱損失. 水箱占用空間大，運輸安裝不方便，價格也較貴.熱泵熱水器由于需要壓縮機工作時才能產生熱水，而壓 縮機又不能象燃氣燃燒器或電加熱管-樣頻繁起停，因而熱 泵熱水器只能采用容積式的結構形式來既滿足頻繁用水的要 求乂保證壓縮機的起停次

9、數限制。3. 蒸發器結構形式熱泵熱水器的蒸發器主要有三種形式：強制空氣對流換 熱翅片式盤管（與空調換熱盤管類似.白然空氣對流換熱平 板（與冰箱散熱板類似人太陽能加熱平板（與平板式太陽能 吸熱板類似）。后兩科蒸發器結構因加工工藝復雜，吸熱能力 小（只適用于家用小型機），安裝不方便，除霜困難.因而很 少采用。而翅片式盤蒂加王工藝成熟，工作可靠，能適應各 種大小換熱疑的要求，故應用最廣泛。4. 冷凝器常用結構形式和布置方式（1冷凝器與水箱分開布置.水泵帶動水箱中的水經過 冷凝器并升溫，冷礙器可采用套管式.板式或殼管式等。優點-熱泵完全同水箱分離.水箱和冷凝器可單獨更換； 水箱內無結垢問題.只耍不漏水

10、即可長期使用；水箱町使用 各種普通保溫熱水箱.不需專門定制；容易實現根據水溫對 冷凝壓力的控制：能用于各種加熱能力的熱泵熱水器。缺點需要水泵；冷凝器結垢會比較快且除垢困難；水 泵一旦循環會導致水箱內的冷熱水混合加劇而破壞水溫分 層，導致水箱頂部的水溫下降.使得水箱頂部的出口供水水 溫降低，也就降低了水箱的熱水產率。（2）冷凝器與水箱一體布宣，采用沒泡式盤管等形式的 冷凝器直接加熱水箱內的水。優點不需水泵；水箱內傳熱均勻；壓縮機啟動運行時 不破壞水溫分層.不影響熱水產率，且優先加熱水箱頂部的 岀口水溫。缺點-水箱和冷凝器一體，一旦任一部件損壞必須一 同更換：整個水箱部件需定制；只適合用于小加熱量

11、的熱水 器：冬天冷水溫度較低且剛啟動時較難控制冷凝壓力5. 系統結構形式（1）整體式結構，水箱、壓縮機、冷凝器（包括水泵人 蒸發器（包括風機）和冷媒系統.電控等所有部件都集合在 -起成為一個整體.優點-整裝出廠容易保證產品質Sb且現場安裝工作量 小，對安裝工人的技術要求相對較低，只涉及到水路和電路 連接：熱水器跌可室內安裝也可室外安裝，若安裝在室內在 夏天還可用來降低其周圍環境溫度和濕度。缺點考虔到水箱尺寸不能太大.只適合加熱量小和水 箱容積小的家馬或輕型商用熱水器采用：若安裝在室內而冬 天又需要采暖曲話，蒸發器排出的冷氣就會成為負荷而起不 到節能效果；安裝在室內時會有壓縮機和風機運行的噪音，

12、 且對安裝空間有域小尺寸限制，不能安裝在壁柜等狹窄空間 內。因家用或輕型商用熱泵熱水器的壓縮機和蒸發器等部件 尺寸比較小，一般就直接把這些部件布遙在水箱頂部，并設 計成圓筒狀以減小占地面積，如下圖所示。（2）半分體式結構.將壓縮機、蒸發器及其風機系統和 相關冷媒系統.電控組成一個獨立的部件.水箱和冷凝器（包 括水泵）等其它部件則集合在一起成為一個另一部件。優點現場安裝方式布置靈活，水箱部件和蒸發器部件 即可同時安裝在室內，也可同時安裝在室外，或一個部件安 裝在室內另一個部件安裝在室外：水箱部件對室內安裝空間 也沒有特別要求，可安裝在壁柜等狹窄空間內以配合裝修. 而蒸發器部件則可安裝在室外以完全

13、避免機組運行噪音對室 內的影響。缺點-現場安裝調試較復雜，除水路和電路連接外，還 涉及到冷媒管路連接；考虔到水箱尺寸不能太大，只適合加 熱鼠小和水箱容積較小的家用或輕型商用熱水器釆用；若壓 縮機蒸發器部件放在室內時噪音會較大。（3）分體式結構.除水箱外，將壓縮機、冷凝器（包括 水泵人蒸發器（包括風機）和冷媒系統、電控尊其它所有部 件集合在一起成為一個整體.大多數情況下熱泵熱水器廠家 并不提供標準配置水箱，而是根據不同客戶的工程實際悄況另行購買水箱。優點現場安裝方式布置靈活，水箱和熱泵本體即可同 時安裝在室內.也可同時安裝在室外，或一個部件安裝在室 內另一個部件安裝在室外；現場安裝相對較簡單，只

14、涉及到 水管路和電路連接：水箱與熱泵本體之間的安裝距離沒有限 制：水箱容積可靈活配備來滿足不同熱水需求，比如i臺小 型熱泵熱水器也可能通過配一個大水箱來滿足短時間超過其 能力十幾倍的大量熱水需求：熱泵本體也可根據需要安裝在 常年需要制冷的房間內來利用制熱水時的免費冷量，而此時 仍可將大尺寸的水箱放在室外以免占用室內空間：適合各種 大小加熱能力的熱泵熱水器采用，大型熱泵熱水器一般采用 此種形式。缺點-每個工程項目都需要專門訂購水箱；熱水器若室 內安裝時，噪音會比較大；除了冷熱水進出水路外.還需要 安裝熱水循環管路。通常室外安裝的產品形式如下圖所示（蒸發器風機一般 采用軸流風禺）.國內商用熱泵熱水

15、器大多采用此種結構形 式：通常室內安裝的產品形式如下圖所示（蒸發器風機一般 采用離心風機）.國外商用熱泵熱水器大多采用此種結構形 式：（三）熱泵熱水器的經濟性分析熱泵熱水器右市場上的競爭對手主要是太陽能熱水器. 天燃氣熱水器和電熱水器，熱泵熱水器僅熱效率較高并一定 意味著經濟性好，關鍵是要根據不同的能源價格比較其實際使用費用的差異.以下的經濟性分析以廣州地區的氣候和能源價格為基準 進行，考慮到不同季節的環境溫度和水溫不同會對熱水器的 運行效率和使用費用產生明顯影響，將全年分為夏天、冬夭 和過渡季節三種氣候進行熱水器的年運行費用核算.其中夏 天按5個月、冬天3個月、過渡季節4個月進行計算.夏天

16、的自來水平均進水溫度取25-C,熱泵熱水器平均效率取3. 5, 冬天的進水平均溫度取10-C.熱泵熱水器平均效率取2.5, 過渡季節的平均進水溫度取209,熱泵熱水器平均效率取 30。熱水供水溫度則按55進行核算°下表是各種形式熱水 器的年使用費用對比：太陽能熱水器按一年有120天時間完 全靠電加熱來加熱熱水（夏季.冬季和過渡季節各40天）， 其余時間則完全由太陽能加熱熱水尺w電MtWitK電計MMMJMMOMM*667M67M0M0tei041ier3MJ.WMlion1$IS0.%a*a 88a.na«0«2*515a 96a%aw0.Maee330.97ar

17、ano.t?4UIM.m«3-M42wn$742從上表可得出以下結論：（1）空氣源熱泵熱水器與電熱水器相比，具有明顯的經 濟性。（2）空氣源熱泵熱水器與天燃氣熱水器相比也具有一定 的經濟性，再考慮到管道天燃氣價格的不斷上調和燃氣熱水 器安裝位置的限制，熱泵熱水器與天燃氣熱水器相比在市場 上將有不錯的競爭力。（3）熱泵熱水器與太陽能熱水器相比.并無明顯的經濟 性.但因太陽能熱水器在城市內的安裝位置受到限制，且加 熱能力受天氣影響較大.不如熱泵熱水器供熱水能力穩定， 在城市內應用，熱泵熱水器與太陽能熱水器相比在市場上也 將有不錨的丸爭力。（4）因家庭熱水用承比較小，家用熱泵熱水器的經濟性

18、 不如商用的明顯。【參考文獻】1 Graham Morrison. Heat Pump Water Heaters Sydney: The University of New South Wales.2004 G.L. Morrison. T Anderson and M Behnia. Seasonal Performance Rating of Heat Pump Water Heaters Sydney: The University of New South Wales,2004.106-106-（上接第132頁）入空氣造成真空下降。對真空系統進行全面查漏工作，發現凝汽器周圍有異常 氣流聲，進而發現7號低加至8號低加的疏水引出管的焊接 處有明顯空氣流動的聲音。分析認為，可能是運行中7號低 加水位過低，疏水管道中為汽水混合物.疏水不暢引起管道 振動.造成焊口破裂。2. 采取措施對破裂處進行補焊。將該處封堵后.真空開始回升到正 常水平。為了從根本上防止管道焊口破裂，運行