浅谈各种热泵热水器的原理.docx

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浅谈各种热泵热水器的原理

浅谈热泵热水器原理

PHNIX（芬尼克兹）集团廖汉光

前言

1824年法国科学家卡诺（Sadikarnot）发表卡诺循环理论,成为热泵技术的起源。

1850年英国科学家开尔文（L.Kelvin）提出将逆卡诺循环用于加热的热泵设想。

热泵的理论起源于十九世纪早期法国科学家萨迪.卡诺（Sadikarnot），卡诺在1824年首次以论文提出“卡诺循环”理论，30年后，英国科学家开尔文（L.Kelvin）于1850年初提出:

冷冻装置可以用于加热，之后许多科学家和工程师对热泵进行了大量研究，研究持续80年之久。

　　1912年瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，这是早期的水源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。

热泵工业在20世纪40年代到50年代早期得到迅速发展，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场，热泵进入了早期发展阶段。

　　21世纪，经济的快速发展与人们生活品位的提高，生活用热水已成为人们的生活必需品。

随着“能源危机”出现，燃油价格忽升，环境不断恶化，导致那些能耗大、费用高、污染严重的传统热水器（电热水器，燃油、气热水器）逐步的退出市场。

此时，热泵作为当今世界上最先进的能源利用产品之一，以其高效，节能环保的特点，重新登上历史舞台，成为当前最有价值的新能源科技。

一、热泵热水器的原理

热泵热水器是创新一代的热水设备，是一种高效集热并转移热量的装置，用电能驱动热泵，由热泵装置中的压缩机、膨胀阀、四通阀、蒸发器、冷凝器等主要部件组成，它成功地运用了逆卡诺原理，压缩机从蒸发器中吸入低温低压气体制冷剂，通过做功将制冷剂压缩成高温高压气体，高温高压气体进入冷凝器与水交换热量，在冷凝器中被冷凝成低温液体而释放出大量的热量，水吸收其释放出的热量而温度不断上升。

被冷凝的高压低温液体经膨胀阀节流降压后，在蒸发器中吸收周围物质（空气、水和土壤）的热量从而挥发成低压气体，又被吸入压缩机中压缩，这样反复循环，从而制取热水。

图一

二、热泵热水器的分类

根据热量的来源分

根据热量的来源分，目前国内外市场热泵热水器主要有两大类。

1、一种是消耗一部分电能，把空气中贮存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温度，并把热量释放到水中，使水温逐步升高来制取热水的设备，称为空气源热泵热水器（AIRSOURCEHOTWATERHEATPUMP）；

（1）优点：

节能：

空气源热泵比现在的传统热水器更具有节能优势，其运行费用是电热水器的1/4，是燃气热水器的1/3，是太阳能热水器的1/2；

环保：

空气源热泵无有毒有害燃烧物排放，无温室效应气体排放。

噪音符合环保要求。

安全：

微电脑控制，完全水电分离，无漏电危险，无中毒、爆炸危险。

（2）缺点

低温条件下制热效能低；

使用地区受环境温度局限（限于夏热冬暖地区使用）：

在我国长江以北地区冬季制取热水时环境温度低，达到零度以下。

在这样的低温环境中，会导致普通空气源热泵系统蒸发温度低、吸气比重小、系统流量小、过热度无法保证等，使得系统制热量降低，难以满足寒冷地区冬季的热水需求。

近年来，为了提高空气源热泵热水器在低温（-7℃以下）环境下的能效，开发出一些新技术，如：

喷气增焓技术、双级压缩技术和二氧化碳热泵。

2、另外一种是利用热泵机组提取地下水、废热废水，空调冷却水、空调冷冻水中的热量，并把热量释放到水中，使水温逐步升高来制取热水的设备，称为水源热泵热水器（WATERSOURCEHOTWATERHEATPUMP）

其能效比高于空气源热泵20％——30％，运行更加节能。

它的最大特点在于机组不受环境温度的影响，一年四季运行更稳定，产热水量不受天气的变化而增减。

缺点：

必须要具备10℃或10℃以上的水源场所才能使用水源热泵热水机组。

根据用途分

根据不同的用途，热泵热水器可分为家用及商用。

家用的热泵热水器主要用于公寓、别墅、洋房等家庭住宅场所。

商用的热泵热水器主要用于酒店、医院、学校、会所等公共热水场所、

三、我们针对目前市场上所销售的空气源热泵热水器，做出详细的分类及说明。

商用空气源热泵热水器

根据空气源热泵热水器的加热方式，可以分为两种；

一种是直热式空气源热泵热水机组

什么叫直热式，简单的说，就是自来水经过热泵机组后，一次性把自来水的水温加热到客户所需要的温度，并把热水输送到保温储水箱。

图二

B）另外一种是循环加热式空气源热泵热水机组

相对直热式来说，它并不是一次性把自来水的水温加热到客户所需要的温度，而是通过循环水泵，在水箱机组之间不断的循环，慢慢的把水温加热到所需要的温度。

C）对比

a、水箱温度稳定性及使用舒适性

  循环加热式空气源热泵热水器补水直接补到保温水箱中，再通过机组循环加热使水温达到使用要求，这就造成机组刚开启时，水箱水温很低，随着机组的运行水温逐渐升高，直到水温达到使用要求，从而增加了客户使用前等待的宝贵时间；另外，当出现用水量比较集中时，水箱水位迅速下降，为保证水位要求，自来水迅速补进水箱，与水箱中的高温水混合，使得水箱水温迅速下降，从而导致了客户使用过程中水温越来越低的状况，影响使用的舒适性。

而直热式空气源热泵热水器补到水箱里的是热水，既不需要客户等待，也不会由于用水量集中而出现水箱水温的迅速下降，根本上杜绝了水温越来越低的状况。

b、机组能效及稳定性

  循环加热式空气源热泵热水器在刚开始加热时，由于水温比较低（一般10-20℃），机组此时的能效比较高，在标况下一般能效在4.0，但随着水箱里水温的升高，机组的能效在慢慢的降低，当水箱温度到达40℃或更高时，机组的能效急剧下降，而且在这种恶劣的冷凝条件下，将会使得机组压力和温度急剧升高，从而使得机组不能正常工作，甚至造成事故。

而直热式空气源热泵热水器在标况下能效在4.2以上，由于自来水的温度（一般10-20℃）比较恒定，这样机组就能一直都运行在良好的冷凝温度下，使得机组的压力和温度都在安全的范围内，从而避免造成不必要的故障，使机组的使用寿命更加长。

家用空气源热泵热水器

根据机组的整合程度，家用空气源热泵热水机器可分为：

一种是分体式空气源热泵热水器，所谓分体式，就是一套设备分开成主机（压缩机部分）和水箱两部分，两者之间通过水路或氟路（一般是铜管）连接起来。

另外一种是整体式空气源热泵热水器，它与分体式的区别主要是，主机与水箱是安装在同一箱体内。

对比

安装方便性

分体式的机组的主机需要安装在外墙，如果层高较高时，会存在一定危险，等主机和水箱安装好后，还需要进行二次安装（连接两者之间的管道），安装起来比较麻烦，而且比较容易出现泄漏的现象，影响日后的使用；而整体式的可以安装在室内，更总要的是不需要二次安装，完全杜绝了高空作业的危险和泄漏的现象。

维修方便性

由于分体式机组的主机需要安装在建筑的外墙，所以进行维修时存在一定的高空操作危险；而整体式机组安装在室内，完全杜绝了这些危险。

根据机组的加热方式，家用空气源热泵热水机器可分为：

一种是水路循环式空气源热泵热水器，所谓的水路循环，就是水箱与冷凝器之间是通过水管连接，然后通过水泵，逐步升高水箱里的水温，具体原理图如图五

图五

另外一种是氟路循环式空气源热泵热水器，所谓的氟路循环，就是水箱与冷凝器之间是通过氟管（一般为铜管）连接，然后通过安装在水箱内部/外部的加热盘管，逐步升高水箱里的水温，具体原理图如图六

对比

水温稳定性

水路循环式的空气源热泵热水器，当水箱温度低于设定温度时，需要启动水泵，一旦水泵启动，水箱里的冷热水在水泵的循环下相互混合，会导致水温的波动，影响使用的舒适性；而氟路循环式，它属于被动加热方式，不存在上述情况，完全杜绝了水温的波动，提高舒适性。

调试方便性

由于水循环式机组需要安装水路，所以在调试前，需要对水管进行排气，大大降低了调试的效率，一旦空气排的不干净，还会影响日后的使用效果；而氟路循环式机组就不存在排气的需要，调试时，只需插上电源，按动开关键就可以完成，这样既方便又不去专业人员，大大提高了调试的效率。

根据机组的加热盘管的安装方式（只要针对氟路循环机组），家用空气源热泵热水机器可分为：

一种是内置加热盘管式空气源热泵热水器，简单的说，就是加热的盘管安装在水箱的内部，盘管对水直接加热，具体原理图如图七

图七

一种是外置加热盘管式空气源热泵热水器，简单的说，就是加热的盘管安装在水箱的外部，盘管先对水箱内胆加热，然后内胆再对水加热，具体原理图如图八

图八

对比

1）加热效率

由于内置盘管式的热量交换只需通过盘管壁就可以把热量传递给水，而外置盘管式的热量除了要通过盘管壁外，还需要通过水箱的内胆壁，这样，外置盘管式的加热效率就有所降低，如果想要达到内置盘管式的加热效率，必须加长加热盘管的长度，一旦盘管长度加长了，会引起机组的高压保护，甚至会影响压缩机的寿命。

2）结垢问题

由于内置盘管式是直接与水接触，而外置盘管式则被水箱的内胆壁所隔开，这样，就能较有效的防止水垢直接付在盘管上，可以减少由于水质不好或铜管质量不好而引起铜管被腐蚀的问题，但水经过处理后，基本上都不存在结垢的问题；其次，有些国家或用户对水质的要求比较高，此时，外置盘管式就有比较合适。

总结

本文比较简单介绍了目前市场上大部分热泵热水器的种类、加热方式及其各自的特点，希望对各位需要购买热泵热水器的读者有一定的帮助。

21世纪，经济迅速发展，资源环境问题日益突出，“节能减排”工作已经成为全球的焦点，在这种情况下，热泵热水器凭借其具有节能、环保、高效、安全的特点，被全球不少专家和企业看好。