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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流不为人所熟知的热泵技术之二电加热.精品文档.不为人所熟知的热泵技术之二：低温气侯为什么需要使用辅助能源江苏华扬新能源有限公司 陈志强热泵热水机搬运能量的多少决定着热泵产品的经济性能。一定能耗时空气源热泵热水机搬运的能量越多，节能效果就越好，经济价值就越大。反之，如果空气能产品在一定能耗时获得的热能很少，甚至没有直接用电加热产生的能量多，那么这样的产品没有节能价值，也就没有什么经济价值了。我们用性能参数（或“能效比”）的数值来衡量这个产品的能效。许多宣传空气源热泵不用辅助电加热的人强调：热泵的“能效比”超过1，比电加热高很多，要节能当然就不能用
2、电加热。于是，一方面那些不用电加热的热泵热水机冬季故障不断，另一方面，许多厂商和经销商在“悄悄”使用着辅助电加热。在此，本文想从技术层面为热泵配备辅助电加热正名，并且理直气壮地提出：热泵热水机欲成为成熟的全面推广的产品，离不开辅助热源的支持，辅助电加热是使用方便的清洁能源，自然是系统配套的首选对象之一。实际上，在热泵型空调系统中，采用电加热作为补充能源几乎成为常规配置，并没有见到多少客户或者专家学者提议取消这个配置。配备辅助热源的理由有三：一、 低温气侯中空气源热泵制热量不足，往往无法保证热水需求。前文结合实验结果阐明：空气源热泵制热量与能效比都会随着环境温度的降低而下降。前文图一中给出：环境
3、温度20时制热量17.2kW（冷热水温差40度），到了环境温度5时制热量降为11.23kW（冷热水温差51度），比20的数值降低1/3；到了环境温度-5时制热量降为5.75kW（冷热水温差51度），比20的数值降低了2/3。相关测试数据表明，即使是采用优化电机性能曲线、补气增焓、变频等改善压缩机的手段，与名义工况相比，空气源热泵机组冬季制热量依旧会有一半以上的衰减。另一方面，热水使用的常规是，环境温度降低，自来水温度降低，冬季热水使用量往往会比春秋季多使用1/4以上。如果按照满足冬季极端情况下-5时的热水负荷、空气源热泵热水系统24小时连续工作来设计，那么，春秋天的机组工作时间往往还不到6个小
4、时，而每天热水供应量与热泵机组的配置比需要达到1吨水配置2匹高能效热泵机组。囿于工程人员经验、市场竞争和投资回报期等方面因素，目前国内95%以上的热水工程无法做到这一点。并且，哪怕能够保证-5时的热水供应，遇到特殊情况气温更低或者热水使用量超量，1吨水配置2匹高能效热泵机组的配置还是显得不足的。如何处理此矛盾呢？我们还是应该从工程设计思路中找答案。集中热水工程设计有两种方法：一种是冬季极限负荷法，要求设计的热水系统能够保证冬季极端气候状况下的热水负荷需要。另一种是冬季平均负荷法，要求设计的热水系统能够保证冬季平均气候条件下的热水负荷需要，在无法保证热水负荷的低温气候下，该热水系统通过配备其他热
5、源的方法保证需求。很显然，一般情况下，冬季极限负荷法设计的系统要比冬季平均负荷法的热泵选型要大，成本要高，节能效果也会好一些。无论如何设计，热源供热量要能够保证热水的需求。如果系统中制热量不足，那么谈能效比已经没有价值：如图九所示，虽然环境温度-5时系统能效比还可以达到1.5，但如果制热量无法满足把水制热的需求，就难免出现“水温上不去”、“省电不省钱”、“冬天没法用”这样恶劣的后果，客户如何满意呢。二、 低温气候中压缩机常常超极限运行，长期如此将缩短机器寿命。常规空调压缩机的温度工作范围比较窄，热泵热水机工作的温度范围要大很多（详见图六：热泵系统运行特点），所以，用空调压缩机制造热泵热水机就会
6、超极限运行。有销量的经销商都知道，热泵热水机在冬季最容易坏压缩机。冬季压缩机损坏主要有以下几种原因：1、 电机卷线温度过高不同电机有不同的性能曲线，压缩机一般在最佳的一段电机性能范围中运行，在此范围内，电机效率高，电机卷线温度低，一般不超过120。但如图十所示，水温55时，当干/湿球温度为43/26时，空调压缩机卷线温度达到125以上，当干/湿球温度为-7/-8时，空调压缩机卷线温度达到134左右。卷线温度过高带来的问题常常是致命的：一方面润滑油黏度降低，压缩机润滑状态恶化，严重情况下导致润滑油碳化，压缩机卡壳；另一方面电机卷线漆包线、绝缘材料高温老化，容易直接造成电机短路、压缩机烧毁。 图十
7、：空调压缩机与热泵压缩机卷线温度对比（摘自上海日立电器有限公司资料）2、 过热度差引起的液击故障压缩机吸气口前面带有一个汽液分离器，用以将管道中的液体沉淀下去，保证压缩机吸的都是气体。同时，技术上提出了一个过热度的概念，把压缩机吸气管中冷媒的温度与翅片管换热器中冷媒蒸发温度的差值定义为过热度，要求系统运行过程中有一定的过热度，保证压缩机不会因吸进液体冷媒而产生液击叶片的故障。图十一给出了合理系统与不合理系统中过热度的不同。可以看出，在不合理的热泵系统中，夏季过热度特别高，而冬季过热度为负值，液体冷媒混入压缩机，这就很容易产生液击故障，导致压缩机工作能力下降，噪音增大，甚至直接报废。图十一：合理
8、系统与不合理系统过热度的变化（摘自上海日立电器有限公司资料）3、 润滑油中溶解冷媒过多常规空调系统中，润滑油和冷媒的充注量在一定范围内相对稳定，所以润滑油中的冷媒溶解度也比较容易确定。在水箱内或者内胆外壁缠绕铜管的热泵热水器系统中，由于在热泵停机期间水箱侧管道温度高，冷媒自然向低温侧流动，压缩机往往成为积蓄液态冷媒比较多的地方，客观上造成了润滑油中液态冷媒溶解量过大、润滑油被稀释的现象，带来再次启动过程中润滑油失效的问题。图十二：热泵压缩机预留电加热带位置（摘自上海日立电器有限公司资料）三、 特别值得说明的是，合理开启辅助能源不一定会降低系统能效。本系列“概述”中提及：对于循环加热式热泵热水机
9、而言，整体性能参数是各个时段瞬间性能参数的叠加，分析瞬间性能参数的规律和发展变化有助于进一步全面了解整体性能参数。图九中给出不同环境温度下整体性能参数的数值，其中环境温度-5时的数值是1.5；而前文图四中给出了环境温度-5时50水加热的瞬间性能参数是0.7。这表明整体性能系数的数值的高低并不能说明系统运行过程中每一个瞬间性能系数的大小。图十三详细给出了-3环境中热泵瞬间性能参数随水温的变换。可以明显的看出，进水温度越高，瞬即性能参数越低。当进水温度高于43时热泵瞬间性能参数值均低于1，且越来越低，这种情况下，43-55范围内热泵的整体性能参数肯定是小于1的。如果把43以上的部分不用热泵制热，而
10、采用辅助电加热工作，43-55范围内系统性能参数不会低于热泵相应过程的性能参数值。由图九得到-3时热泵热水机将水由9加热到55的整体性能参数值是2.2，这个整体性能参数值是由各个时段瞬间性能参数值叠加而来的，可以将此叠加过程分为两个阶段：高能效阶段(9-43)和低能效阶段(43-55)，如果低能效阶段不用热泵来制热而采用辅助电加热，只要辅助电加热加热过程的性能参数不低于低能效阶段热泵加热的性能参数，那么，整个“热泵+辅助电加热”制热水的整体性能参数就不会低于单独热泵工作的整体性能参数。用辅助电加热来替代热泵热水机完成低能效阶段的加热过程的优点是显而易见的：1、 热泵此时单位制热量太小，制热水速
11、度太慢，不利于保证热水供应速度。采用电加热辅助时可以适当配置功率较大的电加热设备，从而可以在不降低系统整体能效比的情况下提高热水供应速度。（此时电加热的功率大小与性能参数无直接关系）2、 热泵此阶段的工作过程已经偏离其最佳出力范围，工作效率低，使用寿命短，减少其在此阶段的工作运行过程，可以更加有效地保证产品运行寿命。3、 通过配置功率较大的电加热设备，提高热水供应速度，可以适当减少热泵机组配比，降低工程造价，有利于热泵产品的市场推广。可能有人会问：配置多大的辅助电加热为合适？是否辅助电加热越大越好？如何保证电加热仅在低能效阶段运行而不是全程运行呢？一次加热式的热泵热水系统能否添加电加热辅助呢？如何保证系统中的水是有序的由高能效部分变为低能效部分而不是总是在低能效部分反复呢？这些有关热泵系统优化的问题且另作论述。