1、空气源热泵热水机组设计要点解析空气源热泵热水机组是一种利用热泵原理对水进行加热的新型热水制取设备，国外对该类产品的研发与应用比较早，但国内仅在2001年才开始有个别企业涉足。由于该类产品应用前景广阔，潜在市场巨大，近两年来有不少空调、太阳能等能源行业的企业纷纷进入，一个新兴的热水设备行业正在形成。尽管空气源热泵热水机组目前已初具行业规模，产品的市场占有率也正逐步攀升，但目前市场上产品的性能与品质相差极大，产品认知度、行业形象难以在短期内深入市场。造成这种现状的原因主要在于三个方面：一是行业标准的缺失；二是技术本身的差异；三是急功近利的思想。急功近利的浮躁带给产品的只是简单的模仿和复制，不在本文
2、论述之列。行业标准的缺失是目前所有热泵热水器企业共同面临的难题，因为标准的缺失，产品的技术指标、测试方法难以确定，同类产品的横向对比比较困难，消费者对产品性价比无法确定，但却给跟风而上的投机者提供了龙鱼混杂的机会。目前，标准急需解决的问题是：出水温度定义及其限值。出水温度限值在一定程度上代表热泵热水机组所处的技术水平，是产品的核心竞争力之一。空气源热泵热水机组主要提供生活热水，根据国家有关生活热水的要求，其水温应在55度以上，按欧洲标准水温应在60度以上。照此理解，正确的出水温度应该被定义为热泵热水系统所需提供的最低出水温度，对一次加热式机组就是水侧换热器出水温度，对循环加热式机组应是储热水箱
3、的平均出水温度。无论那种加热方式，只有储热水箱的平均出水温度大于等于55度，才算达到了生活热水的水温要求。至于产品在其它水温要求较低的场合使用，如泳池保温、海水养殖等，其出水温度自然不成问题，提高其制热水能力成为该类产品的技术核心。目前，市场上的产品出水温度不同的企业有不同定义，有的定义为水侧换热器进水温度，有的定义为水侧换热器出水温度，还有的定义为储热水箱中部水温。大多数企业的产品其出水温度标称为55度，少数标称65度甚至更高，也有部分企业仅做到50度。性能指标定义、限值及其测试方法。除能效比指标外，应有反映机组制热水能力的指标，可以制热量或热水补偿速率来评价，这种评价不应只限于标准工况，低
4、温工况同样应做类似评价，并就两种工况分别做出不同的指标要求。其原因在于热水机组的年平均使用时间远远高于热泵空调的年平均使用时间，其节能效果必须作全季节考量。关于测试方法，与系统采用的加热方式紧密相关。目前，热泵热水机组的加热方式按换热机理可分为两大类，一是自然对流换热，一般为换热盘管置于水中，水无宏观流速，靠自然对流换热，业内一般称为沉浸式；二是强迫对流换热，又可分为两种情况，一种是靠自来水压力或水泵将水压入换热器内，与制冷剂进行对流换热，且将水温一次性提高到所需高度，这就是所谓的即热式或一次加热式（小流量大温差换热）；另一种是用水泵将水打入换热器内，但并不一次性将水温提到所需高度，而是通过多
5、次循环，把水温加热到所需高度，这就是所谓的循环加热式（大流量小温差换热）。沉侵式与循环式又可统称为蓄热式。就测试而言，即热式容易达到稳态，测点布置、结果计算都较简单；沉侵式与循环式测试基本相同，但比较复杂，且测试精度难以控制，主要难点在于出水平均水温的测定，通常的做法是机组停机后循环泵运行两小时，再测试水箱上中下6个点的水温，取其平均值。型式试验项目的确定。为了确保机组的整体性能与可靠性，必须有适当的型式试验项目来验证，这些试验项目应该覆盖机组在全工况范围内的运行状况。通过型式试验，测取相关数据来评价产品在各种使用条件下的性能变化、安全要求、运行稳定性，并对其潜在风险有一定预测。输入功率、输入
6、电流的统一标称方法。对于即热式机组，只要工况与出水稳定，输入功率（电流）也便确定，则额定输入功率、（电流）就是额定工况下机组稳定运行的实际输入功率（电流）。对于蓄热式机组，即使环境工况稳定，由于水温的不断变化，其输入功率（电流）随时都在变化，不可能存在稳定不变的功率值和电流值，在这种情况不存在类似空调运行时的额定输入功率（电流）概念。此时，只有采用平均输入功率（电流）来大致反映机组的电能消耗速率、电路的载流负荷情况。考虑到机组在极限工况下运行到进水温度为53度以上（水箱平均水温接近55）时其输入功率（电流）远远超过标准工况下的平均输入功率（电流），因此有必要将此时的功率（电流）作为选择电源容量
7、与电气器件的安全限值参考点。所以，对循环式机组，比较适合的标称应该由标准工况下的平均输入功率（电流）、和极限工况下的最大输入功率（电流）（极限高温与极限低温二者中取较大值）组成。技术本身的差异是决定产品品质高下的根本。部分空调界人士认为，热泵热水器仅仅套用热泵空调原理，系统与结构相对于中央空调来讲都比较简单，无技术含量可言，甚至某些热泵热水器的业内人士也持有相同看法。这是一种肤浅的看法。热泵热水器属于制冷设备（器具）的一种，但它更是一种热水设备，它的宽气候、高温度、长时间运行对机组设计提出了严峻考验。如果不对产品进行全面设计，仅拿冷水机组来拼凑，其结果要么是搞成低水温出水，勉强维持运行；要么故
8、障频出，投诉不断。要真正作好热泵热水器，就必须从以下方面仔细考虑： 一 如何保证能力指标。评价热泵热水器的能力指标主要有能效比和制热水能力（制热量或热水补水速率）。如前所述，这种评价不应局限在标准工况，换言之，低温性能同属考核之列。根据其工作特点，性能指标在高温下不成问题，主要是在标况和低温，特别是低温性能，更是凸现产品核心技术竞争力的要素。从理论上分析，提高产品性能的主要思路有：寻求适合低温运行的高效压缩机，如古轮公司的超低温数码涡旋压缩机；或变频压缩机；降低两器工作时的传热温差，对蒸发器而言是尽量提高蒸发温度，对冷凝器而言是尽量降低冷凝温度；采用精确节流方式。从实际可行性来看，思路是变容量
9、制冷系统的应用，是提高低温制热能力对的革命性方式，但目前对大多数企业均难以实现，一是古轮超低温数码涡旋压缩机非常规采购物资，且其应用必须配合喷汽增焓技术，而这一技术仅为个别企业掌握；二是如果采用变频压缩机，其控制程序开发难度大，周期长，且成本会大幅增加；思路和目前已被部分企业采用，对低温能力的提升有一定效果，技术工艺方面也容易实现。对思路而言，降低传热温差的方式有三个，一是增加传热面积，这将引起成本的增加，二是增加载冷剂流量，这将引起输入功率和噪音的增加，三是优化传热效果，这是大有作为的地方。结合热水机组的工作特点，建议在两器设计时作如下思考：设计参数的确定。蒸发温度由最低工作-10度来确定，
10、过热度2度，换热负荷按40%标况下蒸发器负荷在加上5%的安全存量来确定，以此作为蒸发器的设计依据，这将比同等输入功率的空调换热器面积约增加20%30%；冷凝温度根据采用的加热方式的不同而有不同的选择，一般即热式冷凝温度可取52度，循环式最终冷凝温度为在62度以上，冷凝负荷为极限高温工况热负荷，过冷度2度；两器结构形式的选择。蒸发器宜采用片距大（2.53.0mm）、肋高低(1.52.0mm)、厚度宽(1.52.5mm)的亲水翅片,管排及分流路数尽可能少。冷凝器从换热效率来讲应选板换，考虑到热水易结垢（虽然一般出水温度都低于70度易结垢区以下，但部分水与高达80度以上的铜管接触后会产生部分水垢），
11、宜选套管，目前传热效率较高的套管有高效螺旋管（同轴换热器）；节流方式的选择，鉴于热泵热水器超宽的工况范围，目前大多数厂家都采用热力膨胀阀节流；也有部分厂家的部分机型采用毛细管节流，极少数厂家采用电子膨胀阀节流。三种节流方式的优劣显而易见：从调节精度讲电子膨胀阀最佳，但成本最高，且需电控支持；从成本来讲毛细管最省钱，但调节能力最差。应用毛细管节流时，首先应作好产品市场细分，将调节范围缩小，提高调节能力。一般而言，对面向珠江三角洲等亚热带地区产品，可按偏向高温来匹配毛细管，对面向黄河以北的偏寒地区产品，可按偏向低温温来匹配毛细管，但不管何种类型产品，均应以组合毛细管来保证运行安全，且面向寒冷地区的
12、产品，原则上不宜采用毛细管节流。应用电子膨胀阀节流时，控制程序成为其成功的关键，传统的中央空调模糊控制方式（动态过热度）控制对循环式热泵热水器并不适用，因为热泵热水器运行时时刻处于变工况之中，模糊控制可能会引起系统振荡，必须开发适合热水器运行的新控制程序。二 如何保证安全指标。评价安全性能的指标主要有三个：最高排气压力、最高排气温度、最大输入电流。这三个参数一般出现在极限工况，且往往同时出现。首先，我们来看看高压产生的原因，排除系统堵塞、换热器负荷能力过小的因素，高压的产生源于制冷剂的热力性质和超高的冷凝温度。因此，解决高压的根本办法只有两条，一是选择具有较低冷凝压力并有较高能效比的制冷剂，目
13、前倾向于使用混合制冷剂，如R417A，少数企业自行配置混合制冷剂，其制冷性能已得到验证，但其毒性、可燃性未知，不能得到政府环保部门的认可；或单一工质，可选R134a；二是尽量降低冷凝温度，也有两个方向可以思考：一种是降低传热温差，前面已述不再重复；一种是通过采用即热式加热，避开高冷凝温度。即热式加热机组在出水温度为55度时，冷凝温度为52度左右，对应冷凝压力为20公斤多一点，而蓄热式机组要使水箱平均水温达到55度，其水侧换热器进出水温度分别为53.5度、57.5度，其冷凝温度高达62度，冷凝压力接近或超过25公斤。这里就即热式与蓄热式做一简单比较：即热式除能效比略有降低外，它有两个突出的优点：
14、冷凝压力低和可随时供应热水，不致因补水引起水温下降影响用户使用，不耗费待机时间，从而间接提高了产热水能力。即热式的优点恰好是蓄热式的缺点，但即热式在技术上实现较为困难，主要是动态流量调节技术的准确性及其硬件的可靠性难以保证，目前国内仅有少数几家采用即热式；而蓄热式在运行控制、生产工艺方面均比较简单，易于实现，且系统运行比较稳定可靠。第二，我们来看看高温问题。高压伴随高温，这是制冷剂热力循环特性。高温排气既可出现在高温工况，也可出现在低温工况。高温运行时由于蒸发压力高且回气过热度大，排气易过高；低温运行时，由于蒸发压力低、压缩比高（-10度工况下压缩比10），制冷剂质量流量小，压缩机电机发热非常
15、厉害而又得不到及时冷却，故也容易出现排气温度过高。两种情况对压缩机来讲都是制冷剂流量不足所致，但其产生的原因却正好相反，一个是蒸发过剩，一个是蒸发不足。因此，对高温工况下排气过高，一般采取两种应对方法：增加制冷剂流量（减短毛细管或开大膨胀阀开度或热气旁通）、降低换热效果（降风速或停风机）。对低温工况下的排气过高，也可采用增加制冷剂流量（减短毛细管或开大膨胀阀开度热气旁通）的方法，但这样做会引起能力的下降和发生湿冲程的危险；此外，还可采取改善蒸发器结构、增加风量等措施，减少或延缓翅片结霜，从而阻止蒸发压力的下降。超大电流运行。长时间的超大电流（功率）运行，不仅会缩短压缩机、风机电机等重要部件的使
16、用寿命，而且有可能引起输电线路、控制器件的发热老化、漏电甚至起火燃烧，引起安全事故。这是一种风险，关键在于防范。以上所述高温、高压、大电流运行一般均发生在极限工况，在保证大部分使用要求的前提下，我们可以绕过前面所述的种种改善措施，以降低小部分使用要求的代价，来换取系统运行的安全性与稳定性。换言之，有得用比没得用总要强得多。三 如何做好控制要求。控制器是整个热水系统的指挥中心，它不仅负责主机的启停，而且还负责水箱的补水、用户的用水、其它辅助热源切入与退出，以及水箱和管道内水的保温。即热式机组除流量调节装置控制较复杂外，其余均比循环式简单，故下面重点阐述循环式热水机组的控制要点。主机正常启停控制。
17、主机的正常启动受回水温度、用水状态、水箱水位（可转化为水流信号或水压信号）的共同控制，仅当回水温度设定温度-回差温度、热水供水阀关闭（断开）、最低水位接通三者同时满足机组才启动运行。主机正常停车仅受回水温度同控制，回水温度设定温度时停止运行。补水控制。补水控制对用户使用效果有重要影响。补水由储水余量与用水状态共同控制：当供水阀闭合且最低水位接通时，不得补水；当最低水位断开时，无论供水阀是否闭合，立即强制补水（事实上此时供水阀应立即关闭）；供水阀关闭且高水位断开时，立即补水直至加满水箱（此时机组应自行启动运行）。用水控制。自动供水受水温、水位及用水需求共同控制。当水温用户设定温度且低水位接通及有
18、用水请求时，供水阀闭合、供水泵启动；当水温用户设定温度-2或低水位断开或无用水请求时，供水阀断开、供水泵停止运行。强制供水仅受用水需求控制，按下强制供水按纽，供水阀闭合、供水泵启动。除霜控制。针对不同地区气候条件的差异机组结霜的区别，除霜应采用可编程控制器，以便调节除霜参数设置；同时，机组除霜时宜采用停机、再启动方式，以确保四通阀不受液击之危害。对于采用电子膨胀阀节流的系统，其控制程序应根据机组运行要求重新编写。对于有其它控制对象输出的系统，如风机风速调节、卸载阀控制等，均应根据具体的系统要求进行编程。保温控制，主要是管道保温（只要将机组设置成自动运行水箱便一直在保温之中），难点不在控制程序，
19、在于工程施工时测温点的选取，需要工程人员现场多次测试确定。各种常规保护功能控制。相序检测与保护、压缩机延时保护、高低压压力检测与保护、排气温度、出水温度检测与保护、水流检测与保护、防冻保护、各温度传感器故障检测与保护、电路过压欠压、过流检测与保护。显示板外观效果。超薄彩屏、动态液晶为当前时尚设计。扩展接口设计与预留。一是远程控制接口，如遥控、声控、电话、英特网；二是与其他热源协调工作的接口，如与太阳能、锅炉等产品复合使用的问题。热泵热水机组设计涉及到制冷、供热、自动控制等多学科内容，机组运行条件苛刻、年均运行时间长，这些特点决定了设计时必须全局考虑、仔细推磨，力求在性能与可靠之间找到合适的平衡点，做到尽可能满足使用要求，又能降低故障频率，延长使用寿命，获得最大的经济效益。 李淳 2006-9-20 成稿于徐州劳特斯
