空气源热泵热水器机组设计要点

空气源热泵热水器机组设计要点

黄树权周才欢

(广东五星太阳能股份有限公司)

摘要：作为一种新型热水器，近年来，空气源热泵热水器以环保及节能的特点得到了广泛的应用。而在具体应用中，却出现了一些技术问题，其中大部分是设计上的问题。为此，本文基于对空气源热泵热水器的介绍，分析了其机组的设计要点，同时还探讨了通过这些设计要点来解决设计问题的具体措施。

关键词：空气源；热泵热水器机组；设计

目前，随着能耗的快速增大，节能问题已经引起了广泛的关注。而在这种背景下，作为一种节能设备，空气源热泵热水器的应用范围也变得越来越广泛，具有十分广阔的应用前景，潜在市场巨大。近年来，虽然空气源热泵热水机组的发展已经初步形成了一定的行业规模，其市场占有率也在逐渐提高，但是，市场上相关产品的品质与性能却参差不齐，在短期内，难以获得产品认知度，树立良好的行业形象，进而影响市场的深入。究其原因发现，其主要原因在于整体设计水平不能令用户满意，大部分厂家不具备基本的设计与研发能力，只是简单地进行克隆与模仿，所以应分析空气源热泵热水器机组的设计要点，进行合理的设计，进而最大化产品的产能和利益。

1简介空气源热泵热水器

1.1分析热泵热水器的原理

作为一种高效、节能的供热水产品，热泵热水器的主体为热泵系统，采用电能来驱动，通过制冷工质将环境中的热量吸收，再利用热泵循环将其传递给水，实现热水的制取。

逆卡诺循环是热泵的基本技术原理，热泵是一种提升的热量装置。它首先会吸取附近环境中的热量，然后再将其传递给需要加热的目标。压缩机、蒸发器、冷凝器及膨胀阀是其主要的组成部分。

1.2简述空气源热泵热水器的一些优点

高效、节能是空气源热泵热水器的优势，其节能效果为4倍的电热水器，3倍的燃气热水器。虽然空气源热泵热水器需要较高的初期投资，但是其日常运行费用却较低，比天然气和电热水器的运行费用要低很多。

2分析热泵热水器机组的设计要点

2.1合适的热水温度

高水温会致使机组的排气压力和排气温度升高。从用户角度来看，水温越高，储存的热量也就越多，而从机组角度来看，却非常不利。在热泵热水机组运行的过程中，冷凝温度由水温来决定，冷凝温度会比水温约高5℃。空调用的普通制冷压缩机具有一定的排气压力限制，一般最高值为2.6~3.0千克/平方厘米，所以，相应的冷凝温度和冷凝压力也会被限制，最后导致水温也被限制。反之，如果水温过高，则会提高机组的冷凝压力，升高排气温度，既降低了机组的能效比，又使机组无法正常工作，甚至还可能会使压缩机损坏。同时，由于制冷剂性质、压缩机性能及换热器设计的不同，所以不一样的机组可以达到的水温也会不同，压缩机的承压能力是设计中需要考虑的关键元素。

2.2防夏季运行过载

由于夏季环境湿度大、温度高，空气换热器作为蒸发器，其负荷会变得更大，导致过高的蒸发温度及吸气过热度，所以吸气压力与温度均较高，其具体危害如下。

2.2.1吸气压力高产生的危害

压比是指压缩机排气和吸气压力的比值。压缩机不仅具有最高压比，而压比也不能过低，否则，压缩机电机就容易过载，导致保护性停机，无法制热。部分压缩机并没有最小压比将标明，设计人员应充分考虑这一点。目前，变风量是最常用的防止压缩机电机过载和蒸发温度过高的方法。通过风量的减少，使进出风温差提高，将出风温度降低，进而实现蒸发温度与压力的降低。此外，还有蒸发面积改变的方法，即将电磁阀安装在进入蒸发器的管路上，通过打开或关闭电磁阀来完成对蒸发面积的调整。

2.2.2吸气温度高产生的危害

升高吸气温度等同于增大制冷剂蒸气的比容，在冷凝与蒸发温度相同时，制冷剂循环蒸气也具有相同的体积流量，体积流量不变时，比容的增加将会减少制冷剂的流量，进而降低压缩机循环制冷量。此外，吸气过热还会增加循环比功。所以吸气过热度将会减小机组制热系数。

吸气温度对排气温度的影响也较大。相关实践显示，在水温与冷凝压力均不高的前提下，若吸气温度过高，也较易致使排气温度升高，导致压缩机无法正常运行。压缩机电机过载的防止方法也适用于防止吸气温度高，此外通过吸气管的保温也能够有效防止过高的吸气温度。

另外，虽然吸气过热不利于热泵热水机组的正常制热循环，但是吸入的蒸气还是需要带有适当的过热度，否则就可能会无法完全蒸发掉蒸发器中的液滴，进而危害压缩机的运行。

2.3重视冬季制热

对于空气源热泵热水机组，应重视其冬季运行中的以下问题。

2.3.1结霜

在湿度大、温度低的环境中，热泵机组运行时会结霜，霜会附着在蒸发器的翅片上，不利于热量交换，甚至导致机组无法运行，因此必须将霜除干净。电热、热气旁通及逆循环除霜是常用的除霜方法。而普遍应用逆循环热气除霜，它利用四通换向阀，使制热循环转变为制冷循环。其具有除霜快、电耗少的优点，但除霜的热量来源于热水，不利于水的升温。另外，热泵热水机组一般是对贮热水箱进行循环加热，因除霜而产生的水温波动不会使用户感到不适。而采暖所用的热泵机组采用逆循环热气除霜时，则可能会使用户产生吹凉风的不好感觉。

2.3.2蒸发温度与制热效率低

冬季的环境温度较低，而机组的蒸发温度更低。蒸发温度一般会被设计为比环境温度低10℃。蒸发温度过低将明显降低压缩机的效率，从而使普通空气源热泵热水机组较难在我国北方推广，近几年推出二级压缩，喷气增焓技术来适用北方市场。

2.4注重自动控制

对于机组来说，电气控制系统必须具有较高的可靠性，从而将机组设计实现。相关统计显示，对于用作制热水的空气源热泵机组，一半以上的故障都是电气控制不当而造成的。

2.5自我保护

由于环境温度差别以及水温的不同，所以热泵热水机组具有非常大的工作范围跨度，有时，和用作空调的冷水热泵机组相比，其工作性质甚至要恶劣很多。为此，机组必须进行自我保护，否则压缩机等部件便很容易被损坏。常用的保护措施主要包括：排气温度与压力过高保护、水温设定限制、压缩机过载保护及吸气压力过低保护等。

2.6重视设备选型

由于空气源热泵的热源来自周围的空气，受到外部具体环境条件的影响较大，因此，对于空气源热泵的选型，应综合考虑工程所在地区的环境温度特点，结合冬季的实际平均温度，充分考虑设备机组在该季节的效率衰减。在设计的过程中，必须仔细计算最冷月热水器机组产水量的要求，确保充足供应日常热水。此外，还可以利用水箱吨位来对空气源机组的选型进行推断，因为水箱位与选型存在比例关系，在设计的过程中，可以通过这个比例来完成预估，从而提高机组的运行效率。

3结语

综上所述，空气源热泵热水器机组设计会涉及较多学科，如制冷、供热及自动控制等，机组运行具有条件苛刻、时间长等特点，所以在设计的过程中，必须全面考虑其设计要点，努力使性能与可靠平衡，是机组在满足使用要求的同时，还能将故障频率降低，并使使用寿命延长，从而最大化经济效益。

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