空气源热泵产品技术提升及应用拓展

空气源热泵产品技术提升及应用拓展3.1产品技术提升和突破空气源热泵热水器使用的时间跨度大，对于控制的要求和逻辑要求高。如何平衡不同的季节运行？夏季高蒸发温度、高冷凝压力时如何设置合适的高负荷过载保护？如何解决冬季低温制热不足、能效比低等问题？低蒸发温度、小流量、高冷凝压力时如何可靠最优运行？如何实现出水快、稳定的控制等？这些都是产品技术上需要充分考虑周全的难点。下面分别就行业最近的发展进行阐述。3.2空气源热泵热水器压缩机技术发展2014年5月1日，由国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准，GB/T29780-2013《家用和类似用途热泵热水器用全封闭性电动机——压缩机》标准正式实施。热泵热水器压缩机在加速寿命的试验条件中，标准增加了根据实际运行情况，冬季高压比和夏季大流量等考核数值。该标准的出台，对产品的规范起到了很好的引导作用。随着热泵热水器压缩机标准的实施，产品不断规范。同时，GB29541《热泵热水机(器)能效限定值及能效等级能效水平》标准的出台，也对压缩机提出了更高的能效技术要求。针对上述要求，行业内开发了很多新的压缩机技术。艾默生环境优化技术提供了ZW热泵热水器专用压缩机，其径向柔性技术确保涡旋盘始终接触，并允许涡旋盘侧面分离，杂质和液体可以通过；其轴向柔性浮动密封技术，使顶端排气压力更平均。该系列专用压缩机采用了DU轴承、多孔渗透性青铜和特殊涂层，在无润滑极端情况下，延长运行时间。其中，ZWKA系列适用中国南方5℃~40℃的工况条件；ZWKS系列适用于中国北方-20℃~40℃的工况条件。更加值得一提的是，艾默生环境优化技术开发了EVI强热涡旋技术，如下图3-1所示，在压缩机涡旋盘创立第二吸气口，通过第二吸气回路，增加制冷剂流量，并加大主循环制冷剂的焓差，提高能效水平。EVI技术追加喷射的中压制冷剂，增加20%的制冷剂循环量，以1台压缩机实现2次压缩，从而提高了制热能力和效率。根据测试，低温环境可改善制热COP达20%，部份负荷性能表现更佳。同时，EVI关闭可视作一段容量调节，大幅改善低温环境制热可靠性。带EVI的ZWKS热泵热水器压缩机系列专为环境温度-20℃地域设计，提供蒸汽喷射功能，降低排气温度，提高性能。图3-1EVI强热涡旋压缩机及原理美芝作为目前热泵热水器压缩机使用范围和使用量最大的公司之一，针对热泵热水器产品独特的使用要求和条件，综合各种制冷剂物性特性，重新设计电机，并对泵体等主要部件进行最优化设计与材料选择。相对原R22制冷剂空调用压缩机8左右的压比，新开发的R134a/R417A系列热泵热水器专用压缩机压比高达15左右。美芝认为行业使用专用压缩机的比例在2015年将达到30%以上。上海海立压缩机重新制定了热泵压缩机寿命考核工况，保证热泵热水器专用压缩机的10年设计寿命。寿命考核工况首先考虑了热泵热水器在不同季节特别恶劣工况下的典型加热过程，然后再保证在保持失效机理不变的条件下进一步强化实验条件，在可接受的时间内完成热泵压缩机十年设计寿命的考核。上海日立热泵热水器专用压缩机也采用了环境友好的制冷剂R134a和R417A，产品规格齐全，覆盖了家用和商用领域。值得一提的另外一种压缩机技术是双级增焓技术，如下图3-1所示。其将原先压缩机只有一次的压缩过程升级为两次压缩过程：先经过低压腔的压缩，相当于预热，再经过高压腔的压缩。这种分两级的压缩过程不仅使压缩机本身负担大大减轻，而且还使得每次压缩的效率升高，冷凝压力和冷凝温度更高，制热送风更高，制热量更大。格力电器相关负责人表示，格力通过双级增焓变频压缩机技术的研究和高效换热技术的研究解决了低温制热量小的问题。图3-2双级增焓技术原理图3-3杭州沈氏同轴换热器3.3换热器技术发展热泵热水器的换热形式分为水水循环、内置盘管和外绕换热器。水水循环无需换热盘管、抗腐蚀能力强、结构简单、安全性好、换热效率高，但其成本相对较高。内置盘管的成本低、加热快，但其易被腐蚀；换热器盘管破坏将造成水进入主机，不够安全，整机也报废。外绕换热器换热管不与水接触，避免了腐蚀，主机和水箱都容易维修，目前采用铜管、铝微通道管和铝管等不同材料；但对于盘管技术要求非常高，采用铝材对于焊接的工艺要求更高。在R22制冷剂对臭氧层有破坏作用，R410A因为其换热的高效性，将成为R22的有力替代制冷剂选择的背景下，杭州沈氏对R410A换热器进行了梳理及优化。优化后的R410A专用换热器在空气能热泵热水器等机组上的应用日益广泛。在微通道冷凝器领域，A.O.史密斯(中国)热水器有限公司率先开发了一种适于热泵热水器的新型微通道冷凝器并大面积使用，如下图3-4。该换热器含有第一和第二集流管，两者之间用平行的扁平截面微通道管组连通，换热器外盘在热泵热水器内胆。其独特的18孔扁管大接触面，配合多循环超长换热路径，更大程度地将空气中的热量转化到水中，配合R134a环保制冷剂与热泵热水器专用压缩机，该产品出水水温可高达65℃，其他企业如海尔已经有成熟产品推向市场。微通道外盘管换热性能好，制冷剂充注量少，随着量产和加工工艺成熟，市场前景广阔，但需要注意腐蚀问题防护。图3-4微通道冷凝器美的空气能采用了外绕铜盘管组合底部绕管技术，在保证安全、不腐蚀、不结垢、不泄漏的前提下，使得出水效率更高、水温更均匀，如下图3-5所示。D型内螺纹管的应用，如下图3-6，提高了换热效率，值得行业借鉴。图3-5美的底部绕管技术图3-6美的D型内螺纹铜管另外值得一提的是，相变蓄热近年来成为强化传热研究热点。相变储热式热泵热水器具有传热效率高、储热密度大的优点，有望使用相变储热材料替代原有水箱，实现生活热水无水箱化的目的。2014年，国际铜业协会也在积极推进此项技术的发展，值得期待。3.4水箱（内胆）技术发展目前，热泵热水器行业内搪瓷内胆，水晶内胆，不锈钢内胆都有使用。其发展经历了镀锌树脂内胆、不锈钢内胆到搪瓷内胆的发展过程。同时，每项技术也在不断完善中。美的在2014年全面将旗下热泵热水器水箱由不锈钢内胆升级为E+蓝钻内胆，为行业树立了新的标杆。其采用国际知名品牌FERRO内胆涂层材料和专用的优质内胆钢板材料；结合美的研制涂层材料调制配方，涂层伸缩不断裂，达到1级附着力；并经850℃高温制造工艺将涂层材料紧密均匀地吸附在内胆钢板上，形成完整的内胆保护层，将水与钢板彻底隔离，避免钢板被侵蚀，从而保证内胆的超长使用寿命。随着越来越多的主流企业接受了搪瓷承压水箱品类之后，制造企业越来越多，作为行业搪瓷水箱产品的重要配套企业，光芒新能源、GMO迈能在持之以恒地推进搪瓷水箱产品在空气源热泵中的应用。同时，不锈钢内胆等也在不断进行技术革新，比如长菱在2014年导入“军工钢”的理念。中广欧特斯和阳帆也在积极推进水晶内胆技术的发展。3.5主要水泵供应商目前，空气源热泵行业水循环热水器和采暖机组都采用水泵，水泵的代表性厂家是丹麦格兰富公司。丹麦格兰富是全球泵业的领导者之一，其年生产量每年近1600万台，目前已是世界上最大的循环泵生产制造厂，此类泵产品覆盖了大约全世界50%的市场。针对中国热泵市场，格兰富推出了三款有针对性产品：防冷凝水系列的K版本UP屏蔽泵，适用于带制冷功能的热泵采暖系统；引进符合欧洲Erp指令的高效变频水泵，不但提高了热泵采暖水系统的稳定可靠性，节能效果也特别明显；为了简化热泵采暖水系统，格兰富最新推出的CHBL产品集成了水路三通阀、排气阀、安全阀等水路必须部件，简化水路系统提高厂家生产效率的同时，也提高了水路的稳定可靠性。如下图3-7所示图3-7格兰富适用热泵产品的水泵3.6控制器及阀门技术发展热泵产品使用时间跨度大，对于控制和逻辑要求高。目前企业也为热泵行业提供了一些支持和可选方案。三花开发了热泵热水器专用四通阀SHF系列，如下图3-8所示，特别适合高温热泵系统，能满足出水温度80℃以上的热泵热水器。适合系统制冷剂温度在135℃以下、工作压力4.5MPa以下的系统，能在70℃的环境温度下可靠工作。适合高温热泵系统长时间的运转。图3-8三花SHF系列四通阀浙江春晖智能控制股份有限公司开发了热泵热水器用双向热力膨胀阀，如下图3-9所示。双向热力膨胀阀集回气温度、回气压力采集、流量自动调节、调节后反馈回气温度、回气压力信号于一体，无需配置电控器件，具有自适应调节功能。图3-9春晖双向热力膨胀阀艾默生环境优化技术提供品类齐全的产品，包括热力膨胀阀、电磁阀、系统保护（干燥过滤器、视液镜）、压力控制器（压力控制器、压差控制器）、电子控制类产品、电子膨胀阀及控制器等。控制技术提供了整体方案，以保护压缩机和优化系统性能。3.7制冷剂发展热泵热水器所使用的制冷剂和传统的空调制冷行业基本相同，主要都是卤代烃类的化合物。目前，在中国主要使用的是R134a和R410A，R32制冷剂等处于试验阶段。以下表3-1是目前各国热泵热水器使用制冷剂的情况。表3-1热泵热水器制冷剂情况R22R134aR410AR407cR417ACO2中国●●●●●●美国●●欧洲●●●日本●●二氧化碳制冷剂作为一种在地球自然存在物质，即使在-20℃的环境温度下，CO2热泵热水器依然可以制取80℃-90℃的热水。目前中国市场上的二氧化碳热泵热水器可用零部件供应商和零部件规格少，成本也较高。我国在政策层面对二氧化碳热泵的支持力度还比较小。这些都造成二氧化碳系统应用较少。在中国，2014年，昆明东启科技股份有限公司的CO2热泵通过了国家新技术产品鉴定，并实现规模生产。如果政策层面的支持和引导力度更大一些，必将吸引更多企业参与CO2热泵系统开发和生产，加速CO2热泵的推广。3.8产品形式的创新整体式热泵热水器作为空气源热泵产品的重要品类，和分体式产品相比具有其独特的优势。热水器水箱与热泵制热外机融为一体的整体设计，无需为安装预留外机空间，使建筑外观更显整洁与美观，同时也为消费者节省了宝贵的空间资源。安装简单、可靠、安全是整体机另一突出优势，安装只需要进行简单的进出水管连接即可正常使用，大大简化了热泵产品的安装程序。一体机的发展，在2014年得到明显进步。A.O.史密斯超静音整体式热泵热水器，如下图3-10所示，在2015年初推向市场，解决了噪声和能效等关键技术瓶颈。美的优泉极简一体化的外观设计，如下图3-11所示，荣获Gmar国际设计大奖，搭载美的独创的E+蓝钻核心科技，获得消费者认可。图3-10A.O.史密斯超静音系列图3-11美的优泉系列3.9北方低温采暖专用机蓬勃发展2014年，行业中各大企业都针对逐渐火热的北方市场推出北方低温采暖专用机，突出企业包括纽恩泰、中广欧特斯、华天成、澳信、欧思丹、爱美泰等，依靠扎实的技术支撑，推出多款热泵地暖机，满足北方供暖需求。也施工了一些样板工程，河北廊坊馨钻界小区项目、北京门头沟采暖项目、山东济南消防队热泵采暖项目、北京别墅区橘郡热泵采暖项目、济南高墙王小区热泵采暖项目等等，都表明“低温难阻热泵”。图3-12华天成济南空气源热泵采暖工程图3-13科希曼廊坊空气源热泵采暖工程北京建筑工程协会提出了北方采暖的技术要求，可以供行业参考。冷热水机组名义工况的制冷性能系数COP不应低于2.6；多联机组制冷综合性能系数IPLV(C)不应低于3.2；采暖设计工况为室外温度-12℃、供水温度41℃，名义工况的COP不低于2.1；且宜采用符合《低环境温度空气能热泵（冷水）机组第二部分：户用及类似用途的热泵（冷水）机组》，GB/T-2010中各项规定的空气能热泵机组；机组应在不低于-20℃的环境里进行供热；当机组作为太阳能生活热水系统的辅助热源时，室外气温为0℃时的制热工况最高供水温度不宜低于50℃；应具有先进可靠的融霜控制，融霜时间总和不应超过运行周期时间的20％；低噪音要求。3.11南方供暖工程在南方，随着生活品质要求的提升，对于采暖提出了更多的需求。特别是地板采暖，消费者逐渐认识到热水采暖维持室内温度波动小，辐射热增加人体舒适感，地暖具有最舒适的温度场，并且无空调热风采暖带来的扬尘、噪音等问题。嘉兴京都九月洋房采用了美的600套热水机，镇江