空气能热泵热水器的发展应用及一些应注意的问题

空气能热泵热水器的发展应用及一些应注意的问题华南理工大学化学与化工学院汪南0绪论2006年2月16日，旨在限制温室气体排放、遏制全球变暖的《京都议定书》生效，大力鼓励、推广绿色环保新能源及其应用产品成为必然的选择。而能源紧张、拉闸限电、燃气涨价等问题的凸显唤起了人们对能源战略应用的重新思考，同时也将人们的目光引向了新型能源的开发与利用,这促使传统的、高能耗的家电产品逐步退出市场。在我国，随着经济发展和“城镇化”进程的加快，卫生热水能耗在建筑能耗中的比例越来越大，卫生热水节能已成为不容忽视的问题。这就催生了新一代热水器———空气源热泵热水器，可以说它符合时代的要求。空气源热泵热水器主要有以下优点：一是节能。热泵工作的原理就是用少量电能把空气中或者水中的废热搬运到要加热的对象中，就像水泵把水从低处送到高处，热泵是把热量从温度低的地方运到温度高的地方，因此，要比纯粹用电加热或者用气体燃料加热要经济；二是安全。实现水电完全分离，同时也不像燃气热水器有爆炸的隐患，安全问题得到彻底的解决，而且实现自动控制，用户不必与强电接触；三是安装使用方便。阳台、走道、杂屋、庭院、室内、天面、外墙等随意安装，无须直面阳光；四是可以减少温室气体的排放，有利于保护环境。空气能热水器在我国可以算是新兴产品，其市场前景广阔，但真正进入到千家万户还有一段路要走，下面就有关问题谈谈自己的一些想法。1原理空气源热泵热水器和电热水器、燃气热水器相比节能，这完全是由其工作原理决定的。空气源热泵热水器主要由类似空调器室外机的热泵装置和大容量承压保温水箱组成。压缩式空气源热泵装置，主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置四部分组成，通过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量)、压缩、冷凝（放出热量)节流再蒸发的热力循环过程，从而将环境中的热量转移到水中，如图1所示。热泵在工作时，把环境介质（即空气)中贮存的能量QA在蒸发器内加以吸收；它本身消耗一部分能量QB，即压缩机的耗电；通过工质循环系统在冷凝器中进行放热QC，QC=QA+QB，由此可以看出，热泵输出的能量为压缩机做的功QB和热泵从环境中吸收的热量QA，因此，采用热泵技术可以节约大量的电能。图1热泵热水器工作原理正如前所述，热泵工作的原理类似于水泵，把空气里面广泛存在的低品位能量，通过消耗电能，送到热交换器（冷凝器)，然后冷凝器加热热水。所以。可以想象，如果所要加热的热水温度确定（国标规定卫生热水温度55℃），当环境温度越低，那么热泵工作就越困难，耗电就越多。2空气能热泵热水器技术特点2.1家用型热泵热水器根据水箱与压缩机的相对位置关系分为整体式和分体式，前者是将冷凝器和水箱置于一体，冷凝器采用盘管式或板片式，冷凝器可以放在水箱内，也可以盘绕在水箱外壁，放在水箱传热效果好，能效比高，但对冷凝器盘管材料有要求，必须具有防腐功能。盘绕在管壁时传热热阻高，因而能效比要差些。图2分体式热泵热水器图3整体式热泵热水器分体式家用型热泵热水器是由热泵主机+热水箱，通过管路将两者连接起来，一般采用循环加热方式，当水箱内水温达到设定要求时，压缩机停止运行。采用承压水箱，水箱壁厚较大。家用热泵出现了复合型功能的机组，即采用三个换热器，两个风冷热交换器和一个水冷热交换器，其中两个风冷热交换器一个安装在室内，一个在室外，水冷热交换器布置在水箱内。其工作模式：①同时需要给房间供冷和供应热水时，室内风冷热交换器为蒸发器，水冷热交换器为冷凝器；②房间需要供冷而水箱热水温度已达到要求时，室内风冷热交换器为蒸发器，室外风冷热交换器为冷凝器，此时是一个单纯的空调器；③房间不需制冷。需要对水箱加热时（过度季节），室外风冷热交换器为蒸发器，水冷热交换器为冷凝器；④房间需制热，水箱不需要加热（冬季工况），室外风冷热交换器为蒸发器，室内风冷热交换器为冷凝器，此时是一台热泵。2.2商用型热泵热水机器商用热泵热水器和家用分体式热泵热水器很相像，只不过压缩机功率较大，热水的供应能力增强，冷凝器常采用板式换热器和套管式换热器，加热方式有循环式和直热式两种，前者通过冷凝器的不断加热，将水箱内水温从15~25℃左右提升到55℃左右，然后停止运行，工作过程中压缩机的工作状态点不固定，压缩机工作压力逐步升高；后者采用冷凝器将来自自来水管的水直接加热到55℃，压缩机的工作状态点稳定；两种方式各有优缺点，前者可很方便完成对供水系统热损失较大时的再加热功能；后者压缩机工作状态较稳定，采用逆流加热方式，能效比高些。为了达到更高的能效比和经济效益，商用热泵热水器的使用必须结合建筑物的一些特点进行综合利用，如在学校工厂职工宿舍等场合安装时，应充分考虑和太阳能热水器的结合，两者互补运行费用更低。在酒店等场合使用时，则可考虑冷量的回收问题。2.3制冷剂的选择目前常用的制冷剂类型是R22，在国外欧洲市场采用R417A，在日本采用的是R410a。3珠三角地区空气能热泵的发展状况3.1企业特征及产品现状04年到现在，空气能热水器企业大军中，中小企业一直占据着整个市场的绝对比重，而这些企业普遍的情况是：生产规模小，技术研发能力差。国内空气能热水器行业仍呈现出无序和品牌集中度较低的特征。随着节能环保上升为一项基本国策，各级地方政府的逐渐重视，空气能热水器的升级换代的速度明显加快，产能带动价格的竞争手段已逐渐削弱，新一轮的竞争特点集中为以技术进步和创新为核心。目前在全国生产热泵企业的5、6百家企业之中，获得生产许可证的只有27家企业，各种行标、国标的制定也趋使行业竞争格局升级。空气能热水器巨大的市场空间吸引了以美的、格力为代表的知名品牌的加入，而这些在国内空气能热水器行业中占据稍大优势的企业较为注重研发、追求技术创新，在它们的带动和对市场份额的大规模争夺下，国内空气能热水器行业的技术创新将成为必然趋势，行业内的竞争格局将日渐升级，市场的品牌集中度也将逐渐提高。3.2市场状况空气能热水器进入中国几十年，但真正发展不过几年的时间。从零星的市场到10个亿的销量，空气能热水器走的路并不长。07年年末的统计显示，这一年空气能热水器企业大军以迅雷不及掩耳之势占领了近10个亿的市场份额，而08年空气能热水器销售市场最大的亮点莫过于格力3个月内创造的2.2个亿的销量，这一数据，无不显示出空气能热水器市场的巨大潜力！如图一显示，06年空气能热水器的总产量为6.2亿元，07年为10亿元，08年达到了15亿元。从6.2亿到15亿，不过两年的时间，年增长率达到150%。图4热泵热水器销售行情（数据来源：慧聪热泵网）3.4企业发展之路企业在研制生产销售热泵热水器时，绝大多数企业在商用热泵热水器上投入较多，但商用热泵热水器的市场空间毕竟有限。因此，一个企业要想在热泵热水器行业做强做大，家用热泵热水器是必须抢占的市场。4应注意的问题4.1全年卫生热水供应方案热泵热水器从原理上将低位热源的热量向高位转移，如果低位热源的品位太低，热泵的热搬运能力明显降低，当空气温度降低到零下8~10℃以下时，基本上谈不上什么制热效果，当对用户来说这不能成为不能供应热水的理由，空气温度越低，用户热水喷出温度的舒适点提高，即原先水温在41℃时感觉良好，冬季可能要到43℃，使得热水的消耗量大大提高，如果热水器产品不能满足用户的需求，则不管热泵是如何节能，热水供应是失败的。因此，作为热泵热水器企业再向用户推销产品时，应满足用户全年的热水需求，对在恶劣天气下热泵热水器本身不能满足要求时，应考虑一些补救措施，如加以电加热器辅助加热，尽管短时间是不节能的，但综合全年的能效比，如果能得到2.0以上的效果，热泵热水器就非常理想了。4.2空气能热泵热水器年性能评定体系的建立我国规定了在标准工况下家用热泵热水器的能效比，我的观点是标准工况下的能效比固然重要，但也必须建立热泵热水器的年性能的评价体系，热泵热水器和太阳热水器一样，属于可再生能源利用设备。太阳热水器在太阳辐照度很低时，需要辅助加热，而热泵热水器，当采暖系统运行时，也要求辅助加热。这两种热水器都是主要从大气中吸收可再生能源。很多国家对太阳热水器的用户给于适当的税减免，承认这些产品减少污染的作用。因此，管理部门要求必须能精确确定各个产品的量化性能。4.3预防细菌繁殖措施供水系统是繁殖军团菌的主要场所，军团菌在接近人体温的35～36℃时最易繁殖，20℃以下不能繁殖，45～50℃以上不繁殖或死亡，70℃则迅速死亡。因而其主要菌源实际上来自热水系统，美国匹兹堡大学相关调查、研究工作也证明了这一点。热泵热水器作为一种热水供应设备，供水温度一般在50~55℃左右，在此温度下细菌不易生存。热泵热水器的工作特点是热水温度越高则性能比也低。反之，降低热水温度热泵的能效比会提高，系统耗电量降低，因此在有些场所的运行管理人员为了节约电费，人为降低水箱的设定温度，水箱温度在45~48℃，而水箱离供水点距离较远，在有些支路上水温很低，长期不用时就存在军团菌繁殖的风险。另外即使水箱温度设定较高，但由于大型供水系统采用较大的储水箱，箱体内水温分层明显，即水箱上部温度比下部温度高出很多，在下部死角处易繁殖军团菌。北京市5家三星级以上宾馆饭店进行基本情况调查，采集生活热水，进行实验室军团菌病原学检测，同时测定水温。结果所调查的5家宾馆饭店中有2家检出军团菌，76份水样中有5份阳性水样，阳性率为6.58％，混水罐、储水容器和末梢水三个环节有检出，阳性率分别为25.00％、33.33％和4.35％，三者之间无明显差异。军团病已成为危害人群健康的一种重要疾病，其对人类健康的威胁已经达到不容忽视的程度，研究报道，其暴发流行期病死率高达30%(15.4%～30.0%)，散发病例病死率最高可达69%；世界范围内每年数万病例。热泵热水器系统中是存在军团菌繁殖的可能的，因此必须考虑到这一危险的存在，并采取相应的防治措施，以免悲剧的发生。4.3系统运行的可靠性系统运行的可靠性关系到产品的声誉，尽管到处报道热泵技术已经成熟，但也应注意到热泵和其它热水器相比，系统非常复杂，系统部件多，因而故障点也多，热泵出现的问题的报道也很多。作为生产厂家，应在以下几方面多加注意：①控制系统的改进：有些厂家产品冬天正常，但夏季出现没到设定水温时机组关机现象；控制器经常失灵，非法停机和频繁启动②冬季除霜不合理：不同的区域不同时节，结霜的特征都不一样，化霜不彻底时容易导致热泵不工作或烧毁压缩机。③制冷管路布置的合理性：管路布置不好，易引起震动而导致管道开裂现象。④部件运行的可靠性，有些厂家忽视一些小的制冷附件，这些制冷附件导致整个热泵工作不正常。4.4防腐问题不少厂家生产的整体式家用热泵热水器，采用了将铜管绕成盘管后放置在水箱内，由于国内自来水水质较差，采取加氯消毒方式，使得水中氯离子浓度较高，另外，国内有些厂家生产的铜管质量不过关，存在杂质，另外，铜管表面温度高会加速水中金属离子的积聚，在水中形成原电池，加速了铜管的腐蚀，种种原因，导致这类产品在运行2~3年之后，陆续出现了明显的腐蚀现象（铜绿水），如果不加处理，当厂家产品销售达到一定规模时，大面积出现腐蚀现象而退货打官司时，对企业的生存是致命的。4.5它国经验及教训在国外，有不少公司在研制开发热泵热水器，其发展过程中的经验值得中国学习。4.5.1美国热泵热水器的经验教训在美国，热泵热水器的发展并不顺利，至少在2004年以前如此：在上世纪70年代，由于中东战争引起的石油危机，使得热泵得以大大发展，在80年代初，伴随着热泵的技术发展，热泵热水器也得以大面积扩张，很多大企业也加入到热泵热水器行业中来，但随之而来的是产品在使用过程中出现了很多问题，用户纷纷投诉，很多企业被迫改行，企业数量由最多的15家下降到不足3家（1995年）在维持。其主要原因在于①热泵热水器的作用被夸大化了：热泵的确是一种节能产品，但要考虑在低温地区制热效果不理想的问题，经常出现冬天无热水现象，没有考虑有其它辅助加热方式来补充；②产品质量问题：由于当时高温压缩机性能不是很过关，因此质量事故比较多；③安装维护人员不够；④控制系统不完善。4.5.2日本热泵热水器的经验