热泵热水器技术现状及发展趋势

1 前言

    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，卫生热水节能日益受到人们重视。目前，国内城市中各类商业建筑卫生热水能耗占这些建筑总能耗的比例达到10％～40％，城市民用建筑热水能耗约为城市民用总能耗比重的20％～30％，节能是热水技术发展的永恒主题。而电热水器、燃气热水器的技术已趋于完善，但从根本上只是“热水壶的高档化”，高能耗是常规热水技术无法克服的缺憾。因此，深化开发太阳能热水器、热泵热水器是热水器发展的两个必然方向^[1]，本文正是从节能与可持续发展的角度出发，提出应大力发展热泵热水器。

2 热泵热水器技术现状

2.1工作原理

    热泵热水器被称为“第四代热水器”，它以消耗一部分电能为代价（补偿）通过热力循环，把环境介质水、地热源、空气等贮存的能量（热量）加以发掘利用，用来生产热水。其工作原理如图1所示。由蒸发器来的制冷剂干饱和蒸气被吸入压缩机，绝热压缩成为过热蒸气（过程1－2）后，流入热水器中的冷凝管，在定压下冷凝放热，并进一步在定压定温下冷凝成饱和液体（过程2－3）而将热水器中的水加热升温到所需要的温度，饱和液体继而通过一个膨胀阀（又称节流阀或减压阀）经绝热节流降压降温而变成低干度的湿蒸气。在蒸发器中，以定温定压过程（过程4－1），吸取外界（环境）热量而成为干饱和蒸气从而完成一个循环。当热水箱中的热水温度达到温度上限时，压缩机停止工作；反之，当热水温度降到热水温度下限时，压缩机重新启动工作，将热水箱中的热水温度升高，使其温度恒定在一定的范围内。冷水由热水器底部补入，卫生热水从上部流出，热水器水位始终保持高水位－即充满水^[2]。

Fig1(a) Heat pump water heater work flow

图1(a) 热泵热水器工作流程

Fig1(b) T-S cycle drawing

图1(b) T-S循环图

2.2技术性能特点

    热泵热水器作为一种新型热水装置，技术上具有许多优点^[3]：

    (1)安全性好。传统热水器以燃气、电和太阳能为主，三分天下。燃气热水器安全性较差，燃烧不充分和水压不稳定易造成燃气中毒和烫伤事件；电热水器的漏电隐患和住宅接地不良也对消费者的生命安全造成严重威胁；太阳能热水器储水式的特点决定了其在晴天时，水温可能很高，造成烫伤，阴雨天的电辅助加热却留下安全隐患。与以上热水器不同，热泵热水器制热过程是通过压缩机排出的高温高压制冷剂气体加热水罐中的水，电主要用于压缩机，制热后的气体通过外盘式的盘管与搪瓷水罐中的水交换热量，水电完全分离，这样，既不存在漏电隐患，省去了防漏电的烦恼，也避免了电加热管表面温度高，易结垢并影响加热效率的弊端，真正作到绝对安全。

    (2)更节能。由于采用热泵技术，可将大量低品位的热源（空气中的热量）通过压缩机和制冷剂，转变为高品位的可利用的热能，性能系数可达3以上，即热泵热水器的压缩机每耗一度电，可产生电加热消耗三度电产生的热水，极大地节省了能源。以烧120升水为例，压缩机功率为500W，热效率值为3.7（标准工况环境温度为20℃），是普通电热水器的四倍左右（电热水器热效率为0.95），大大节省了电能，若大面积推广可极大的缓和电力紧张情况，具有很大的现实意义，具体比较见表1。

    (3)环保性好。与燃气热水器相比，热泵热水器无任何排放，其制冷剂选用R410A，是一种环保制冷剂，对臭氧层无污染，是R22的理想替代产品，目前，该产品在欧洲替换制冷剂市场占80％以上的市场份额，被广泛地用于商场、宾馆、超市和办公场所等中央空调制冷剂的替换，其节能、环保、高效和替换简单（不用换压缩机和膨胀阀）等特点，使其已成为欧洲替换R22的首选产品。