不为人所熟知的热泵技术之二电加热.doc

不为人所熟知的热泵技术之二：低温气侯为什么需要使用辅助能源 江苏华扬新能源有限公司 陈志强 热泵热水机搬运能量的多少决定着热泵产品的经济性能。一定能耗时空气源热泵热水机搬运的能量越多，节能效果就越好，经济价值就越大。反之，如果空气能产品在一定能耗时获得的热能很少，甚至没有直接用电加热产生的能量多，那么这样的产品没有节能价值，也就没有什么经济价值了。我们用性能参数（或“能效比”）的数值来衡量这个产品的能效。 许多宣传空气源热泵不用辅助电加热的人强调：热泵的“能效比”超过1，比电加热高很多，要节能当然就不能用电加热。于是，一方面那些不用电加热的热泵热水机冬季故障不断，另一方面，许多厂商和经销商在“悄悄”使用着辅助电加热。 在此，本文想从技术层面为热泵配备辅助电加热正名，并且理直气壮地提出：热泵热水机欲成为成熟的全面推广的产品，离不开辅助热源的支持，辅助电加热是使用方便的清洁能源，自然是系统配套的首选对象之一。实际上，在热泵型空调系统中，采用电加热作为补充能源几乎成为常规配置，并没有见到多少客户或者专家学者提议取消这个配置。 配备辅助热源的理由有三： 低温气侯中空气源热泵制热量不足，往往无法保证热水需求。 前文结合实验结果阐明：空气源热泵制热量与能效比都会随着环境温度的降低而下降。前文图一中给出：环境温度20℃时制热量17.2kW（冷热水温差40度），到了环境温度5℃时制热量降为11.23kW（冷热水温差51度），比20℃的数值降低1/3；到了环境温度-5℃时制热量降为5.75kW（冷热水温差51度），比20℃的数值降低了2/3。相关测试数据表明，即使是采用优化电机性能曲线、补气增焓、变频等改善压缩机的手段，与名义工况相比，空气源热泵机组冬季制热量依旧会有一半以上的衰减。 另一方面，热水使用的常规是，环境温度降低，自来水温度降低，冬季热水使用量往往会比春秋季多使用1/4以上。 如果按照满足冬季极端情况下-5℃时的热水负荷、空气源热泵热水系统24小时连续工作来设计，那么，春秋天的机组工作时间往往还不到6个小时，而每天热水供应量与热泵机组的配置比需要达到1吨水配置2匹高能效热泵机组。囿于工程人员经验、市场竞争和投资回报期等方面因素，目前国内95%以上的热水工程无法做到这一点。 并且，哪怕能够保证-5℃时的热水供应，遇到特殊情况气温更低或者热水使用量超量，1吨水配置2匹高能效热泵机组的配置还是显得不足的。如何处理此矛盾呢？我们还是应该从工程设计思路中找答案。 集中热水工程设计有两种方法：一种是冬季极限负荷法，要求设计的热水系统能够保证冬季极端气候状况下的热水负荷需要。另一种是冬季平均负荷法，要求设计的热水系统能够保证冬季平均气候条件下的热水负荷需要，在无法保证热水负荷的低温气候下，该热水系统通过配备其他热源的方法保证需求。很显然，一般情况下，冬季极限负荷法设计的系统要比冬季平均负荷法的热泵选型要大，成本要高，节能效果也会好一些。 无论如何设计，热源供热量要能够保证热水的需求。如果系统中制热量不足，那么谈能效比已经没有价值：如图九所示，虽然环境温度-5℃时系统能效比还可以达到1.5，但如果制热量无法满足把水制热的需求，就难免出现“水温上不去”、“省电不省钱”、“冬天没法用”这样恶劣的后果，客户如何满意呢。 低温气候中压缩机常常超极限运行，长期如此将缩短机器寿命。 常规空调压缩机的温度工作范围比较窄，热泵热水机工作的温度范围要大很多（详见图六：热泵系统运行特点），所以，用空调压缩机制造热泵热水机就会超极限运行。有销量的经销商都知道，热泵热水机在冬季最容易坏压缩机。冬季压缩机损坏主要有以下几种原因： 电机卷线温度过高 不同电机有不同的性能曲线，压缩机一般在最佳的一段电机性能范围中运行，在此范围内，电机效率高，电机卷线温度低，一般不超过120℃。但如图十所示，水温55℃时，当干/湿球温度为43℃/26℃时，空调压缩机卷线温度达到125℃以上，当干/湿球温度为-7℃/-8℃时，空调压缩机卷线温度达到134℃左右。卷线温度过高带来的问题常常是致命的：一方面润滑油黏度降低，压缩机润滑状态恶化，严重情况下导致润滑油碳化，压缩机卡壳；另一方面电机卷线漆包线、绝缘材料高温老化，容易直接造成电机短路、压缩机烧毁。 图十：空调压缩机与热泵压缩机卷线温度对比（摘自上海日立电器有限公司资料） 过热度差引起的液击故障 压缩机吸气口前面带有一个汽液分离器，用以将管道中的液体沉淀下去，保证压缩机吸的都是气体。同时，技术上提出了一个过热度的概念，把压缩机吸气管中冷媒的温度与翅片管换热器中冷媒蒸发温度的差值定义为过热度，要求系统运行过程中有一定的过热度，保证压缩机不会因吸进液体冷媒而产生液击叶片的故障。图十一给出了合理系统与不合理系统中过热度的不同。可以看出，在不合理的热泵