相變儲熱熱泵熱水器關(guān)鍵技術(shù)分析

黃劍峰 趙鵬飛

（廣東長菱空調(diào)冷氣機(jī)制造有限公司，廣東 佛山 528000）

概述

熱水器已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代人民生活和社會生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，熱水供應(yīng)也是生活、生產(chǎn)的能源消耗中的重要組成部分?，F(xiàn)代市場上的熱水器主要可以分為三類，分別為太陽能熱水器、燃?xì)鉄崴饕约半姛崴?。但是上述熱水器都或多或少的存在一些問題和缺陷：例如，太陽能熱水器收到天氣氣候的限制，使用的局限性較大；燃?xì)鉄崴鞔嬖谳^大的安全隱患，容易引發(fā)煤氣中毒；電熱水器的能耗較大，其供熱系數(shù)低于1。由此可見，相變儲熱熱泵熱泵熱水器具有極大的優(yōu)點——環(huán)保節(jié)能、運(yùn)行成本較低、適用范圍廣泛，因此成為現(xiàn)代熱水器技術(shù)發(fā)展的新方向。

1 相變儲熱熱泵熱水器工作原理

1.1 相變儲熱熱泵熱水器簡介

卡諾在1824年奠定了“熱泵”的理論基礎(chǔ)， 1912年瑞士批準(zhǔn)了世界上第一個有關(guān)“熱泵”的商業(yè)專利。相比之下，我國的“熱泵”技術(shù)的開發(fā)和研究較晚，直到1965年，我國才研制開發(fā)了第一臺熱泵空調(diào)機(jī)。發(fā)展到現(xiàn)在，我國已經(jīng)有超過100多家制造廠在生產(chǎn)熱泵熱水器。

1.2 相變儲熱熱泵熱水器工作原理

“熱泵”顧名思義，其原理如同水泵一樣，就是指通過能源消耗使熱量從低位熱能源頭向高位熱能源頭流動的一種裝置。在工作時，相變儲熱熱泵熱水器主要通過交替實現(xiàn)儲熱和放熱兩個工作階段，先利用壓縮機(jī)將熱量以潛熱的主要形式儲存于相變材料中；需要用熱水時，利用相變材料放出潛熱增加進(jìn)水溫度；而在暫時不需用熱水供應(yīng)時，不必停止相變儲熱熱泵熱水器的壓縮機(jī)，從而在停機(jī)和再次啟動時消耗額外的能源，而是可以通過加熱融化相變材料以儲存量，如此周而復(fù)始，進(jìn)行循環(huán)供熱。

2 相變儲熱熱泵熱水器的節(jié)能可能性

2.1 能耗損失分析

相變儲熱熱泵熱水器受季節(jié)影響，其蒸發(fā)溫度不同，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，在冬季時，其能效比會明顯減小，熱水供應(yīng)的速度明顯降低。另外，在相變儲熱熱泵熱水器中，相變材料是關(guān)鍵，但相變材料在長期使用后會明顯損耗，其傳熱效果大大下降。

2.2 可節(jié)能技術(shù)點分析

與顯熱儲熱相比，相變儲熱熱泵熱水器系統(tǒng)因儲熱密度高，可以大幅減小儲熱容器的規(guī)模。而且，相變儲熱熱泵熱水器的放熱溫度可以相對保持平穩(wěn)，在放熱過程中可以做到近似恒溫，因此，相變儲熱熱泵熱水器系統(tǒng)具有十分穩(wěn)定的熱水供應(yīng)性能。此外，相變儲熱熱泵熱水器系統(tǒng)中的相變材料的儲熱溫度低，與外界的傳熱溫差小，因此，可以起到很好的保溫效果。

3 相變儲熱熱泵熱水器的節(jié)能改造

3.1 節(jié)能原理

現(xiàn)代技術(shù)條件下，相變儲熱熱泵熱水器主要通過高效的相變材料，結(jié)合預(yù)熱作用等新興技術(shù)實現(xiàn)熱水供應(yīng)的分階段加熱， 減小相變儲熱材料的換熱器設(shè)備的規(guī)模，并采用逆流換熱，提高系統(tǒng)的能效比。目前，在變相儲熱熱泵熱水器的開發(fā)和研究上，主要再用相變儲熱預(yù)熱式熱泵熱水器模型來實現(xiàn)熱泵節(jié)能效果的最大化。與常規(guī)的熱泵熱水器相比，主要在以下兩點上集中體現(xiàn)了相變儲熱預(yù)熱式的熱泵熱水器模型的優(yōu)點：一是進(jìn)入加熱器的水的溫度在預(yù)熱階段會高于室溫， 由此使得制冷劑與水兩者之間的換熱溫差變?。欢窃谙嗤瑑崮芰肯?，相變儲熱材料儲能量大，因此，可以大幅減小相變儲熱材料的換熱器設(shè)備的規(guī)模。

3.2 節(jié)能技術(shù)改造

為了達(dá)到最大節(jié)省能源的目的，最有效的技術(shù)改造方法是將變相儲熱熱泵熱水器與制冷空調(diào)器兩種設(shè)備結(jié)合到一起。變相儲熱熱泵熱水器和制冷空調(diào)器可以共用一些相同的系統(tǒng)部分，如此這般可以更有效的節(jié)省能源，并可以有效緩解空調(diào)對環(huán)境造成的不利影響。在夏季，較多使用空調(diào)器的制冷功能時，可以同時利用空調(diào)器產(chǎn)生的冷凝熱制造熱水，還可以進(jìn)一步提高空調(diào)器的制冷能效比，減少空調(diào)器對周圍環(huán)境的熱污染。在春季、秋季和冬季，相對較少使用空調(diào)器時，可以利用空調(diào)器閑置的熱泵系統(tǒng)幫助變相儲熱熱泵熱水器系統(tǒng)制造熱水。如此這般，可以大幅提高整套結(jié)合設(shè)備的全年功效率。

隨著熱水器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，可以以二氧化碳作為環(huán)保制冷劑，應(yīng)用于熱泵熱水器及空調(diào)器。因為二氧化碳相對其他類似功能的材料而言，對環(huán)境的負(fù)面影響較小，價格低廉，安全系數(shù)高，其物理化學(xué)性能比較穩(wěn)定，流動性和傳熱性能好，單位容積制冷量也很高，因此可以明顯減小壓縮機(jī)尺寸，壓縮相變儲熱熱泵熱水器和空調(diào)器的結(jié)合設(shè)備系統(tǒng)的體積和規(guī)模，降低設(shè)備安裝的成本，節(jié)能環(huán)保。此外，還可以考慮將相變儲熱熱泵熱水器和其他傳統(tǒng)的熱水器技術(shù)相結(jié)合。不僅可以使太陽能熱水器不再受天氣影響，同時也可以提高熱泵的能效比。例如，可以將相變儲熱熱泵熱水器的熱泵蒸發(fā)器做成太陽能集熱器，將太陽能作為低位熱能。

結(jié)語

目前看來，我國熱泵熱水器發(fā)展較晚，市場占有率還非常低。基于相變儲熱熱泵熱水器性能良好、成本相對較低、綠色環(huán)保等顯著的優(yōu)勢，其具有非常廣闊的市場前景，尤其是在供應(yīng)50°左右的熱水方面。因此，我國應(yīng)進(jìn)一步加大對相變儲熱熱泵熱水器方面的科學(xué)、市場研究，爭取早日實現(xiàn)相變儲熱熱泵熱水器的市場化。

[1]沈明，宋之平.空氣源熱泵應(yīng)用范圍北擴(kuò)的可能性分析及其技術(shù)措施述評[J].暖通空調(diào)，2009（06）：37-39.

[2]周子成.二氧化碳熱泵熱水器[J].制冷與空調(diào)，2011（04）：45-46.

[3]余樂淵.壓縮式熱泵熱水器實驗研究及性能分析[J].能源工程，2003（04）：56-58.

[4]吳小平.家用熱泵熱水裝置的試驗研究[J].制冷， 2007（03）：01-05.

[5]張立毅，胡浩，李勇健，等.美國艾默生公司壓縮機(jī)應(yīng)用技術(shù)講座第二十一講谷輪“低溫強(qiáng)熱渦旋”在熱泵式空調(diào)器中的應(yīng)用[J].制冷技術(shù)，2011（01）：47-49.