節能壁掛式電熱水器研發中熱泵技術的運用

王秀峰

[摘 ? ?要]分析了基于熱泵技術的節能電熱水器運行原理，并提出了一種基于熱泵技術的節能壁掛式電熱水器系統研發設計方案，主要從節能熱水器熱泵系統的設計、保溫水箱模塊設計、熱泵模塊設計、熱水器模塊總成這幾方面入手，對該設計方案內容進行了全面闡述，并以某高校的應用實例進行成效分析。結果證明，該設計方案具有良好的節能效果，加熱成效也相對理想。

[關鍵詞]熱泵技術;節能壁掛式電熱水器;保溫水箱

[中圖分類號]TM925.32 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]This paper briefly explains the operation principle of energy-saving electric water heater based on heat pump technology， and puts forward an R & D and design scheme of energy-saving wall mounted electric water heater system based on heat pump technology， mainly from the aspects of energy-saving water heater heat pump system design， thermal insulation water tank module design， heat pump module design and water heater module assembly， This paper comprehensively expounds the content of the design scheme， and analyzes the effect with an application example of a university. The results show that the design scheme has good energy-saving effect and relatively ideal heating effect.

[Keywords]heat pump technology; energy saving wall mounted electric water heater; thermal insulation water tank

在進行電熱水器的研發過程中，需要重點把握其加熱性能以及節能性能，此時，可以在其中引入熱泵技術，實現節能式電熱水器的設計。

1 基于熱泵技術的節能電熱水器運行原理分析

對于基于熱泵技術的節能壁掛式電熱水器而言，其節能性能主要依托降低電能消耗的方式體現。在熱泵的支持下，空氣內包含的熱能轉移至水中，保證電熱水器實際加熱成效達標的同時，達到節能效果。對于其中所加設的熱泵單元而言，壓縮機、風機及其底座結構、掛架等零部件共同構成該單元結構，在加熱過程中的運行原理（圖1）主要如下：依托壓縮機的運行，熱泵制冷劑會由原本的低溫飽和氣態逐步轉變為溫度與壓力均相對較高的氣態，此時的主要操作為壓縮處理;引導制冷劑向著冷凝器的內部進行迅速轉移，在冷凝器的支持下促使原有的熱氣態迅速轉變為處于飽和狀態的氣態;隨后再轉變為液態（經過冷凝），依托上述流程操作的落實，能夠將大量的熱能釋放出來;在冷凝器的支持下，這些熱量交換至水中，從而達到對水箱內的水展開加熱處理的效果;結合毛細管內設置的干燥過濾器的作用，可以將制冷劑轉移至蒸發器結構中，由此驅動制冷劑的壓力在相對較短的時間段內呈現出顯著的下降趨勢，使得熱泵制冷劑從原有的液體結構轉化為氣體結構（一般轉化為飽和氣態），并依托這一流程實現對空氣內大量熱量的吸收;針對處于飽和氣態的熱泵制冷劑進行匯總，并將其引入壓縮機結構內，循環上述流程操作[1]。

同時，該電熱水器存在兩種運行模式，即速熱模式與節能模式。其中，在速熱模式下，自動落實水溫、環境溫度檢測，在條件滿足時啟動加熱棒與熱泵進行快速加熱，水溫提升至50 ℃后熱泵系統轉入停止運行狀態，而加熱棒持續運行，直至水溫達到預設數值;在節能模式下，自動落實水溫、環境溫度檢測，在條件滿足時啟動熱泵進行快速加熱，水溫提升至50 ℃后熱泵系統轉入停止運行狀態，切換至加熱棒加熱狀態，直至水溫達到預設數值。

2 基于熱泵技術的節能壁掛式電熱水器系統研發設計方案分析

2.1 節能熱水器熱泵系統的設計

空氣平均溫度設定為20 ℃;針對該熱水器內熱泵系統的運行環境溫度，在本次系統研發設計中主要維持在不低于10 ℃且不超過43 ℃;針對該熱水器內熱泵系統的加熱水溫度，在本次系統研發設計中主要維持在不低于15 ℃且不超過50 ℃;平均熱水量維持20L/h。

在本次研究中，主要在節能熱水器的熱泵系統內加設翅片管式蒸發器，在提取空氣轉移出蒸發器的過程中，溫度要求控制在16 ℃左右即可;由于該溫度數值與熱泵制冷劑蒸發溫度之間存在著約10 ℃的差值，由此可以了解到，本次節能熱水器的熱泵系統研發設計中，熱泵制冷劑蒸發溫度維持在6 ℃左右。主要在節能熱水器的熱泵系統內加設鋼盤管（即冷凝器），為保持熱泵冷凝器的冷凝溫度與加入熱水溫度之間存在著5 ℃的差值，則在實際的設計中使冷凝溫度維持在55 ℃左右即可。節流部件主要選用毛細管，因為其節流值始終維持在恒定狀態，所以可以對不同工況條件下的運行需求進行滿足。實踐中，在熱水器設計與構建之前，必須要落實對多樣性工況下（常見運行條件、特殊運行條件）的重要參數（如毛細管規格、制冷劑充注量）驗證，并由此確定出的最優參數。同時，設定各種關鍵參數如下所示：制熱量控制在705 W;功率控制在215 W;風壓維持在28 Pa、風量設置為130 m3/h。

2.2 節能熱水器模塊化設計

基于熱泵技術的節能電熱水器內含大量零部件，且結構的復雜程度相對較高，因此，為了更好保證熱水器的性能，在實際的設計過程中主要應用模塊化設計的方式，對所有零部件位置展開合理性設定，以此促使整個基于熱泵技術的節能電熱水器的結構緊密程度提升，達到提高熱水器生產組裝效率的效果，也為后續維護工作的展開提供更好條件支持。本研究中所提出的基于熱泵技術的節能電熱水器可以細化為兩部分主要結構，即保溫水箱模塊以及熱泵模塊。其中，保溫水箱模塊中所包含著的硬件結構有冷凝器、陽極棒、水箱等;熱泵模塊中所包含著的硬件結構有干燥過濾器、壓縮機、毛細管、蒸發器等。對于這兩大功能模塊，主要使用結構件完成連接，促使其固定為一個整體。

2.2.1 保溫水箱模塊設計

圖2為保溫水箱模塊的結構示意圖。參考傳熱面積，實現對冷凝器的成盤管制作中的鋼管長度數值的確定，同時針對鋼管表面依托搪瓷工藝完成處理，以此實現對成盤管防結垢、防腐蝕性能的提升。在鋼盤管的焊接操作中，主要在底蓋位置完成，并提前將進氣配管、出氣配管分別與鋼盤管中所規劃的進口位置與出口位置進行一一對應的配置與連接;在桶體結構中加設進水管，針對頂蓋位置落實高質量的焊接處理，組建起桶體的整體性結構組件;依托搪瓷工藝實施表面處理，以此達到強化桶體整體性結構組件的防結垢、防腐蝕性能增強;為實現各個結構之間的連接，主要利用焊接的方式對桶體以及鋼盤管的底蓋結構進行固定，總體構成內膽組建。在外殼結構中選取一端，引入焊接環處理，促使焊接環與卡扣槽結構之間實現固定連接，并促使其與罩殼完成連接。在此基礎上，出于對進一步提升內膽結構實際保溫成效的考量，針對內膽組件與外殼之間所存在的空隙，可以利用聚氨酯整體發泡工藝落實處理，由此構建起性能更為理想的保溫水箱模塊。

2.2.2 熱泵模塊設計

壓縮機、風機及其底座結構、掛架、渦殼等零部件共同構成熱泵模塊，將冷凝器結構加設在保溫水箱內，基于此，不需要在熱水器的熱泵模塊中引入冷凝器。結合對風機直徑、換熱面積等參數的綜合分析與考量，落實對蒸發器寬度、長度等參數的確定，同時在其下方位置加設集水槽，保證熱水器運行中所產生的冷凝水能夠得到及時且全面的收集、匯總[2];在外接導流管的支持下，相應冷凝水可以迅速排出。為了更好保證蒸發器在換熱操作中能夠顯現出更為理想的均勻性，在本次節能熱水器的研發設計實踐中，主要在蒸發器結構與風機扇葉結構之間引入導風渦殼，并使用弧形設計的形式落實其表面設計，從而達到降低流阻的效果，同時促使蒸發器的實際出風均勻性水平始終保持在理想水平，并同時實現對運行噪音的有效控制。在風機安裝座上，進行風機、風機扇葉的合理且牢固固定，并在風機安裝座的另一端位置加設渦殼結構;結合熱泵大掛架的應用，讓多個結構配合運行，并從物理上組成一個整體結構，共同組建起熱泵模塊。

2.2.3 熱水器模塊總成

對于熱水器模塊總成來說，其主要承擔著將保溫水箱模塊與熱泵模塊連接整合為一個整體的任務，即完成多個功能模塊的固定集成，最終實現對基于熱泵技術的節能電熱水器的設計與構造。同時，在風機、壓縮機的生產運行階段，噪聲的生成不可避免，且會隨著連續運行時間、累計運行時間的增長而出現運行噪聲增大的現象，所以在本研究的設計中，將隔音降噪結構加設在塑料殼罩中;使用卡扣連接外殼與塑料殼罩，由此構建起包含熱泵的節能壁掛式電熱水器。在該電熱水器的實際安裝過程中，保留原有的掛板固定模式。由于在本次設計中，主要在節能壁掛式電熱水器增設了熱泵模塊，所以其總長度表現出增加的狀態，平均增長200 mm;相比于傳統熱水器，基于熱泵技術的節能壁掛式電熱水器在安裝固定過程中所應用的方法基本保持一致[3]。

2.3 節能熱水器的性能優勢與改善成效分析

2.3.1 節能熱水器的性能優勢

在該熱水器系統中，熱水的提供主要依托空氣源熱泵完成，由于熱泵供給大量熱源，所以不需要投入電力擴容，節能效果十分顯著。同時，該節能熱水器還具有高效運行、遠程監測、熱水供應充足、多種模式設計、安全環保及智能除霜六大優勢加持，可全天候提供恒溫舒適的生活熱水，具體介紹如下。

①高效穩定運行。該節能熱水器主要使用高壓比變頻壓縮機，可實現大范圍環境溫度下（最低-20 ℃，最高43 ℃）制取熱水。②遠程監測。可實現遠程監測，隨時掌握機器運行狀態，也可根據用戶的使用需求實時調整機器運行狀態和定時運行。③熱水供應充足。熱水量充足，水箱大小可根據用戶需求進行不同配置，確保用戶的熱水供應量。④多種模式設計。提供壓縮機共振點屏蔽模式、制熱加速模式、省電模式等多種模式選擇。⑤安全環保。完全實現水電分離，并采用R410A環保冷媒。⑥智能除霜。低溫環境下智能除霜，避免出現無霜化霜而導致熱量損失。

2.3.2 節能熱水器性能改善的成效分析

某高校在優化改造項目中，選用本研究提出的基于熱泵技術的節能壁掛式電熱水器系統替代原有的電熱水器。該高校的基本情況如下所示：高校共有2個校區，總建筑面積為32.86萬m2，學校全日制在校生14961人，全校教職工871人。項目改造前，學校采用電熱水器進行熱水供應，1個宿舍安裝1個電熱水器，不僅運行效果不佳、安全性不高，而且運行費用非常高，每年的電費在500萬元左右。而改用熱泵熱水系統進行熱水供應后，設計熱水機組每天運行8 h左右，日均產熱水300 t，能夠24 h為學校師生提供生活熱水，不僅能穩定提供熱水，安全性強，而且節能性非常明顯。學校使用該熱泵提供熱水供應，熱水機組每天平均供應8 h，預計運行費用為每年100萬元，改造后學校每年可節省電費約400萬元。綜合來看，基于熱泵技術的節能壁掛式電熱水器系統的經濟效益明顯，且運行安全性、穩定性理想。

3 結束語

依托熱泵技術降低節能壁掛式電熱水器的能源消耗能夠收獲更為理想的成效，通過設置保溫水箱模塊、熱泵模塊，進行熱水器模塊總成，并設定速熱模式與節能模式這兩種運行模式，實現了壁掛式電熱水器實際加熱效果的維護，并對其節能效果進行了提升。實際應用案例表明，基于熱泵技術的節能壁掛式電熱水器系統的經濟效益明顯，且運行安全性、穩定性理想，因此有著較高的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 周鵬瑞.空氣源熱泵集中熱水系統在康復醫院項目中的應用及經濟性分析[J].工程技術研究，2021，6（6）：54-55.

[2] 李文明，董振宇，劉一飛，等.基于熱泵技術的節能壁掛式電熱水器研發[J].家電科技，2020（S1）：152-155.

[3] 任玉成，黃星智，李靖，等.水源熱泵在水面光伏升壓站中的應用及經濟性分析[J].資源信息與工程，2020，35（5）：145-147，152.