空气能热泵热水系统

空气能热泵热水系统

王晓东

北京中天元工程设计有限责任公司北京100142

摘要：随着国民经济的飞速发展和城市化进程的加快，能源的消耗也在逐年提高。节能减排倡导可持续发展的政策不断出台。空气源热泵技术也越来越多的受到各方面的重视和青睐。

关键词：空气源热泵；热水系统；循环式

空气源热泵热水系统是空气源热泵在制备热水上的具体应用。空气源热泵属于热泵的一种形式。热泵是一种利用高位能（例如电能）使热量从低温环境向高温环境转移的节能装置。热泵热水系统由蒸发器（吸收环境空气中热量的换热器）、压缩机、冷凝器（制取热水的换热器）储热水箱、膨胀阀及相关的副件和管路组成。热泵通过工作介质在蒸发器和冷凝器中的相变伴随着的吸热和放热的过程实现能量的转移，从而制备热水。热泵根据蒸发器吸收热源的性质分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵、双源热泵等。

空气源热泵热水系统的热源来自大气。太阳在向地球辐射时，其中20%到30%的热量留存在空气中，因此空气中储存了巨大的热量。这种热量具有的优点就是几乎是取之不尽，用之不竭。而且处处都有，开采方便。缺点也比较明显，就是大气获得的太阳辐射热量是不均匀的，跟季节和地域有很大关系。因此有些地区适合使用空气源热泵热水系统，有些地区不太适合或不适合。

说到适用性就要说到空气源热泵的制热能效比（COP）了。空气源热泵是利用电能驱动将空气中的热量转移，转移产生的热量和转移过程中所消耗的电能之间的比值就是空气源热泵的制热能效比（COP）。下图是一张空气源热泵热水系统的COP变化曲线图。

从图中我们可以看到空气源热泵热水系统的制热能效比（COP）是跟环境温度、进水的水温相关联的。

首先环境温度。环境温度越高，空气源热泵热水系统的制热能效比就越高（COP）。

因此从季节上来说，夏季的能效比最高，春秋次之，冬季能效比最差。从地域上来讲，显然南方的制热能效比要高于北方地区。

我国疆域辽阔，其气候涵盖了寒、温、热带。根据各地区的气象资料，以下地区的气候特点非常适合应用空气源热泵：

（1）温和地区：云南大部、贵州、四川西南部、西藏南部一小部分地区；

（2）夏热冬暖地区：海南、台湾全境；福建南部；广东、广西大部以及云南西南部和元江河谷地区；

（3）夏热冬冷地区：上海、浙江、江西、湖北、湖南全境；江苏、安徽、四川大部；陕西、河南南部；贵州东部；福建、广东、广西北部和甘肃南部的部分地区。

其次进水的水温。进水水温越高，空气源热泵热水系统的制热能效比就越低。因此我们可以通过控制进水的温度来提高空气源热泵热水系统的制热能效比（COP）。地理条件无法改变，因此空气源热泵热水系统的改进也是在挖掘这个的基础之上进行的。

空气源热泵热水系统有循环式、直热式和直热式循环式。

一、循环式空气源热泵热水系统：

从上面这个流程图可知，冷水始终补充在储热水箱里，空气源热泵的进水来自储热水箱。这个系统的冷水直接补入储热水箱，造成储热水箱的水温波动较大，压缩机处于不稳定运行状态。同时空气源热泵的进水来自储热水箱，进水水温偏高，制热效率下降。为了弥补这个不足，通常是加大循环泵的流量，令储热水箱内的水多次循环，每次循环的温升幅度不大，逐步提升整个储热水箱的水温，因此这种系统的温升较慢。这种系统比较适合定时供应热水的项目，比如工厂的职工浴室。

二、直热式空气源热泵热水系统：

从这个流程图可以看出，所谓直流式就是冷水直接进入水侧热交换器（冷凝器）加热储存在储热水箱里。这种系统优点是最大限度的降低了进水的温度，提高了制热能效比。但是这种系统储热水箱内的必须配备其他辅助热源来保持水温。

三、直热循环式空气源热泵热水系统：

这种机组保留了直热式进水温度低的优点，同时通过在储热水箱和水侧热交换器（冷凝器）之间增加的循环泵解决了储热水箱水温的稳定问题。虽然这种从储热水箱循环出来的水温比循环式的循环水温可能还高，但是这时只是保证储热水箱的水温，并不需要太多的热量，通过控制循环泵的启泵温度就可以。直热循环式空气源热泵的进水温度相对稳定，压缩机运行稳定。整机的运行效率高。储热水箱的水温比较稳定，用水舒适度比较高。这种形式比较适合二十四小时连续供水的项目，比如酒店。

鉴于直热循环式空气源热泵热水系统的明显优点，这种形式的应用越来越多。

前面讲到了我国适合使用空气源热泵热水系统的地区，但实际应用已经远不止那些地区。在北方冬季寒冷和一些冬季高湿寒冷的南方地区空气源热泵热水系统中出现的主要问题是冬季空气侧热交换器（蒸发器）结霜影响了热泵机组的正常制热。针对这一问题近些年国内外对空气源热泵除霜已经有了大量的研究，并且已经产生了一些成熟可靠的解决方式。常用的方式有逆循环除霜和热气旁通除霜两种。并且基于前两种方式已经研发出多种具有蓄热功能的热泵除霜新系统。

逆循环除霜的方式是热泵的逆向过程，针对热水机组就是通过吸收热水中的热量向蒸发器输出热量来除霜。这种方式转换非常简单，很类似家用冷暖空调的制热和制冷的转换，但是吸取了一部分热水的热量，造成整体的制热效率下降。热气旁通除霜的方式是将热泵获得的一部分热量旁通到蒸发器上，这种方式虽然不需要吸取热水中的热量，但是制备的热量被分成两部分来应用，而且除霜时间偏长，最终还是使热水的制热效能下降。对于蓄热除霜是在系统空闲时将一部分热量储存在蓄热材料里，在需要除霜时使用。这种系统对制热效能影响较小，制备热水的能力比较稳定。但是系统比较复杂，造价高。

实际项目中对任何系统的选用并不只是对单一方案优劣的分析，而是一个根据项目的实际情况对初期投资、运行效果、节能效果等综合比选的过程。因此虽然北方地区冬季温度偏低，还有结霜问题，这些都会带来空气源热泵热水系统整体效能的下降，但是如果将空气源热泵和其他热源结合使用，通过详细的技术经济比较，很多北方地区还是可以采用空气源热泵热水系统的。

目前和辅助热源结合使用的空气源热泵热水系统比较常用的形式有一下几种：

1、空气源热泵结合电辅助加热的热水系统。这种系统可以直接将电辅助加热棒置于储热水箱内，系统形式简单可靠。缺点是电加热是对高品质二次能源的降级使用，相同热值的电能换算成耗费的标煤量约是燃气相当标煤量的3.3被，因此将电能作为辅助热源不符合节能设计要求。只能在没有燃气等其他节能热源时使用。

2、空气源热泵结合燃气辅助加热的热水系统。这种系统是在空气源热泵热水系统上并联一个燃气热水器。在空气源热泵热水系统制热效能下降到一定值时（以室外温度来控制）切换到辅助热源上。

3、空气源热泵结合暖通专业的锅炉或者市政热力加热提供热媒的热水系统。空气能热泵热水系统在北方主要是冬季运行效能下降严重，这个季节也恰巧是北方的采暖季，因此在北方采暖地区可以采用这种系统形式。

4、空气源热泵结合太阳能的生活热水系统。在日照充足的情况下使用太阳能，在日照不足、温度合适的情况下采用空气源热泵。这种系统比较适合做一个较大的储热水箱，来规避冬季夜间气温低而无日照的时候仍能保证热水的供应。这种系统比较适合定时供应热水的项目。但是笔者认为这种系统形式并不值得推荐，表面看两种热源都是绿色能源，但实际是有很大问题的。作为辅助热源的重要条件就是当需要时能够及时、稳定的对系统提供支持，显然燃气也好，锅炉房也好，冬季的市政热力也好，甚至是电能，都是符合这种特点的辅助热源。而太阳能和空气源热泵一样都会受到环境因素的影响。当冬季日照差而气温很低，空气能热泵制热效能严重下降关闭时，太阳能也无法及时提供支持，因此这种系统存在着明显的不稳定性。

综上所述，空气源热泵热水系统作为一种高效节能、绿色环保的热水系统，在今后的项目中会越来越多的得到应用。