在理論上，熱泵的效率永遠高于1 。在我國的大部分氣候條件下，氣源熱泵和水源熱泵的效率都在2～3 以上，其他加熱設備如電熱器、燃油、燃氣和燃煤的加熱效率均在1 以下，甚至低于0. 5 ，而且還可能排放大量的燃氣和粉塵，加劇城市的污染和熱島效應。在能源日趨緊張和環(huán)保意識不斷提高的大背景下，利用熱泵技術(shù)制成的熱泵熱水器和熱泵熱風機在家庭、賓館、洗浴中心以及食品干燥、糧食干燥、印染、造紙、化工等場所具有廣闊的應用前景。
根據(jù)所采用的工質(zhì)或制冷劑，目前的熱泵可分為常規(guī)熱泵和CO2熱泵。常規(guī)熱泵采用R22，R134a和R410A 等制冷劑，冷凝放熱過程在亞臨界區(qū)進行，壓力和溫度維持不變，熱泵的結(jié)構(gòu)與制冷或空調(diào)設備非常接近，設計、加工沒有特殊要求，一般制冷或空調(diào)廠家均可生產(chǎn)。
CO2 熱泵以CO2為工質(zhì)，最大特點在于跨臨界熱泵循環(huán)。由于CO2氣體的臨界溫度(31 ℃) 比較低，CO2 熱泵只能采用跨臨界熱泵循環(huán)，冷凝放熱過程中溫度和壓力不斷下降，最高冷凝壓力可達10 MPa ，有一定的安全憂患，給設計和生產(chǎn)帶來了一些不便。CO2 熱泵需要專用壓縮機等配件，成本很高，而效率并沒有超出常規(guī)熱泵很多，因而仍處于開發(fā)階段。一些國家也推出了小功率的家用CO2 熱泵熱水器，年平均COP可達3 ，但售價卻超過5000 美元。顯然，CO2 熱泵熱水器進入百姓生活還有一段漫長的路要走。所以在這里我們重點討論常規(guī)熱泵熱水器。
一 熱泵熱水器的結(jié)構(gòu)原理
從結(jié)構(gòu)上看，熱泵熱水器與水冷式制冷或空調(diào)系統(tǒng)沒有太大區(qū)別，都由壓縮機、冷凝器、膨脹閥(或毛細管) 、蒸發(fā)器以及制冷小附件組成，但它們的用途完全不同。
空氣源熱泵熱水器通常不帶水箱，冷水進入冷凝器換熱后，出水溫度已達要求，故稱為一次換熱式熱泵熱水器。其特點是熱水速度快，但效率可能比較低。
水源熱泵熱水器常帶有水箱，冷水與冷凝器需要多次循環(huán)換熱才能達到出水溫度要求，故稱為循環(huán)換熱式熱泵熱水器。其特點是加熱時間長，但水量大，效率高，適合人多的場合。
二 渦旋壓縮機的優(yōu)勢
熱泵以制熱為目的， 無論冬夏，冷凝溫度始終很高，這與一般的制冷或空調(diào)系統(tǒng)不同。高冷凝溫度意味著高冷凝壓力、大壓縮比、高排氣壓力、電機的過載、潤滑油焦化以及零部件的嚴重磨損。目前生產(chǎn)熱泵專用壓縮機的公司很少，而且產(chǎn)品僅供北歐等很少地區(qū)的單熱空調(diào)使用，冷凝溫度低，與熱泵熱水器的要求相差甚遠。
渦旋壓縮機的工作范圍比較寬廣，冷凝溫度界限比較高，最高可達68 ℃。即使在寒冷的冬天，當蒸發(fā)溫度為0 ℃，其最高冷凝溫度也可達到65 ℃，可以滿足出水溫度55 ℃的要求。因此，在熱泵熱水器專用壓縮機還沒有廣泛應用之前，渦旋壓縮機是最合適的過渡產(chǎn)品。
三 熱泵制熱溫度的局限
理論上， 渦旋壓縮機的最高排氣溫度允許125 ℃，甚至更高一點。但是，對于空氣源熱泵和水源熱泵， 當壓縮機的排氣溫度超過100 ℃時，系統(tǒng)可能存在壓縮比過大或冷凝面積不足等問題。另外，空調(diào)渦旋壓縮機在設計時更多考慮的是國際或國家標準下的制冷運行要求和特點，其在渦盤材料選擇、強度和耐磨性要求、電機熱絕緣等級、電機功率選擇、潤滑油選擇、性能測試程序設計、破環(huán)性試驗要求等方面，都沒有過多地考慮熱泵運行的特點。
嚴格意義上講，目前市場上熱泵熱水器所用渦旋壓縮機已超出了渦旋壓縮機廠家所允許的使用范圍。高出水溫度是以壓縮機的壽命縮短為代價，最終受損的將是廣大消費者。一些廠家表示其熱泵熱水溫度可以更高，這是很令人擔憂的。
四 電機過載
電機超載是造成壓縮機電機燒毀的主要原因。一般而言，渦旋壓縮機在冷凝溫度接近50 ℃時已經(jīng)處于滿負荷狀態(tài)，超過50 ℃就已經(jīng)超載。當冷凝溫度從50 ℃上升到65 ℃后，工作電流從36 安培升高到46 安培，輸入功率也由20 kW(約26 hp) 飚升到26 kW(約35 hp) ，電機嚴重過載。對于一般的空調(diào)，50 ℃以上的冷凝溫度并不多見;而對于熱泵熱水器，根據(jù)正在制定中的熱泵熱水器國家標準，出水溫度為55 ℃。顯然，冷凝溫度將常年保持在60 ℃以上，電機的超載可見一斑。
五 兩步換熱法
對于普通的制冷和空調(diào)系統(tǒng)，冷卻冷凝過程在冷凝器中完成，并沒有做任何劃分。但是對于熱泵而言，將冷卻過程和冷凝過程分開，是有實際意義的。因為壓縮機的排氣溫度較高，而冷凝溫度較低。不同的溫度可以用于不同加熱過程。對于一個冷凝溫度為55 ℃，蒸發(fā)溫度為5 ℃，無液體過冷度及回氣過熱度為15 ℃的熱泵系統(tǒng)，壓縮機的排氣溫度在100～110 ℃之間 。排氣可用顯熱(B2C) 為42 kJ / kg ，而冷凝過程(C2D)的放熱為145 kJ / kg。顯熱達到總放熱量的1/ 4 ，是潛熱的1/ 3 ，這是非常可觀的。
根據(jù)這個比例，對于從15 ℃加熱到55 ℃的熱水器而言，可以先在55 ℃冷凝器中將水加熱到38～45 ℃，再利用熱氣顯熱加熱到55 ℃。這種利用2個換熱器對水進行2次加熱的方法就稱為兩步換熱法。
兩步換熱法將冷卻和冷凝過程分開，并將傳統(tǒng)的冷凝換熱器一分為二:一個冷凝換熱器(低溫換熱器) ，一個冷卻換熱器(高溫換熱器) 。冷水先進入低溫換熱器，循環(huán)吸收相變潛熱，成為中溫水;中溫水再進入高溫換熱器，吸收氣體的顯熱，二次換熱成為高溫水。2個換熱器的區(qū)別在于制冷劑的狀態(tài)，高溫換熱器中的制冷劑不能冷凝，冷凝過程只能發(fā)生在低溫換熱器中。
兩步換熱法充分利用了一次換熱和循環(huán)換熱的2種熱泵熱水器的優(yōu)點，并且在維持同樣出水溫度的前提下，可以適當降低冷凝溫度和冷凝壓力，從而大大緩解壓縮機電機的超載情況，降低繞組溫度，對延長電機壽命非常有利;而對于水溫要求較高的場所，可以在不提高冷凝溫度的情況下做到。
六 化霜循環(huán)
在冬季，空氣源熱泵可能需要化霜。化霜循環(huán)設計不當很容易損壞壓縮機。化霜開始后，制冷劑在管路中的流向發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，帶霜的蒸發(fā)器突然變成了冷凝器。隨著壓縮機的高溫排氣大量進入，霜開始融化，冷凝溫度開始升高。通常，為了降低熱量的散失，化霜時風扇是不轉(zhuǎn)的。隨著霜的減少，溫度上升加快，當溫度升高到8～12 ℃時應該打開風扇，并結(jié)束化霜循環(huán)，整個過程在霜比較少時只有3～4 分鐘。這就要求溫度傳感器具備較高的響應速度，以便系統(tǒng)能及時判斷管壁溫度，并發(fā)出終止化霜的指令，否則冷凝溫度會迅速竄升至50 ℃。與此同時，被熱水包圍的冷凝器變成了蒸發(fā)器，從膨脹閥出來的低壓低溫制冷劑突然進入溫度高達50 ℃甚至60 ℃的換熱管，立刻爆沸，蒸發(fā)溫度馬上飚升到接近熱水溫度。如果不停止熱水循環(huán)或減小熱水流量，幾分鐘之內(nèi)，蒸發(fā)溫度將達到40 ℃或者更高。因此，化霜循環(huán)不正常時會出現(xiàn)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度都在40～50 ℃的危險情況，很容易造成壓縮機電機燒毀。
化霜結(jié)束后，蒸發(fā)器(化霜時為冷凝器) 中往往聚集了過多的冷凝液，液體在沒有阻擋的情況下進入壓縮機會引起嚴重的后果。因此，選擇一個合適的氣液分離器對壓縮機的安全性非常重要。
七 結(jié) 論
盡管熱泵熱水器體積龐大，系統(tǒng)復雜，但其在節(jié)能方面的突出性能是傳統(tǒng)熱水器無法比擬的。隨著能源價格的不斷攀升，熱泵熱水器等熱泵節(jié)能產(chǎn)品將會有更大的發(fā)展。
渦旋壓縮機運行范圍廣， COP高，與高價的專用熱泵熱水器壓縮機相比，具有很高的性價比，在熱泵熱水器中有著廣泛的應用前景。出水溫度是熱泵熱水器的重要技術(shù)參數(shù)，提高出水溫度，要考慮到壓縮機的運行范圍和可靠性。兩步換熱法可以在不提高冷凝溫度的前提下提高出水溫度，從而起到延長壓縮機使用壽命的作用。
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