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热泵热水器的储热型式解析
热泵热水器的储热型式解析
来源:中制冷设备网    2009-7-16
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     前言:文章对现售热泵热水器的储热型式做了客观分析,指出了利用水温提高这种显热储存热能方式的局限与不足,对有机相变材料应用于热泵热水器的理论进行了归纳和分析,提出了关于储热型热泵热水器的残余热量概念,以及制热效率和使用效率的区别,对利用有机相变材料应用于热泵热水器的实验研究做了简单介绍,新热泵装置的预热时间大幅度缩减,并且使热泵热水器使用结束后的“残余热量”大幅降低,从而达到提高热泵热水装置使用效率的目的,使热泵热水装置实现了“半即热”的使用方式,同时使机组避开传统热泵的高温高压工况,为提高机组制热效率,增加工作可靠性创造了条件。

 

一、制热效率和使用效率的区别:

    目前市场上在售的空气源热泵热水器,结构上通常由两大部分组成:即装有压缩机及蒸发器的主机部分,和具有保温层的保温水箱部分,这一部分可以装有冷凝器,也可以不装有冷凝器,其主要功能是承担热水器的热量储存。

    保温水箱似乎是热泵热水器不可或缺的重要组成部分,但是实际上,热泵热水器采用保温水箱是个不得已的选择:由于人们在淋浴时所需要的热功率往往高达10Kw以上,(例如进水温度为10℃,出水温度为42℃,出水量为8L时的加热功率即为17.86Kw),如果采用电直接加热(即开即热)使用,这个功率是大多数家庭的电线和电表难以承受的,所以尽管即开即热式电热水器的效率远高于储热式电热水器,但多数用户还是不得不使用储热式电热水器,用较长时间的加热来储存足够满足较短时间使用的热水,而那些标称功率范围在5-8Kw的即开即热式电热水器,在寒冬季节就只能供应很小水量的热水。

    即开即热的热水器,由于没有长时间储热时的热量散失,其使用效率一定比储热式热水器要高,只是对安装的要求较高,许多场合难以满足。而加热功率较大,并且加热功率容易调节的燃气热水器,就根本不必采用储热装置;只有加热能力不足或难以调节,或者加热时间与使用时间不一致的热水加热装置,才会采用保温水箱。

    在热泵业内有一个尚未引起业界的注意的问题:即“残余热量”,一个小型家用热泵系统的保温水箱,动辄数百升,最小也有100升,在使用完毕后,保温水箱内的热水温度是高于使用温度的,也就是说,它还具有相当大的“残余热量”,如果我们把热泵制造热水的效率定义为“制热效率”的话,那么还应该有一个“总使用效率”,即用户最终使用的热能与其所支付的代价之比。

    由于加热和使用方式的不同,制热效率与使用效率也不相同:在即开即热的热水器中,制热效率与使用效率基本上是一致的,但是对储热式的热水器来讲则有很大的区别:保温过程本身就是一个耗散热量的过程,另外,在储热式热水器中,还存在一个剩余热量的问题,也就是说,当用户使用完毕后,在储热水箱里一定还存在着一部分不能利用的热量,我们称其为“残余热量”,这也是所有储热式热水装置的一项重要损失。

    残余热量:这一点在家用热泵热水器中表现十分突出,由于热泵热水器难以提高热水的温度,为了储存足够的热量,不得不配备硕大的保温水箱,并且要靠自来水压力方可流出热水,冷热水的混合使得使用完毕后,箱内的热水平均温度高于使用温度,这部分的热量,只有在长时间的等待间隔内散失,热泵加热的“制热效率”尽管很高,但是由于“残余热量”的存在,会大幅度降低它的总效率。

    在热泵热水器的用户中,有相当一部分人感觉到热泵并没有他的宣传者介绍的那样节能,很多就是因为这样的原因:过大的保温水箱,由于冷热水混流的原因,必然导致大量的残余热量,在极端的情况下,这样的热泵热水器,其总效率甚至比电热水器还低,大保温水箱导致的使用效率下降,试举一实例如下:

    广东某用户在度假别墅装有一台1.5匹,320升的分体式空气源家用热泵热水器,假定某日在20℃环境和18℃的自来水条件下,预热水至50℃时开始淋浴,10分钟后结束,共使用温度40℃的热水60升,则其总使用热量为1320Kcal,假定该环境温度时热泵热水器制热效率为400%,则其制热量为9600Kcal,总耗电量为9600÷(860×4)=2.79度,折合热量为2400Kcal,则其总使用效率仅为1320÷2400=55%,远比电热水器为低。

    即开即热的热水装置,由于没有储热损失,其使用效率一定高于储热式热水装置,对于任何加热装置都是如此,热泵也不例外,但是由于热泵加热装置较为复杂和昂贵,并且难于调节,所以目前热泵热水装置的结构几乎全部为热水储热式,这一方式的优点是,可以使热泵机组在比较好的环境温度下工作,提高机组的效率,缺点是:

    1、不方便使用,用户需要长时间等待,等待的时间视加热功率和水箱容积而定;保温过程不可避免的产生散热损失;

    2、保温水箱成本较高而且需占据较大空间,安装运输不便;

    3热泵机组有一段较长的时间在高冷凝温度下工作,降低了机组的可靠性和经济性,制热效率降低;

    4、在承压型的热泵热水系统中,用户使用完毕后水箱内有较大量高于使用温度的热水,在等待下一次使用的时间中降温,会造成较大量的“剩余热量”被浪费。

 

二、不同的储热方式:显热储热和潜热储热

    “一切储热都是不得已的”,在热水系统的设计中,即热型机组方便且节能,但是需要的功率极大,(人均高达10Kw-20Kw以上),在电、热泵等加热装置中的确难于有采用的条件,所以储热成为不得不采用的手段,即用长时间加热和储蓄来满足用户一段时间的使用,储热型热泵热水器即是一个典型的例子。

    热量的储存一般有两种方法,即显热储热和潜热储热,显热储热是利用储热物体的温度变化来储存热量,例如热水,在保温水箱内,水温的提高意味着热量的增加,目前的热泵热水器,全部都是利用水的这一特点来储存热量的:1公斤水每提高1℃,就增加1kcal的热量,要增加保温水箱中的热量,就必须提高水的温度,在水的状态不变的前提下,不可能有任何捷径。

    而物体的潜热储热,则有很大的不同:它是利用物体状态(汽态、液态和固态)之间的变化来储存热量:物体在状态变化过程中,温度不变或变化很小,但是其热“含量”变化很大:例如一公斤0℃的冰,要变成0℃的水(虽然温度没有变化),必须吸收80Kcal的热量,而0℃的水要上升为1℃的水,只需要吸收1Kcal的热量。

    在物体相变时,它的温度不变(或者变化很小),它所吸收的热量用于改变自己的“状态”,例如从固态转变为液态,这一储热方式,被称为相变储热。

    在22℃环境温度和20℃进水温度时,对比40公斤有机相变材料和100公斤水,(因为两者在相同温度区间的储热量接近),由于有机相变材料的比热容只有水的一半左右,所以被加热到相变开始所需要的时间,比加热相同重量的水到同样温度要快近5倍,有机相变材料预热仅9分钟即可使材料达到相变温度,再加热约30分钟左右,即完成全部储热材料的相变过程,此时相变材料的潜热储存热量约为9920KJ,显热储存热量3080KJ(自20℃起计至55℃时的相对储热量)。总储热13000KJ。

    相同加热条件下,100升水由20℃水温升高至55℃,其储热全部为显热储热,相对储热量为14630KJ。从这个数据来看,40公斤的有机相变材料所储存的总热量为13000KJ,这样看来,40公斤的相变材料储热,好像并没有比100升的保温水箱更有储热优势。

    关键的区别是:假如我们确定40℃以下的“热量”是无法使用的,那么100升55℃保温水箱内所存储的有效热量仅为(55-40)X100X4.18=6270KJ,其余的即为残余热量(8360KJ),而有机相变材料的总有效储热量则为潜热部分248×40=9920KJ,显热部分为(55-40)×2.2×40=1320,合计可以使用的热量为11240KJ,残余热量仅为1760KJ。

    也就是说,相变材料可以把大多数热量“存放”在有用的温度区间,而状态不变的水只能将热量平均“存放”各个温度区间。

    我们以图1来对两者储热状况予以说明:
在图1中,两条曲线分别反映100公斤水和40公斤相变材料的热焓变化量和温度的关系:温度范围从20℃-55℃。

    从图中我们可以看出:同样加热到55℃时,100公斤水所吸纳的热量(14630KJ)略大于40公斤相变材料所吸纳(13000KJ),但是当两者都从55℃放热到40℃时,热水的放热量只有6270KJ,而相变材料的放热量为11240KJ,远大于水的有效放热量。

    这也意味着,在相近的加热和储热条件下,用水储热的分体承压式热泵热水系统,其使用结束后的“剩余热量”,要比采用相变储热式热泵多很多,图中水的剩余热量为8360KJ,而相变材料的剩余热量仅为1760KJ,只有温水剩余热量的21%。

    热量除了有度量上的权衡之外,还有“品位”上,也就是温度上的衡量,地球上任何物体在任何温度下都具有相对的“热量”,只是当这部分热量的温度低于我们的要求时,它的“热量”就没有意义,相变储热与水的显热储热不同之处在于两者储存相同的热量,相变储热可以把大部分热量储存在能够使用的温度段,而水的显热储热,却只能够将热量平均的储存在各个温度上,包括大量没有使用价值的温度段。

    通过以上事例的分析,可以得出这样的结论:相变材料可以按照我们设计的安排,将大部分热量放置在可以使用的温度段,而水则只能将热量平均的储存在各个温度段,从而导致存在大量无法使用的“剩余热量”,使系统的总效率降低。

 

三、相变储热的热泵热水器实验

    如果储存同样的有效热量,相变材料可以用的更少,那么如果采用相变材料储热,就会使热泵机组的体积减小,同时热量更多的被存放在“有效”的温度范围,即可以减少系统的残余热量,提高效率。

    本相变储热式热泵热水器实验装置制做为整体式,没有循环加热水泵和保温水箱,安装和使用及其方便,简化了分体式热泵热水器机组用户的安装过程:安装时不再需要联结氟里昂管路和循环加热水泵,只需要连接自来水水管,插上电源即可。

    实验开始于2005年,分别由广东工业大学材料能源学院、广州科凌新技术有限公司和广州华骏达空调设备公司完成三期实验。并于2008年底完成小批量样机。实验目的是制造出一台不用保温水箱储热,能够达到或者接近即开即热使用方式的热泵热水器。与传统的分体式空气源热泵相比,加热速度快,系统效率高,安装简便,耐水压能力提高4倍以上。

    图2是本实验的系统原理图。图中:1.压缩机,2.冷凝器,3.节流装置,4.蒸发器及风扇组,5.相变材料蓄热箱,6.自来水入水口,7.热水出口,.8混水阀。

 

    经过近三年的实验研究,实验样机最后确定采用硬脂酸类有机相变材料等作为热泵热水器的蓄热材料,储热材料重约40Kg,相变潜热为248KJ/Kg,相变温度52℃-55℃,比热容22.2kJ/Kg•℃,压缩机额定输入功率为1.46Kw。热泵系统在20℃环境时的制热效率为350%。

    本实验解决其技术问题所采用的技术方案是:在原理和基本结构上,与现有的热泵热水器基本相同,区别在于:本系统的冷凝器及水加热部分共同放置于相变蓄热材料之中,当给出预热指令后,热泵系统即启动运行,开始加热有机相变蓄热材料,直至其温度达到蓄热材料的相变温度后即开始相变蓄热过程,当达到相变温度,相变材料基本液化后主机停止运行等待使用;当开始使用时,主机立即开动,来自自来水的冷水先经过热泵的冷凝器,被高压的工质和相变蓄热材料共同加温后,即供用户使用,由于特别配制的相变材料有合适的相变温度,使得热泵在预热期间无须工作在过高的温度,同时由于相变材料在相不发生变化的时候比热远小于水,在使用结束后的残余热量,与同样功能的传统热泵热水器要少4-8倍,热泵系统处于工作温度合理的高效率区间,热泵系统的工作温度和压力都比较低,制热效率较高。

    在夏季,热泵的发热量可能会大于使用所需要的热量,此时使用就不需要预热,相变材料会吸收多余的热量,在全部融化后停止主机的运行并继续提供热量给用户的使用。

 

四、小结

    实验证明,与传统热泵热水器相比,相变储热式热泵热水器,有以下优点:

    1、体积小,造价低,安装极为简便;

    2、残余热量小,系统效率高;

    3、反应快捷,等候时间短,很容易达到半即热的使用要求;

    4、安全可靠,没有保温水箱,对自来水的压力无要求,没有循环加热水泵;储热材料对金属无腐蚀性。

    5、和分体式热泵相比,不可能出现水腐蚀冷凝器铜管的情况,所以也不会出现水进入氟利昂系统,从而造成压缩机毁坏的可能。
 

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