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空气源热泵工作原理

发布时间:2020-08-08 04:58

  主讲人:刘海棠 职务:技术部部长 课题:空气源工作原理 实用标准文案 ㈠空气源热水器工作原理 一、空气源热水器的定义 空气源热泵热水器又称热泵热水器,由热泵吸收空气热源制取热水。空气源热水器就是 通过热泵用逆卡诺原理,以极少的电能,吸收空气中大量的低温热能,通过压缩机的压缩变 为高温热能,传输至水箱,加热热水,这种通过热泵运动来获得加热的热水器叫做空气源热 水器。 目前,空气能热泵热水生产厂家和市场集中分布在长江以南。主要生产厂家集中在珠江 三角洲的佛山、东莞、深圳、珠海以及长江三角洲的杭州、宁波地区。消费市场主要分布在 长江以南的广东、广西、福建、江西、上海、浙江、安徽等省区,并逐步从长江以南向长江 以北扩展。 二、空气源热水器的组成部分 热泵热水装置,主要由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀、风机五大部件组成,通过让 工质(制冷剂)不断完成蒸发(吸取环境中的热量)→压缩→冷凝(放出热量)→节流→再 蒸发的热力循环过程,从而将环境里的热量转移到水中。 蒸发器直接从空气中吸取热量,将节流后的制冷剂吸热气化达到预期效果的设备。 压缩机是空气源热水器的心脏,把制冷剂从低压提升为高压,并使制冷剂不断循环流动。 冷凝器就是将压缩机排出的高温高压气体释放出热量后冷凝成低温高压液体的换热设 备。 膨胀阀是一种节流装置,控制制冷剂的流量,可提高系统的能效比和可靠性。 风机主要是起加强气体流通量的作用,是依靠输入的机械能,提高气体压力并排送气体 的设备。 制冷剂是热泵系统中实现制热循环的工作介质,也称冷媒。作为一种特殊的物质,制冷 剂的物质状态在热泵循环过程中不断发生变化:在蒸发器中,制冷剂在较低的压力状态下吸 收热能由液态变为气态;压缩机将此低压的气态制冷剂压缩升温为高压气态制冷剂;在冷凝 器中,制冷剂在较高压力状态下放出热能由气态便为液态。 三、空气源热水器的基本工作原理 热泵技术是基于逆卡诺循环原理实现的;如同在自然界中水总是由高处流向低处一样, 热量也总是从高温传向低温。但人们可以用水泵把水从低处提升到高处,从而实现水的由低 处向高处流动,热泵同样可以把热量从低温热源传递到高温热源,所以热泵实质上是一种热 精彩文档 实用标准文案 量提升装置。热泵的作用就是从周围环境中吸取热量(这些被吸取的热量可以是地热、太阳 能、空气的能量),并把它传递给被加热的对象(温度较高的媒质)。 热泵热水机组工作时,蒸发器吸收环境热能,压缩机吸入常温低压介质气体,经过压缩 机压缩成为高温高压气体并输送进入冷凝器,高温高压的气体在冷凝器中释放热量来制取热 水,并冷凝成低温高压的液体。后经膨胀阀节流变成低温低压液体进入蒸发器内进行蒸发, 低温低压液体在蒸发器中从外界环境吸收热量后蒸发,变成低温低压的气体。蒸发产生的气 体再次被吸入压缩机,开始又一轮同样的工作过程。这样的循环过程连续不断,周而复始, 从而达到不断制热的目的。 热泵原理示意图如下: 热泵在工作时,把环境介质中贮存的能量 QA 通过蒸发器进行吸收;热泵本身做功消耗 的能量,有部分转化为热能 QB;热泵循环工质在冷凝器中释放的热量 QC 等于 QA+QB,由此可 以看出,热泵输出的能量为机组做功产生的热能 QB 和热泵在环境中吸收的热量 QA;因此, 采用热泵技术可以节约大量的电能。 热泵的节能原理如下图所示 精彩文档 实用标准文案 举例:WEAKR-5H 机组,热泵系统输入功率 4.1 kW,周围环境温度 20℃,输出的制热功 率却达到 16.4kW,这意味着热泵工作时从周围环境吸收了大量的免费热能。在此过程中, 系统仅仅只消耗了 4.1 kW 的电能,却等同于传统加热方式 16.4 kW×0.95=15.58 kW 的输入 功率热水器才能完成的工作,因此,系统的能效系数 COP = 16.4/4.1 = 400%。 该产品是利用热泵技术原理,在热泵系统的工作循环中,将免费能源——空气热能搬运 到水中,从而达到加热冷水生产热水的目的的一种高效、环保、节能型热泵产品。它的最高 热效率可达 590%,年平均热效率可达 360%。 在制取低温(60 摄氏度以下)的热能方面,以消耗电能或燃料的化学能这种传统方式 已经开始逐步让位给热泵制热方式,因为在这一领域,热泵系统的制热效率可以轻易的超出 传统方式数倍以上;因此,制 55℃热水费用小于太阳能辅助电加热系统;比电热锅炉节电 80%; 比燃油锅炉节省耗能费用 50%;制热水量可以根据需求自动调节。适温度范围在-10~50℃的地 区。 ㈡四种热水器的对比 一、四种热水器的外观及工作原理 燃气热水器(壁挂式) 使用过程中会因燃烧不充分而排出有毒气体,造成安全事故;起动水压高,有些住高层 的用户,如不装增压泵就无法起动;安装不方便,要在墙上打洞,安排气扇等;不同的燃气, 其燃烧器形状、喷嘴大小、燃气通道截面积都不一样。 精彩文档 实用标准文案 储水式电热水器(落地式) 储水式电热水器体积大,占用卫生间空间;电热水器使用前需要预热,不能连续使用超 出额定容量的水量。要是家庭人多,洗澡中途还得等;内部温度达到 80℃后,电热水器容 易生垢,为加热管破裂、漏电埋下了安全隐患,需一年除垢一次。此外,许多老式住房的电 路接地不可靠,目前采用的漏电保护器仅解决了电热水器产品本身的安全问题,但用户仍面 临由外部环境引入的水带电等触电隐患。 太阳能热水器(集热式) 有安装限制、必需向阳、体积大、产水量及水温不稳定 第一 、很多人不知道 太阳能热水器 其实是电辅热的 就是 在阳光不够充足的情况下 热水器的 温度 使用电加热的 比如晚上的时候 所以它同样是很耗电的。 第二、一般太阳能热水器安装在房顶 管道很长 消耗了水流下来 大量的热能 第三、因为暴露在外面 零件经常生绣,支架垮掉的情况。 精彩文档 实用标准文案 空气源热水器 空气能热水器热水工程设备 绿色环保、安全可靠:空气源热水器独特的使用原理,实现其在工作过程中彻底水电分 离,从根本上杜绝漏电事故;并且由于其在使用过程中无需任何燃料输送管道,没有燃料泄 露等引起火灾、爆炸、中毒等危险;同时,空气源热水器在工作过程中没有任何有毒气体、 温室气体和酸雨气体排放,也没有费热污染。这些也成为空气源快速发展铺垫了宽阔的道路。 不受环境影响,一年四季可用;节能效果突出,投资回收期短;环保型产品,无任何污 染;使用寿命长,运行费用低;运行安全,无人操作;模块化设计,安装方便。 二、四种热水器的性能对比 第一代:燃煤、燃油热水器 第一代热水器属传统热水器,“废渣、废气、废水”三废俱全,治理困难。并且占地面 积大,运行费用高,对环境污染严重,且不安全。又需专业人员值守和维护,管理费用高。 第二代:燃气热水器 燃气热水器相对于传统热水器来说,具有占地面积小,排放污染少等优点,属传统热水 器的换代产品,但依旧存在严重的不安全因素。 第三代:电热水器 电热水器属第三代更新换代产品,不存在传统热水器产生的排放物,对环境不造成污染。 但是热水容量普遍偏小,加热时间受电功率限制,也存在一定的危险性。 第四代:空气源中央热水器 空气能中央热水器和太阳能热水器被誉为“第四代”热水器,具有节能、环保、经济、 安全等优点,空气能中央热水器其理论来源于逆卡诺循环原理。是当今世界最先进的能源利 用产品之一。面对日益加剧的能源危机,空气能中央热水器将成为热水器市场的主流产品。 (一)燃气热水器 1、燃气热水器使用的能源是可燃气体,按其形式分为直排式、烟道式、强排式和平衡式。 (1)直排式热水器:燃烧时所需要的氧气取自室内,燃烧后产生的烟气也排放在室内。 因易造成人身伤害事故,已被禁止生产。 (2)烟道式热水器:在直排式的基础上加装了排气管道,燃烧时所需要的氧气取自室 内,燃烧所产生的烟气通过烟道排向室外。这种热水器安装时必须安装烟道,使用时要注意 烟道排气通畅,防止倒灌。强排式热水器:在烟道式的基础上增加了一个排烟气马达,通过 烟道将废气排到室外,运行时,烟气通过烟道被强制排到室外,但燃烧时所需的氧气仍取自 精彩文档 实用标准文案 室内。 (3)平衡式热水器:较前三类实现了一个很大的飞跃,外壳是密封的,和外壳联成一 体的烟道做成内外两层,烟道从墙壁通向室外,热水器运行时需要的氧气从室外通过烟道的 外层供应,燃烧后产生的烟气从烟道的内层排到室外,所以它对室内空气既不消耗,也不污 染。但安装这样的热水器需要像装空调一样预留通道。 2、优点:加热快、出水量大、温度稳定,结水垢少,而且占地小。 3、缺点:使用过程中会因燃烧不充分而排出有毒气体,造成安全事故;起动水压高,有些 住高层的用户,如不装增压泵就无法起动;安装不方便,要在墙上打洞,安排气扇等;不同 的燃气,其燃烧器形状、喷嘴大小、燃气通道截面积都不一样,而且燃烧效率低,耗燃料。 (二)电热水器 1、目前国内市场上的电热水器主要是储水式热水器。分为封闭式和敞开式两种。使用储水 式电热水器干净卫生,不必分室安装,不产生有害气体,而且可以方便地调温。敞开式热水 器内胆不耐压,不能同时供应多处用水;封闭式电热水器内胆可耐压,能同时供应多处用水。 2、优点:能适应于任何天气变化,普通家庭可直接安装使用,长时间通电可以大流量供热 水。目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置。 3、缺点:体积庞大,占用室内空间大,易结水垢,对电能浪费大。最新型的电热水器内置 了阳极镁棒除垢装置,解决了该产品容易结垢的问题。但阳极镁棒须两年更换一次,给保养 带来了麻烦,有一定的安全隐患,万一防触电装置失灵,那后果可就比较严重。 (三)太阳能热水器 1、目前,技术水平最高的太阳能热水器是真空集热管太阳能热水器。真空管里的水,利用 热水上浮、冷水下沉的原理,吸收太阳热能后,通过温差循环,使储水箱内的水升温。 2、优点:安全、节能、环保、经济。它以太阳能为主,电加热为辅的能源利用方式,使太 阳能热水器能全年全天候使用。 3、缺点:安装复杂,如安装不当,会影响住房的外观、质量及城市的市容市貌;维护较麻 烦,因太阳能热水器安装在室外,多数在楼顶、房顶,所以高层住宅有大部分不能安装,阴 雨天需电加热辅助,用水量及温度不稳定。 (四)空气源热水器 1、空气源热水器是继燃气热水器、电热水器和太阳能热水器的新一代热水装置,是综合电 热水器和太阳能热水器优点的安全、节能、环保型热水器,可一年三百六十五天全天候运转, 制造相同的热水量,使用成本只有电热水器的 1/4,燃气热水器的 1/3,太阳热水器的 1/2。 2、优点: (1)超大水量:水箱容量根据具体要求量身订做,水量充足,可满足不同客户不同时 段需求。 (2)经济节省:从空气中获取大量的能源,能效比高达 300% ~ 400% 。根据使用规 精彩文档 实用标准文案 律设定热水器自动运行时间,费用必然节省。 (3)适用范围广:不受阴雨天等气候影响,在环境温度为 -15℃~ 45℃下均能正常工 作,可广泛应用于家庭、宾馆、酒店、学校、医院、集体宿舍、住宅小区、桑拿等集中供热。 (4)持久恒温:使用非常简单,整个热水器采用自动化智能控制系统,用户只需在初 次使用时开一下电源,在以后的使用过程中完全实现自动化运行,到达用户指定水温时自动 停机,低于用户指定水温时系统自行开机运行,完全实现一天 24 小时随时有热水而不用等 候。 (5)安全环保:结构上水电完全分离,杜绝了电热水器触电危险,且无任何有害有毒 气体排放或燃烧,不受台风等自然灾害的影响;克服了太阳能热水器只能安装顶楼、破坏屋 顶的防水层和承重能力、影响市容的缺点。 (6)防冻功能:具有智能化霜功能,确保热水器在低气温环境下稳定运行,它可根据 室外环境温度、蒸发器翅片温度和机组运行时间等多个参数综合、智能判断自动进入和退出 化霜。 (7)安装方便:体积小巧 可以安装在任何地方,安装在室内不占用空间,也可以安装 在室外,如屋顶、地面等露天放置,可以实现远程监控,占地面积小、安装简单,无需另设 机房。 (8)使用寿命长,维护费用低,设备性能稳定,使用寿命可达 15 年上。 ㈢热泵热水器水温低上不去的解决方法 设定水温达不到或温度上升缓慢。但有些工程机组运行时间超过设计时间很多仍达不到 水温,只能勉强直接使用热水甚至不能使用,实测温度在 40 左右或更低,系统偱环泵不停 地偱环,温度不见升高。 原因分析:空气源热泵热水机组出水温度一般设定在 50℃~55℃之间,偶尔高于 55℃在 60℃以下也属于允许范围,只是工况下运行可能会影响机组使用寿命。水温的上升必需从外 界得到热量。储水箱时的水温上不去会有两方面的可能,一方面是热量流失大或等于热量的 流入,当两者相等时,水温不变。 热量流失也包括两种可能,其一是保温层不够质量与自然界温差太大,热散失严重,特 别是水箱人孔密封不严保温不好或隐蔽保温部分没有做好,外围接管保温与箱体保温不连续 都会增加热量的损失;另一种热量流失为热水流出同时冷水补进。这种热量流失常出现在水 箱的设计方案中,有的客户用水要求为 24 小时不间断性的,如客流量较大的宾馆、理发城 等用水客户,冷水冲进水箱,热水随时使用。在空气源热泵热水机组不出现问题时,一旦天 气突然变冷,机组从空气中的热量所得成倍减少,同时客户对热水的用量增大,这时留存在 水箱中的热量就不足,就表现为水温上升困难,甚至有冷水现象。 另一方面可能是主机冷媒携热能力差,导致单次偱环内有效携带的热量交换变少。其中 一种可能是冷媒选型不合适,空气源热泵热水机组使用的冷媒不同于传统空调冷媒,独具特 定的物理特定和化学稳定性,这也是热泵技术的核心之一。部分热泵产品使用市场上的冷媒 不具有这种特性,在外界温度降低的情况下出现乏力现象也就不足为奇了。 精彩文档 实用标准文案 另一种可能是冷媒充加数量少或部分泄露而变得携热能力不足。正规制造商的空气源热 泵热水机组产品定压定量充加冷媒,在出厂前都有逐台测验,保证主机的压缩机在各种工况 下都有一个较稳定的工作能力。同批机组抽查测试单台工作状况后,才能标注合格证、出厂 日期、编号等等。在产品运输中,有不按标示搬运的情况,以致冷媒部分漏丢,达不到工作 效果,也会导致水温达不到设计出水温度。 解决方法:根据我们诊断分析应先检查看每日用水量是否超标,每 1kg 生活用水上升 1℃ 吸收 1Kcal 热量相当于 1.163×10-3KWh,既 1000Kg 水上升 1 度,需吸收 1.163KWh 的热量。 计算公式为:水量(吨)×温差℃×1.163/机组功率 Kw×COP 值≤设计工作时间(小时), 例如:冷水温度为 15℃,出水温度设定为 55℃,机组功率 2.2KW,在冬季环境温度较低时, COP 值为 2 左右(产品制造商公布数据),工程设计用水量为 1 吨,则机组工作时间为 11 小时<设计最大工作时间 20 小时,同样工况下用水量为 2 吨,则机组工作时间为 22 小时< 允许最大工作时间 24 小时,同样工况下用水量为 3 吨,则应考虑辅助加热或增加机组配置。 若机组配置不存在问题,可切断单机与储水箱的水循环,启动机组,检测单机集热能力, 若温度达不到铭牌标示最高温度,则可能为冷媒问题。检查冷媒工作压力,对照出厂数据表, 若压力不足,则表现为冷媒丢失。按原型号冷媒充加到出厂标准量即可。 ㈣如何实现空气源热泵热水机节能最大化 空气源热泵热水机组以节能、安全、环保等优点已经不断地被消费者接受。虽然热泵热 水机是一种很节能的产品,但如果机组的匹配、安装、保温等方面设计不合理的话,会使节 能效果大打折扣。 1.热泵机组的匹配 主机与水箱的匹配很重要。先以家用机为例:用大的主机配小水箱,会使投资费用过大, 增加一次性投资成本,但因主机工作时间缩短,对主机的使用寿命有很大的提高;用小主机 配大水箱,这种配置可以减小成本,但主机的工作时间会明显加长,会影响到主机的使用寿 命。比如,用 1 匹主机配 300L 水箱与用 2 匹主机配 300L 水箱在价格上就有很大差别。这 样一来,小主机工作的时间就要明显长得多,在冬天的时候会更加明显。这样一来就要加上 电辅助,在冬天就要靠电辅助功效了,所以很多用户在冬天明显地感觉到电费跟用电热水器 时差不多。因此,在水箱里加电辅助,虽然可以减少一次性成本,但使用的成本费用会成倍 地加大,得不偿失,不但失去了节能效果,还使安全性大打折扣。其实家用型热泵在匹配合 理的情况下,是可以不用电辅助的。如 1 匹机组配 100-150L 的水箱,2 匹机组配 200-500L 的水箱,这样既延长了主机的使用寿命又真正达到了热泵热水机组节能、环保、安全的使用 性能。 工程机的匹配。比如一个 6 吨水的工程,有些工程商为了赢得工程,给出的配置是 5 匹机配 6 吨水,有些是 6 匹配 6 吨。工程安装完后的一个月,费用大概是 2000 元左右,但 一到冬季就不同了,费用变到 6000 多。所以说,小主机配大吨位的是不行的,如果是 6 吨 的水至少也要配 10 匹的主机。这样才能保证每天的用水量,也能很好地节省使用费用。 2.热泵工程安装 在工程安装方法上也会影响到热泵的节能效果。从使用的方式不同可分为全天候供水与 定时供水两种模式:全天候用水主要是用在旅馆、酒店、医院等场所,定时用水主要是用在 学校、工厂等场所。 定时供水的安装方法比较简单。只要在水箱与主机上装两条循环管进行循环加热即可, 精彩文档 实用标准文案 然后将热水在某个时段用完之后再重新加冷水进去,重新加热。这种安装方法是很节能的。 全天候供水的安装方法就有很多了,比如有用直热式的、循环式的、大小水箱模式的等 等。 直热式是指冷水经过主机加热后的热水直接就可以使用,出水温度可以达到 45-55℃之 间。此原理是通过一个节流装置来控制补水量的大小的,水流量不能充满整个换热器,因此 要做直热式的主机时就要考虑到换热器的管径不能太大,要经过反复调试选取最合理的管径 与走水方式。 循环加热式是主机通过循环加热将水箱里面的水进行升温,当水箱里面的水用了一部分 以后,就会对水箱进行补水,然后再循环加热到所需的温度,这种安装方式相对比较简。 大小水箱模式是指主机先对一个小水箱进行加热到一定温度,然后将小水箱的水全部供 到大水箱,再对小水箱进行补冷水加热,不断循环,直到大水箱装满热水为止,这种做法在 控制方面相对比较复杂,但不会出现像循环加热那种主机基本上在高温进行加热的现象。因 此节能效果比较高。 3.工程的保温 有管道与水箱保温。管道保温包括循环管跟热水供水管与回水管的保温。水管的保温可 以用保温棉或聚氨酯发泡两种。小管径一般都用保温棉保温,大管用聚氨酯发泡保温。在环 境温度较低时,水温降得特别厉害,如果供水水管有做回水系统而没有对供热管与回水管进 行保温的话,那浪费的热量会大增,能效比会急剧降低。水箱的保温也一样重要,不锈钢保 温水箱一般情况下都会用聚氨酯发泡 5mm 的保温层,然后再在保温层外面加一层不锈钢。 这样水箱保温效果不错。 总而言之,热泵的节能效果是毋庸置疑的,但由于机组的匹配、安装方面、保温方面的 因素,会使热泵热水达不到预期的节能效果。只要能在配置方面跟保温方面做得更合理,才 能把热泵热水机组的节能效果发挥得淋漓尽致。 4.热泵热水器的心脏——电脑微程序控制系统 当今世界但凡高科技产品,无不依赖电脑微程序控制系统提升其整机的性能。汽车便是 一个绝佳的例子。越是高档的车,电脑微程序对整车的控制便越深入,从对发动机的运行状 况监控到对雨刮感应雨势强弱而自动调节快慢,都显示了强大的技术优势,从而获得极佳的 整车性能。热泵热水器概不能外。 然而,由于热泵热水器才在国内市场兴起,人们对该产品的认识还不是很深,关注点往 往落在硬件配置上。例如:用什么压缩机?什么冷媒?又或是较为笼统的问题:性能好吗? 出水水温多少?等等。人们极少关注该机的电脑微程序控制系统。事实上,一台性能优良的 热泵热水器,必然由两大部件组成,一是硬件部分,二是软件部分,两者缺一不可。而后者, 将决定整机性能的优劣,且是技术含金量最为突显的部分。 关于硬件部分,通常可体现在工厂的生产线上,从中你可以确认所使用的压缩机、水泵、 电磁阀等是什么牌子,生产工艺如何,又或产能如何。然而,它并不意味着整机性能便因此 而保证。 在剖析热泵热水器电脑微程序控制系统对整机性能的关键性影响之前,我们首先对整机 性能期望作些归纳: 1. 运行稳定,维护成本低廉; 2. 热效率高,运行成本低; 3. 适应性强,在过低或过高温度环境下,机器能正常运转。 就现在所使用的热泵热水器所出现问题,我们同样作了如下归纳: 1. 热效率实际运行相对标称值有所降低; 精彩文档 实用标准文案 2. 使用环境超过 40 度高温时,会发生死机现象; 3. 两极水箱水位控制,降低了热效能比,并且增加维护成本。 不难发现,性能期望与实际使用落差所出现的问题,很大程度上属于电脑微程序控制系统部 分,而非硬件部分。 电脑微程序控制系统对整机运行参数筛选出关键节点,运用微码编程技术,对每个关键节点 进行采样运算,并输出实时控制指令。 热泵热水器的电脑微程序控制系统通过对水箱的水位、水温、供水状况进行实时监控,微程 序控制系统对信息进行智能控制进水时间和主机工作状态,以达到更加节能的效果。使用时, 根据自身使用情况而设定水位高度,则控制系统便自动运转,省事省心。 精彩文档