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空气能商用热水器直热和循环的基本区别

文章出处:东莞热水工程网 人气:发表时间:2018-10-09 15:54

  在空气源热泵热水机的选型问题上,大多数机型都选用的是循环加热的模式进行。特别是在一些大型的商用项目上,循环式热泵更是一统天下,几乎没给直热式热泵一点生存空间。但即便如此,仍有部分企业坚持发展直热式热泵热水机,并促使直热式热泵的发展路线逐渐明晰起来:过去少人问津的直热式热泵,可能成为未来热泵热水机的主力——那么,循环式热泵和直热式的区别究竟在哪里?直热式的热泵是未来的方向,其中的原因又是什么? 我们请既做过循环热泵,又做过直热式热泵热水机的技术专家,来回答这个问题。

空气能商用热水器

  空气源热泵热水机从起初的盘管式演化至今,其运行模式大至分成两种,一种是直热式,一种是循环式。关于两种机器的性能及实际工程比较,一直以来众说纷纭,莫衷一是。循环和直热,究竟哪种方式更好?大多数工程机都选用循环式的原因是什么?谁是真正的未来之王?长期以来一直是整个行业困惑的问题,然而,又没有真正搞清楚。

  我们知道,热泵热水机的整个系统包括热泵、水箱、电磁阀、循环泵和管网构成,无论是直热还是循环,工作原理都大同小异,区别只在水系统这一块,水系统工作情况的不同,直接决定了直热和循环的不同,继而影响到整体的运行效果。

  运行时究竟有什么不同?

  既然要说到直热和循环的比较和选择问题。就要先温习一下功课,直热和循环在工作方法上,究竟有什么不同?让我们重温一下两种工况的工作原理——如下图所示:

  (1)循环式

  (2)直热式

  从结构上看,直热式比循环式少了一个循环水泵,这个很自然,也好理解。但他们之间最大的区别,还在于:当进水温度高于45℃的时候,工况完全不同。

  下降,特别是水温升高到50℃时,冷媒经过热交换后温度仍然高达75℃,最少也有60℃,冷媒放热的值明显不够。

  以上分析说明了什么呢?说明了当出水温度不高的时候——比如在45℃以下,循环和直热具有相似的工况及能效。而当水温升到45℃以上,循环式的热泵压缩机的工作温度和压力都在不断提高。压缩机的工作条件随着水温的不断提高开始变得恶劣起来。

  A、保护压缩机

  根据传热工质(例如R22)的特点,饱和温度与饱和压力式呈单值函数关系。当温升到一定程度冷媒得不到充分交换时,饱和压力必然增加,甚至超出压缩机的工作曲线范围,势必造成压缩机的过负荷运行。但凡从事过技术的人都知道,压缩机长期高温高压运行,势必影响它的工作和寿命,然而很可惜,循环式的热泵热水机,应对这样恶劣的工况缺是家常便饭。

  这方面,直热式又体现出了它的优势,为什么?因为直热式热泵的冷凝温度低,当低温的冷媒通过膨胀阀回到蒸发器后,蒸发的效率赶不上高温的冷媒,为了解决这一问题,直热式热泵需要扩大蒸发面积。通常的办法,是采用额外的蒸发器机组,从空气中吸收热量化霜。或者干脆采用双蒸发器,一个做主一个为副,这样可以避免反向除霜面临的诸多技术困境,比采用电热丝化霜更加节能。

  C、摆脱“谷轮”依赖症?

  由此可见,直热式最大的好处,还在于可以让压缩机在一个稳定的工况下运行,最大限度地保护压缩机。但更重要的是,它也降低了压缩机的工作要求和性能参数,因此有企业开始尝试用普通空调的压缩机,或者是性能差异不大的压缩机来做热泵的主机,而不是采用目前市面上大多数企业采用的“谷轮”耐高温高压的压缩机,并且取得了初步成功。

  一台谷轮涡旋压缩机的价格,是同等功率压缩机的几倍,如果能够解决用普通空调压缩机或近似机型代替热泵压缩机的话,热泵热水机的成本将大幅度下降,为热泵在民间普及创造了条件。

  使用谷轮压缩机,这是整个热泵热水机行业的惯例。谷轮压缩机耐高温高压的性能,使它在面对循环机组长时间恶劣工况时能够保证机组的正常运行。但如果要问为什么都要用谷轮压缩机,得到的回答很可能是:“因为大家都在用”。实际情况究竟如何?套用美的工程师的一句话来说“在这个行业,真正在深入研究技术的企业,会有多少?”

  数据困境与无谓的比拼

  写到这里,也还并不能证明直热就一定比循环更先进。相反,还有很多“例证”是证明循环优于直热的。笔者就看到这样一组数据:

  假设环境温度为20℃,水温从20℃加热到50℃,一定量的水需要60kJ的热量为例,两种运行方式耗能结果比较如下。

  a.恒温出水式(直热式热水机组)

  恒温出水式即相当于是把热量从20℃的空气中直接转移到50℃的热水中,此时设备的实际能效比约为3.5W/W,则总共60kJ的热量需要耗能为:60÷3.5=17.1kJ

  b.循环加热式(循环式热水机组)

  循环加热方式水的加热过程可理解为把20℃空气中的热量分别转移到25℃、30℃、

  在实际的工程案例中,除了一些恒温池热水之类需求温度不高于45℃的工程外,大部分的工程40%运转时间是在高温水区(48-60℃),这样系统长期处于高冷凝温度工况下,压缩机排气温度过高使得压缩机面临更多的耗功,润滑发热油更容易碳化,机组效率安全性和使用寿命也大幅度下降。

  在这里,直热式的好处就体现出来了。因为直热式热泵热水机的压缩机在基本恒定的压力和温度下工作,压缩机的工况也稳定,在短短的5~10分钟之内,通过一个恒定的冷媒进出温度,压缩机即达到一个稳定的运行负荷,然后可以长时间运行。再者低温自来水直接吸收高温冷媒的热量,冷媒能够得到充分冷却,系统高压压力降低,压缩机克服系统压力所消耗的电能比较少,从而延长了压缩机的寿命,也减少了高压保护的频率和压缩机爆缸事故的隐患。

  B、提高化霜效率

  在冬季,结霜是威胁热泵热水机工作的主要杀手,化霜是热泵的常备手段。

  化霜的方式,不外电辅和反向化霜两种,目前这两种方式都不是最好的,但限于目前的技术水平,又没有什么办法可以完美的解决这一问题。要么是顾到了化霜的效果,就忽略了节能的效果;要么是可以实现完全的化霜,但又以牺牲整个机组性能为代价。

  选择化霜的方式,是解决化霜问题的一个努力方向,另一个方向是提高化霜的效率。

  ① 直热式机组进水温度低而出水温度高:两者通常在20℃—60℃。而循环机组最初工作时,进水温度也可能是20℃,但随着一次次的拉循环,进水温度不断提高,随着温度的递增,循环式热水机组对应的冷凝温度也迅速增加。

  ② 也就是说,直热式的高温冷媒从压缩机排出后,总是和20℃的水进行热交换,交换的结果是:冷媒的温度降低为40℃。而循环式则不同,循环式的高温冷媒一开始也和20℃的水进行热交换,但随着自己的做功,发生热交换的水温越来越高。冷媒的热交换效率出现

  35℃、40℃、45℃、50℃的水中。各阶段的能效比、能耗和总能耗如下表所示:

  加热区间 20-25℃ 25-30℃ 30-35℃ 35-40℃ 40-45℃ 45-50℃

  热量 10kJ 10kJ 10kJ 10kJ 10kJ 10kJ 60kJ 能效比 7.3W/W 6.3 W/W 5.5 W/W 4.7 W/W 4.1 W/W 3.5W/W 4.8W/W

  能耗量 1.4kJ 1.6kJ 1.8kJ 2.1kJ 2.4kJ 2.9kJ 12.2kJ 上面的一组数据似乎代表了另一种观点,那就是循环式只是在最后阶段效率才与恒温出水式接近,而加热过程的其它阶段效率均远高于直热式。这样看来,循环比直热更节能了。 带着这个问题,笔者采访了一位参与起草国家热泵标准的专家。他谈到了这样两个“行业问题”,这两个问题听起来荒谬,实则在情理之中。

  ①在国家标准没有正式出台之前,目前很多企业都有自己测算的COP值。对直热而言,COP值很好测试,但循环式的机组,如何测试COP值呢?循环式热泵因为要有前期拉循环的不出水时间,要测标准COP值必须有一个特殊的试验室,但问题是,这个传说中的实验室,目前只有合肥通用机械研究所才有。换句话说,不到合肥所做测试,根本不可能有一个科学的COP值!试问有几个做循环热泵的厂家能够把机器拿到标准试验室做测试?

  ②在即将出台的国家标准中,热泵能效比是不计算水泵功率的。而在较低的水温下,COP值很大的时候,水泵的功率将是一个很大的数值,不能被忽略掉。但现在的多数情况,这个能耗被有意地忽略了;这导致热泵的节能效果会打一个折扣,基本上都达不到计算的理论值。“在实际工程中,热泵比锅炉到达节能40%就很好了。”这是不少业内人士在实践过后最深刻的感受。

  测试的难题和测试方法的不科学、不统一,使直热和循环这两种差异单纯的机型,在路线的对比和选择上更处于混沌状态,究竟哪种模式更好?公有公理,婆有婆理。

  直热式出水量不够吗?

  从以上我们似乎可以看到,直热式热泵,因其对压缩机的保护得力,比循环式更有应用的前景。但既然如此,为什么大多数企业在选型时,都选用了循环式呢?

  一位业内人士道出了其中的玄机:因为多数热泵生产厂家,都是从空调生产企业转型而来。这类企业最大的问题,就是习惯用做空调的思维来做热泵,这是整个热泵行业存在的诸多技术问题的根源。

  第二个问题,就是这类厂家,通常不懂水系统。

  循环式针对直热指出的最大的问题,就是直热式热泵的出水量不够。其实,针对这个问题,就是不懂水系统也可以回答。为什么,因为大自然有能量守衡定律。压缩机的功率一样,做的功也一样,产生的热量应该一样。假设传热的效率一样,那么,无论是直热式或者循环式,生产的热水应该是一样多的——就是有些差距,也不会太大。

  反过来,如果做不到一样多,一定是水系统的设计出了问题——而不是选择直热或循环的问题

  直热式的热泵系统,通常是通过控制水的流量来提高水温,从而使水温一步到位。而出水量的问题,完全可以通过水流控制阀调节水系统,做到在相同的时间内相同的出水量。在实际的过程中,尤其是大型热水工程中,循环如果不妥善运用热水系统,照搬原理图,不管多少台机大量循环加热,第一次产水时机组都会造成十几小时不停。假定水温定在55℃停机、45℃到50℃启动再加热,这样长期工作下来系统能效比非常差。而直热调节好水系统后,在一个恒定的工况下,更适合24小时的连续运转,压缩机也不会有更重的负荷,因此直热式热泵并不会存在出水量不足的情况。

  毫无疑问,直热式热泵热水机在工作时能够解决,或绕开热泵最核心的技术难题,理所当然的是未来热泵热水技术发展的方向。随着实践的增多,相信业内人士会越来越多地认识到直热式热泵的优势,从而将技术发展的方向转移到正确的地方上来。

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