1 热泵水器的出现

1.1热泵热水器的发展契机

随着能源在世界经济发展中的作用愈加凸现，节能已成为一个热门的话题和研究方向。目前卫生热水能耗在建筑能耗中的比例越来越大，建筑卫生热水节能日益受到重视。在热水器行业，用户热水能耗的节约途径主要是采用新型高效热水器，提高热水器的效率。人们一直致力于发展各种新技术，寻找各种新材料来提高热效率，减少热损失以达到节能目的。虽然也取得很多成果，不过现在看来，要从这些方面继续改进比较困难(当然这并不代表这方面的改进不重要)。各种燃气热水器的效率一般都已达80%左右，有的甚至已达85%，进一步提高效率较难，最多还有5%的节能潜力。近年来，一些上海居民选用了电热水器，热效率已高达90%~95%，进一步提高更难[1]。这就引发了我们对于热水器的思考：能不能设计出一种安全节能又方便使用的热水器呢？

1.       2热泵热水器的工作原理

热泵是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统，它被形象的称为“热量倍增器”。目前在市场上广泛出现的家用冷暖空调器上，就已经广泛地应用了热泵制热，其制热系数已高达3以上。那么，利用热泵的原理来制取热水，消耗一度电所获得的热水，比普通电热水器消耗三度电所获得的热水还要多，这是传统热水器所不能企及的。 目前市场上热泵热水器种类很多，主要有太阳能助推型、水源和空气源三种系列。太阳能助推式热泵是热泵与太阳能技术结合使用的一种热泵技术；水源热泵是利用一定温度的水源(20℃以上)作为热源以制冷剂为媒介，将水源中的热量吸收后经压缩机压缩制热，通过热交换器与冷水交换热量以达到取暖和制取热水的目的,水源热泵必须有一定温度和流量的水源；空气源热泵以水源热泵类似方法从空气获得热量来加热水。三种热泵中，空气源热泵受到的条件限制最小，发展空间最大，因此本文着重对空气源热泵热水器进行分析讨论。热泵热水器的基本原理如图1所示：它主要是由压缩机、热交换器、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、电子膨胀阀和电子自动控制器等组成。接通电源后，轴流风扇开始运转，室外空气通过蒸发器进行热交换，温度降低后的空气被风扇排出系统，同时，蒸发器内部的工质吸热汽化被吸入压缩机，压缩机将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入冷凝器，被水泵强制循环的水也通过冷凝器，被工质加热后送去供用户使用，而工质被冷却成液体，该液体经膨胀阀节流降温后再次流入蒸发器，如此反复循环工作，空气中的热能被不断“泵”送到水中，使保温水箱里的水温逐渐升高，最后达到55℃左右，正好适合人们洗浴，这就是空气源热泵热水器的基本工作原理。

2 应用于热泵热水器的工质分析及热力计算

现在市场上，用于热泵热水器的工质种类繁多，而且很多企业为了技术保密，多数也不愿意公开自己采用的工质，这就导致其他厂家在设计产品时难于选择。为解决此问题，本文选取常用于热泵热水器的四种工质分别进行理论计算，希望可以对热水器的设计提供参考。

2.       1现有工质的简单介绍

（1）R22 无色无味，不燃、不爆，毒性小，对金属无腐蚀，使用安全。标准蒸发温度为－40.8℃，凝固温度为－160℃ ，具有较好的热力性质和热物理性质。它在常温和普通低温范围内压力比较适中，单位容积制冷量大，传热性能虽然不如氨，但是比某些氟利昂工质(如R134a)强，溶水性差，在润滑油中有限溶解。  尽管R22属于HCFC类物质，环境指标ODP(Ozone-destroy Potential消耗臭氧层潜能值)为0.05左右，GWP (Global-warm Potential温室效应潜能值)为0.35左右，对大气臭氧层也有一定的破坏作用，但比R12小得多，所以在一些场合，它适合作为某些禁用制冷剂的过度性替代物，目前广泛应用在家用空调器以及中型冷水机组中，在工业制冷中也有所使用[2]。

（2）R134a 它已被广泛应用于替代R12，它的消耗臭氧潜能值ODP为0，全球变暖潜能值GWP为0.27，比R12的GWP3.2小的多。R134a不可燃，且蒸发器和冷凝器都在正压下工作。对于它的替代情况很多文献都有相关介绍，在这里就不一一赘述。

（3）R407C 近年来，有不少学者进行了专门针对热泵热水器的研究，Vince C. Mei研究了用R407C代替R22在热泵热水器中应用，结果发现，在相同设计运行能力的热泵系统中，R407C热泵热水器的热水加热能力明显高于R22系统，但是，R407C系统的耗能也有所增加，使得它在高水温时的COP低于R22系统。如果使用专门为R407C设计的蒸发器，COP就会比R22系统明显提高20%，水加热功率也会提高4% 。　R407C具有与R22相近的制冷量，压力基本相当，对整个系统的改动小。但其传热特性较差，需用酯类润滑油更换R22的润滑油。另外，R407C是非共沸型制冷剂，一旦发生泄漏，其COP值就急速下降，属于过渡工质。

（4）R417a 它的ODP值为零，CWP值较低，故有良好的环境可接受性。实验结果表明R417a系统的吸、排气压力比R22系统稍高或接近，但对应于同一温度下的饱和压力R417a小于R22，有利于装置的运行。在相同设计运行能力的热泵系统中，R417a的制热量略小于R22，耗功也比R22小，COP值高于R22，因此R417a完全可以在热泵热水系统中作为替代工质直接替代R22，并可以安全可靠运行。

3.       2系统的理论循环和工质热力计算

现选取R22、R134a、R407C和R417a四种工质，蒸发热量为1KW时，考虑一定的过冷度和过热度，对过渡季、夏季和冬季三种典型工况进行热力计算，理论计算结果列表如下：（其中过冷度和过热度均取5 ℃）夏季工况：取T0=20℃，Tk =60℃（见表1）冬季工况：取T0=-10℃，Tk =60℃（见表2）　　

　表1 夏季工况不同工质热力性能比较表

工质 冷凝压力(KPa) 蒸发压力(KPa) 压缩机功率(kW) 冷凝热量(kW) 制热系数 压比 压差 (KPa)排气温度（℃）

R22    2431.00      906.33        0.254          1.28      5.04    2.682    1524.7    100.68

R134a   1699.27     569.75        0.250          1.28      5.12    2.982    1129.5    82.08

R407C   2494.30     864.46        0.266          1.30      4.89    2.885     1629.8   91.26

R417a   2151.81     786.59        0.260           1.30      5.00    2.736     1365.2   77.90

表2 冬季工况不同工质热力性能比较表

工质 冷凝压力(KPa) 蒸发压力(KPa) 压缩机功率(kW) 冷凝热量(kW) 制热系数 压比 压差 (KPa)排气温度（℃）

R22      2431.00       353.50        0.561          1.59       2.83    6.877   2077.5   130.16

R134a  1699.27       199.74        0.573          1.61       2.81    8.508   1499.5   94.29

R407C  2494.30      313.66         0.607          1.64      2.70     7.952   2180.6   111.14

R417a  2151.81      297.58         0.623          1.67      2.68      7.231   1854.2     86.01

2.3计算结果分析

（1）由计算结果可知，不管用何种制冷工质，一般工况下其平均制热系数 h =4.42，夏季平均 h =5.01，冬季平均 h =2.76，都比电热水器和燃气热水器高的多，这表明其具有显著的节能经济性；

（2）从系统运行来看，由于冬季温差较大，故冬季运行时制热系数相对较低，而且压比较大，对压缩机等设备运行有很大影响，因此建议热泵热水器夏季和过渡季运行，而冬季适当辅以电加热，安全合理地发挥热泵的效能；

（3） R22的排气温度最高，不利于系统的运行，加之对大气臭氧层有破坏作用，因此替代在所难免；

（4）R134a的制热系数最大，但其溶水性较强，少量的水即可以使其产生较强的金属腐蚀性，或产生“镀铜”现象；

（5）R417a的排气温度最低，排气温度低对润滑油的粘度影响降低，可防止润滑油分解变质，改善系统的工作条件，提高机器的使用寿命；虽然其制热系数比R22稍低，但在环保方面有一定优势，因此具有广阔的市场前景。

　2.4结论

　根据以上的计算和分析，本文推荐在热泵热水器中使用R417a和R134a制冷工质。但是使用R134a要加强干燥防水措施，防止对设备和管道腐蚀，这点要特别值得注意。　热泵热水器是一个利国利民的产品，对于节能、健康、安全和环保方面都有十分显著的效果。如果再对其水温、性能、外观、噪音和控制方式等进一步改进提高，它必将有更加广阔的市场前景。