热泵热水机的技术现状及前景

随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，生活或卫生热水的需求量越来越大，形成了一个量大面广的热水消费市场，各种热水器产品层出不穷，竞相争夺市场份额。调查显示，我国热水器消费市场主要集中在城镇。2006年1~7月中国全国燃气热水器产量为328万台，增长了-4.93％。全国电热水器产量为412万台，高于燃气热水器产量，比上年同期增长14.25％。

目前，我国家用热水器市场上的主流产品有燃气、电热和太阳能热水器三大类。而其中的电热水器是以消耗电能为代价来生产低温热水，造成了能源的浪费；燃气热水器使用中存在“煤气中毒”的安全隐患，每年各地均会出现热水器伤人事故，因此国家制定法规：要求燃气热水器必须定期更换；太阳能热水器因其节能、环保优势近年来在我国得到了迅猛的发展，但普遍存在初投资偏高、水资源浪费严重、冬季冻管、管路腐蚀、城市中安装位置受限等诸多问题。在许多沿海地区，由于阴雨天气偏多，一年中太阳能热水器仅能正常工作3/4~2/3时间。

随着国民经济的发展与越来越严重的世界能源危机，节能已经提到了一个非常重要的位置。而热水器——这个潜在的用能大户也逐渐显露出来。2004年许多热水器生产厂陆续推出了节能型热水器，如节能电热水器，它采用中温保温、夜间低价电时段工作、预约洗澡、分层加热等多项技术实现节能。近年来，随着热泵技术的不断发展，热泵热水机也迅速发展起来，同样情况下，它的用电量仅仅是电热水器的1/3到1/4，因此，其节能潜力巨大。由于它所具有的高效节能特性，可以大大节约电能，并且能够弥补太阳能热水器所存在的低密度、间断性和不稳定性等先天不足，是一种全天候的节能、环保式热水机，其技术含量高，发展潜力大，商业化前景广，对促进国民经济可持续发展有重大深远的社会意义，必然成为未来热水器的主力。

但热泵热水机不同于常规工作的热泵，热水的温度在其加热过程中不断增加，其所处的工作环境也随春、夏、秋、冬四季不断变化，因此，在冷凝段和蒸发段，热泵热水机具有更大的温度变化范围，导致更大的变工况工作条件，对其全工况下的匹配特性研究就显得更加重要。

1. 热泵热水机的发展

热泵热水机的应用研究起始于二战期间，在国外已经有50多年的历史。但是，国内对热泵热水机的研究和利用尚处于起步阶段。热泵热水机是利用热泵原理，从周围环境介质中吸收热量来制取生活热水的热泵装置。常规热泵热水机，包括地源热泵、水源热泵、空气源热泵等几种机械压缩式热泵形式，其应用已很普遍。热泵热水机在欧美等高能耗国家已很普及，甚至在南非等发展中国家也有较大发展，2000年的统计数字显示，热泵热水机在南非商业热水器市场份额已经达到了16％。从节约能源和环保的观点来看，热泵热水机具有独特的优点和市场前景。

在热泵装置发明的早期，人们就尝试用热泵制取热水。但热泵热水机的大量应用是在第二次世界大战之后的事情。初期的热泵热水机主要是大型的工艺用热泵，第二次世界大战的爆发，一方面影响与中断了空调热泵的发展，另一方面战后能源的短缺促进了大型工艺用热泵热水系统的发展。在物料的浓缩工艺中，只需将蒸发装置中产生的废气用压缩热泵提高一些温度便可重复用于对装置的加热，热泵热水机在这种场合下使用因温升少，其制热系数极高。同样在精馏装置中应用热泵的经济性也非常好。热泵热水机在二次大战中也直接用于战事装备，如美国制造了一万台蒸馏热泵为上百万的人提供饮用水。

小型热泵型热水器从20世纪50年代起在一些家庭中使用，最近20年，一方面随着生产工艺的进步，热泵热水机的可靠性、实用性有了很大提高；另一方面各国对环保节能概念的越发重视，使热泵热水机的发展重现生机，国外出现了一些生产热泵热水机的公司。如Metro（丹麦）、Pro-Elektra（瑞士）、Temcor（美国）等。热泵热水机的优势在于：(1)显而易见的节能效果；(2)可“移峰填谷”，开发低谷用电；(3)可实现热水、采暖、供冷一体化，提高能源利用效率；(4)便于地热、建筑废热等低品位能源的利用、回收。但从技术角度而言，由于冷凝温度和压力的提高，对热泵压缩机可靠性和效率提出了更高的要求，因此常规热泵热水技术要提供55℃以上的热水有一定的困难，这也是国内热泵热水机的普及受到限制的一个重要原因。

进一步的可行性研究表明，与其他家用热水器相比，热泵热水系统具有更高的经济性，它的初投资预期回收年限为2～ 3年。以环境大气为热源，在热水储水箱中放置沉浸式盘管的热泵系统可取得较好的使用效果。

在上世纪80年代初期，空气源家用热泵热水系统在美国每年的销售量超过10000套。但初期的产品由于售价高、维护困难、噪声大、可靠性差、使用期有限等原因，使热泵热水机市场没有得到很好的发展。这些热泵热水机技术和产品的设计重点在于制取生活热水，供应热水是它们的主要任务，热泵同时具有的空调能力则被作为辅助功能。前期家用热泵热水机的加热功率小，只有普通电热水器功率的40％～100％或者燃气热水器功率的30％～50％。为了使用方便，一般需要配置较大的储水箱和控制系统。然而，较大的水箱费用较高，占用空间较大，为达到设定温度需要更多的加热时间。也有一些设计者在系统中加入辅助电加热器以便在用水高峰时使用，但这将会增加用电高峰时的用电功率，降低系统效率。在国内，中科院广州能研所率先开发成功了高温地源热泵，最高输出温度达到75℃，该系统除提供冬季采暖、夏季制冷外，每天可提供60℃的热水80t。利用该技术提供热水可比常规方法节能80％以上。从2000年开始，上海交通大学制冷与低温工程研究所及教育部太阳能发电及制冷工程研究中心在热泵热水机的样机研制和优化匹配方面做了大量的工作，并形成了一系列自主研发的专利产品，实际测试表明，制取150升热水，热泵COP在夏季为5.8（耗时50分钟）、过渡季为4.5（耗时95分钟）、冬季为2.5（耗时270分钟）。

近年来，有不少学者采用新工质对热泵热水机进行了研究，Mei Vince C研究了用R407C代替R22在热泵热水机中的应用，结果发现，在相同设计运行能力的热泵系统中，R407C热泵热水机的热水加热功率明显高于R22系统。但是，R407C系统的能耗也有所增加，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％。Petter Neksa对CO2热泵热水机进行了研究，结果表明在0℃环境温度下，水温由9℃升至60℃的过程中，其平均COP达到了4.3。并指出，CO2热泵热水机在高水温时具有优良的运行性能，样机可以在90℃的高水温下正常运行。Rousseau PG.对南非地区应用广泛的商用热泵热水机进行了提高系统性能和运行经济性的研究。另外Bivens、Meyer、Smith、Spatz等学者都从不同侧面对热泵热水机进行了专门的研究。

目前，技术的发展和制造工艺的完善使热泵热水机的产品质量有了一定的提高，系统可靠性有所改善。如果结构合理还可以同时进行制冷、除湿或废热回收。在欧洲，近几年一直在大力推行高性能热泵的研究工作。

2.热泵的技术困惑

自从世界上诞生第一台热泵热水机开始，热泵热水机的发展就和热泵技术的发展息息相关，经历了一个曲折的发展过程。早在上世纪70年代，热泵热水机在美国已经商品化，70年代由于石油禁运的影响，热泵热水机在70年代和80年代的初期获得了较大的发展，市场上一度出现了不少于15个品牌的热泵热水机，这里面既有知名的大公司也包括小公司。

遗憾的是，早期开发的热泵热水机的使用都不尽人意，许多产品还没有做过连续负荷实验就投入了市场，导致出现了令人难以接受的故障率和庞杂的维护要求。在此背景下，大多数的热泵热水机的品牌从市场上消失了。在90年代很长的一段时期，美国的市场上只有3个品牌供应、之后减少为2个品牌，最后减少为1个品牌。最近几年，2个新的品牌又上市了。截止2002年，美国市场上热泵热水机的品牌达到了3家。

我国热泵热水机的市场化进程比较晚，正式在市场上出现是2000年前后的时间，由于企业的大力开拓，已经逐步形成了一定的市场份额，特别是在我国气候温和的华南和长江流域，得到了大力的推广。但是，由于对热泵热水机的设计经验不足，加上对热泵热水机与常规热泵的区别存在认识上的误区，导致生产的热泵热水机质量良莠不齐，出现了一系列的问题，包括：

① 粗劣的初始设计；

② 系统部件选配不当，没有对整个系统做疲劳测试；

③ 较差的生产质量控制。

当然，也有因为水质和当地环境导致的结垢问题，使得经过若干年的使用后，水侧换热器换热能力明显下降，影响用户的使用质量——而这些问题如果生产商重视起来完全可以事先予以解决。

另外，电加热元件对于实现双加热单元水箱，保证水箱具备迅速供热能力（尤其在冬季）具 有非常重要的意义。很多早期开发的热泵热水机没有使用电加热元件（辅助加热），或电加热元件损坏，在设计与控制策略上出现了不少问题。

在水箱设计上，现代的实验测试和经验表明，热泵热水机的水箱应该比常用热水器的容积大，如常规水箱50gallon（190L），换为热泵热水机则要配80gallon（300L），或者采用复合水箱，保证水箱里被大量用水时有足够的补给容量。以往设计时因为水箱设计过小，导致热水供应不足，不少用户投诉，出现诸多抱怨也就不足为怪了。

热泵热水机在推广中所遇到的障碍包括：用户对安装麻烦的疑虑，安装的过程中不仅涉及到机械的安装，也涉及到电路和制冷剂的充注问题；电气的安装问题。热泵热水机的安装不仅要求安装人员具备管道工的技能，也要具备电工的技能，要求较高；水箱的安装放置等。此外，热泵热水机的经济性受能源政策影响较大，当各种能源价格、环保税率等发生变化时，不同热水供应系统的投资与运行费用的比较随之发生变化。就我国目前能源价格体系而言，热泵热水系统的初投资最大，但综合经济性和太阳能热水器接近，高于其他类型的热水器，经济性波动是阻碍热泵热水机发展的一个重要因素。

3.解决方案与市场前景

与传统热水器相比，热泵热水机使用较多的零部件，换热系统必须承受相变压力下的蒸汽压力，并且要在变化的环境中工作，尤其是在冬季严寒的天气状况下，这对压缩机的寿命是一个严峻的考验。由于热泵热水机的工作范围宽，也容易出现系统因节流阀调节性能不佳而损坏压缩机的问题，为了解决该问题，首先要从改进系统的设计和匹配入手，针对热泵热水机所适用的特殊要求提出相应的设计和匹配方案，保证系统运行在合理的工作范围。另外，由于目前国内外热泵热水机中的压缩机多直接采用空调压缩机，运行工况比常规空调热泵恶劣，这势必影响到压缩机的使用寿命；为此，国外知名的压缩机生产商丹佛斯、爱默生、日立等企业正在积极开发专门适应热泵热水机工作要求的高性能压缩机，这对提高系统的可靠性具有重要的意义。为了保证系统的可靠性，也必须对热泵热水机的生产工艺进行改进，制定合理的生产流程，确保系统的装配准确、合理而有效。电子膨胀阀的出现为热泵热水机节流阀的选择提供了新的机会，由于电子膨胀阀具有可调范围宽，动作灵敏，可实现精确控制的优点，因此，它是改善热泵热水机节流性能的一个可行方案。

生产和维护是热泵热水机实用中所面临的两个重要环节，由于热泵热水机零部件比常规热水器多，这就决定了需要培养更多的安装维护工程师，提高系统的维护水平，从而改善产品的售后服务质量。另外，还可开发冷凝段、蒸发段一体化的小型家用系统，减少了制冷剂系统的安装与充注，提高了系统的可靠性。

对于家用型热泵热水机，对噪声必须严格控制，因为邻居所受的烦扰可能比热水器的使用者大。热泵热水机的噪声源有风机噪声、压缩机噪声和散热器回路噪声，从高效率和低噪声的观点来看，必须对压缩机和风机的噪声进行控制，采用密封性能良好的压缩机，改善风机叶片流型的设计，从而降低噪声，最终提高热水器的环境友好性。据有关文献报导，日本最近推出的热泵热水机已经将噪声降低到了40分贝以下。改善压缩机和风机的噪声设计，也是改进系统特性的一个重要方面。

另外，热泵热水机的工质替代是必然趋势。目前，氟里昂R22是热泵热水系统最常采用的循环工质，它将于2040年被全面废除。一些新的替代工质，如纯工质R134a、混合工质R22/R142b、R123/R134a及R22/R152a/R114等已经陆续被各种制冷装置所采用。从使用的倾向来看，欧洲主要采用碳氢化合物和R407C；日本以R410a和R407C为主；美国对工质的替代不甚积极，还是以传统工质R22为主，对替代工质的选择没有明显的倾向。至于CO2这种天然工质，各国对它的研究尚处于初期阶段，离全面市场化还有一段距离。但是，各国学者在研究替代工质的过程中发现，不同的工质表现出不同的特性，其传热、压降、与润滑油的互溶及适宜工作温区各有不同，而热泵系统的效率和制热率受气温的影响较大。本身热泵热水机在加热水过程中一直处于变工况，尤其在冬季气温低的天气里效率低，压缩机工况恶劣，还要面临结霜问题，工况的不稳定必将导致系统性能的波动，因此如何保证系统的高效稳定运行已成为热泵热水系统达到实用化目标所必须解决的难题之一。虽然我国距正式禁用R22制冷剂尚有时日，但是，为了热泵热水机产业的长远发展，我国必须根据自身产业的结构选择符合国情的制冷剂替代方案。

由于我国热泵热 水机真正进入市场还需要一段时间，经济性是用户考虑的重要指标，因此，为了提高热水器的节能水平，扩大对可再生能源空气源的合理利用，离不开政府在政策上的扶持。在市场培育阶段，需要政府更多的关注、宣传和投入，使得热泵热水机这种节能产品被更多的大众所了解，最终促进我国热水器产业的更新换代和升级。

4. 结论

(1) 经过了五十多年的发展，热泵热水机的性能已经得到较大的改善，进一步提高系统的生产设计和匹配水平，开发新型高效部件和环保工质，提高可靠性和维护质量是确保热泵热水机在技术上取得不断进步的重要保证。

(2) 热泵热水机技术具有节能和环保的双重优势，其节能、安全、环保的理念需要被更多的用户所认识，在我国居民生活水平日益提高，对能源和热水需求迅速增大的今天，具有重大的现实意义。

(3) 热泵热水机技术是对可再生能源空气源的充分利用，而空气的能量来自太阳源源不断的辐射，能将低品位能源提升为高品位能源，热泵热水机是一种可持续发展技术，它的发展需要政府在政策上的扶持，确保获得更优的经济性能，作为节能环保的热水器产品，必将具有极其光明的发展和应用前景。