利用有机相变材料储热的风源热泵热水器

――理论与实践

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。

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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。

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