美國(guó)艾默生公司壓縮機(jī)應(yīng)用技術(shù)講座第三十四講 谷輪ZWKS系列熱泵熱水器專用渦旋壓縮機(jī)及其應(yīng)用

張立毅，胡浩，林雄

（艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)（蘇州）有限公司，蘇州212021）

美國(guó)艾默生公司壓縮機(jī)應(yīng)用技術(shù)講座第三十四講 谷輪ZWKS系列熱泵熱水器專用渦旋壓縮機(jī)及其應(yīng)用

張立毅*，胡浩，林雄

（艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)（蘇州）有限公司，蘇州212021）

本文分析了目前熱泵熱水器的技術(shù)現(xiàn)狀和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，指出使用普通空調(diào)壓縮機(jī)的熱泵熱水器的應(yīng)用局限。根據(jù)中國(guó)的氣候特點(diǎn)和對(duì)熱水水溫使用要求，提出了適合于中國(guó)廣泛地區(qū)使用的熱泵熱水器用理想壓縮機(jī)應(yīng)滿足的技術(shù)要求。艾默生推出了全新的ZWKS渦旋壓縮機(jī)系列，其經(jīng)濟(jì)器循環(huán)的解決方案克服了普通空調(diào)壓縮機(jī)在該應(yīng)用中的不足，通過對(duì)ZWKS壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)行范圍的介紹以及對(duì)ZWKS熱水器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的分析，表明ZWKS壓縮機(jī)拓展了熱泵熱水器應(yīng)用范圍，提高了系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率，特別是對(duì)于在低環(huán)境溫度高出水溫度的運(yùn)行情況。這些優(yōu)點(diǎn)使得熱泵熱水器能在傳統(tǒng)上使用其他能源制備熱水的中國(guó)較寒冷地域得以推廣使用。

熱泵熱水器 噴氣增焓 渦旋壓縮機(jī) 經(jīng)濟(jì)器循環(huán)

1 緒言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，公共建筑和住宅的生活熱水以及空氣調(diào)節(jié)已經(jīng)成為普遍的需求。在發(fā)達(dá)國(guó)家，暖通空調(diào)及熱泵系統(tǒng)所用的能耗可占到社會(huì)總能耗的25%-30%。在國(guó)際能源局勢(shì)日益緊張的今天，節(jié)能減排已經(jīng)越來越為世界各國(guó)所關(guān)注。熱泵是一種利用低品位熱能的設(shè)備，采用熱泵制取熱水可以大大降低一次能源的消耗以及燃燒礦物燃料引起的CO2的排放。在中國(guó)，熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用推廣已經(jīng)進(jìn)入快速增長(zhǎng)的軌道。

傳統(tǒng)熱水器采用燃油、天然氣、油制氣等一次能源直接燃燒或采用電加熱等方式產(chǎn)生熱水，其熱效率均不大于 1，并且直接燃燒的加熱方式還會(huì)產(chǎn)生有害污染物，帶來環(huán)境、甚至安全等方面的負(fù)面影響。熱泵熱水器被認(rèn)為是傳統(tǒng)熱水器的綠色替代產(chǎn)品。它采用蒸汽壓縮制冷循環(huán)，將來自周圍環(huán)境的低品質(zhì)熱源進(jìn)行再利用，如空氣、土壤或水源等可再生能源，具有熱效率高，對(duì)使用地區(qū)不會(huì)造成環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)?？諝庠礋岜脽崴魇褂冒惭b簡(jiǎn)便，其產(chǎn)品和技術(shù)近年來在國(guó)內(nèi)得到了極大的推廣。本文的討論限于空氣源熱泵熱水器。

根據(jù)文獻(xiàn)[6][7][8]，熱泵熱水器的制熱 COP可高達(dá)3～4。以每天制備2100Kg熱水為例，假設(shè)進(jìn)水溫度為15℃，出水溫度為55℃，每天所需的總加熱量為84000kcal, 即351612kJ。不同類型熱水器的運(yùn)行耗能費(fèi)用見表1。

表 1 不同類型熱水器的運(yùn)行耗能費(fèi)用

可以發(fā)現(xiàn)熱泵熱水器的熱效率最高，運(yùn)行費(fèi)用最低。和傳統(tǒng)的熱水器相比，其運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省可帶來巨大的投資回報(bào)，這是熱泵熱水器市場(chǎng)高速增長(zhǎng)的主要原因之一。

2 空調(diào)壓縮機(jī)在熱泵熱水器應(yīng)用中的技術(shù)局限

熱泵熱水器和空調(diào)器二者的系統(tǒng)原理相同，所采用的零部件大部分是相同或類似的，但二者的運(yùn)行特點(diǎn)卻差異極大：

首先，空調(diào)器一般只在夏季或冬/夏季運(yùn)行，工作運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較短；熱泵熱水器則在一年四季都需要運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。并且中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)》GB 21362-2008和《家用和類似用途熱泵熱水器》GBT 23137-2008對(duì)出水溫度都規(guī)定在55℃。當(dāng)水被加熱到55℃或以上，冷凝溫度就會(huì)達(dá)到60℃左右甚至更高，所以壓縮機(jī)全年都處于高冷凝壓力運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 普通空調(diào)壓縮機(jī)的局限

在冬季，熱泵空調(diào)器的蒸發(fā)側(cè)在室外，蒸發(fā)溫度隨環(huán)境溫度的降低而降低，冷凝側(cè)在室內(nèi)，室內(nèi)溫度在20℃左右，冷凝溫度低；熱泵熱水器的蒸發(fā)側(cè)的工作條件與空調(diào)器相似，但在冷凝側(cè)，由于水溫為55℃左右，冷凝溫度高。壓縮機(jī)在冬季處于高壓縮比和高負(fù)載運(yùn)行工況。

在夏季，空調(diào)器的蒸發(fā)側(cè)在室內(nèi)，蒸發(fā)溫度通常在 15℃以下，冷凝溫度較高，但一般低于55℃。熱泵熱水器的蒸發(fā)側(cè)在室外，在環(huán)境溫度43℃時(shí)，蒸發(fā)溫度會(huì)達(dá)到20℃左右，蒸發(fā)溫度高，冷媒流量大，并且冷凝側(cè)由于55℃水溫使冷凝溫度居高不下，壓縮機(jī)在夏季處于高負(fù)載運(yùn)行工況。

圖1的實(shí)線部分是普通空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍，其壓縮機(jī)電機(jī)的特性和機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)局限于空調(diào)運(yùn)行范圍。圖中橢圓形的虛線部分表明空調(diào)制冷制熱的主要運(yùn)行區(qū)域，超過55℃冷凝溫度的運(yùn)行情況較少。熱泵熱水器要求常年工作在60℃以上的冷凝溫度下。圖中右側(cè)虛線部分表示的熱泵熱水器夏季運(yùn)行區(qū)域，普通空調(diào)壓縮機(jī)無法滿足該區(qū)域的的高負(fù)載運(yùn)行工況。同樣對(duì)于左側(cè)虛線部分表示的熱泵熱水器冬季季運(yùn)行區(qū)域，要求壓縮機(jī)工作在高壓縮比高冷凝溫度的運(yùn)行條件下，普通壓縮機(jī)工作在這個(gè)區(qū)域會(huì)由于過高的壓縮比而超出運(yùn)行范圍，導(dǎo)致過高的壓縮機(jī)排氣溫度，造成壓縮機(jī)由于潤(rùn)滑惡化和電機(jī)過熱等原因而損壞。通過對(duì)圖1的分析可以得到結(jié)論，普通空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍難以滿足熱泵熱水器的運(yùn)行要求。

艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)蘇州研發(fā)中心對(duì)一臺(tái)采用普通空調(diào)渦旋壓縮機(jī)的熱泵熱水器進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行測(cè)試。該系統(tǒng)采用R22為制冷劑，表2為在50℃進(jìn)水、55℃出水循環(huán)加熱的實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件下，所測(cè)得的不同環(huán)境溫度下的壓縮機(jī)排氣溫度以及蒸發(fā)溫度、冷凝溫度。通過數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的下降，蒸發(fā)溫度隨之降低，但冷凝溫度主要與工作水溫相關(guān)，受環(huán)境溫度變化的影響極小，所以環(huán)境溫度越低，壓縮比越高，排氣溫度也越高。當(dāng)環(huán)境溫度為 0℃時(shí)，排氣溫度就已經(jīng)超過了130℃，達(dá)到壓縮機(jī)排氣溫度的安全上限。如果環(huán)境溫度繼續(xù)降低，則壓縮比更高，并導(dǎo)致普通空調(diào)壓縮機(jī)將出現(xiàn)排氣溫度過高而無法正常工作。

表 2 普通熱泵在各環(huán)境溫度下性能 — 循環(huán)加熱，50℃進(jìn)水，55℃出水

采用一次加熱的方式可以降低冷凝溫度，降低壓縮比，進(jìn)而降低排氣溫度。我們也對(duì)此進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表 3。測(cè)試數(shù)據(jù)展現(xiàn)了相似的規(guī)律，即環(huán)境溫度越低，壓縮比越高，排氣溫度也越高。雖然一次加熱的方式降低了冷凝溫度，對(duì)壓縮比和排氣溫度有所改善，但在-7℃環(huán)境溫度時(shí)，排氣溫度也同樣超過了 130℃。普通空調(diào)壓縮機(jī)由于排氣溫度過高，無法工作在低于-7℃以下的環(huán)境溫度下。

表 3 普通熱泵在各環(huán)境溫度下性能 — 一次加熱，55℃出水

3 空調(diào)壓縮機(jī)在熱泵熱水器應(yīng)用中的改進(jìn)方案

以上分析和實(shí)驗(yàn)都證明了普通空調(diào)壓縮機(jī)直接用于熱泵熱水器將導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問題。對(duì)此問題，我們了解到一些采用普通空調(diào)壓縮機(jī)的熱泵熱水器的制造商或工程商，進(jìn)行了以下兩種方案的改進(jìn)：

方案一、普通空調(diào)壓縮機(jī)+輔助電加熱

采用普通空調(diào)壓縮機(jī)熱泵運(yùn)行將 15℃的水加熱到 45℃，然后再用輔助電加熱將 45℃的水加熱到55℃。該方案通過降低熱泵加熱的出水溫度來降低排氣壓力，照顧了普通空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行要求。但由于采用了電加熱，整個(gè)熱水加熱過程的能效比低，具體數(shù)值取決于加熱量中電加熱所占的比例，難以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

方案二、“混配”冷媒

采用自行配置的冷媒，以達(dá)到降低排氣壓力和溫度的目的。由于“混配”冷媒很少能得到壓縮機(jī)制造商對(duì)性能和可靠性的認(rèn)可，還存在諸多弊端：“混配”冷媒的成分控制的穩(wěn)定性難以保證，造成性能不穩(wěn)定；“混配”冷媒的熱力學(xué)性能與壓縮機(jī)不完全匹配，壓縮機(jī)中零部件的受力未經(jīng)校核，可能超出設(shè)計(jì)極限；“混配”冷媒與壓縮機(jī)材料的相容性未經(jīng)確認(rèn)，長(zhǎng)期可靠性不能保證。

綜上分析，我們認(rèn)為：普通空調(diào)壓縮機(jī)在熱泵熱水器應(yīng)用中有難以克服的技術(shù)問題，需要按照熱泵熱水器的應(yīng)用特點(diǎn)和要求開發(fā)專用的壓縮機(jī)。

4 適用于中國(guó)市場(chǎng)的熱泵熱水器應(yīng)用的理想壓縮機(jī)

由于與使用效果直接相關(guān)，用戶首先關(guān)注的熱泵熱水器對(duì)用水溫度的滿足。GB 21362-2008和GBT 23137-2008對(duì)出水溫度都規(guī)定在55℃。如果根據(jù)不同使用場(chǎng)合進(jìn)一步細(xì)分，還可以發(fā)現(xiàn)對(duì)出水溫度要求的差異化。例如，用于泳池和地暖的水溫通常在不高于45℃就可以了；針對(duì)生活熱水我國(guó)要求達(dá)到55℃的水溫；用于暖氣的水溫需要更高，至少要在60℃以上。所以理想的熱泵熱水器壓縮機(jī)要有能力提供 55℃以上乃至 60℃的熱水，相對(duì)應(yīng)的冷凝溫度要能達(dá)到60℃～65℃。

影響熱泵熱水器推廣使用最關(guān)鍵的因素是使用環(huán)境溫度，在寒冷的冬季是否能提供熱水是被關(guān)注的關(guān)鍵問題。我國(guó)地域遼闊，南北氣候差異極大，為使熱泵熱水器的使用能推廣到我國(guó)長(zhǎng)城以南的廣大區(qū)域，覆蓋大約90%的全國(guó)人口，理想的熱泵熱水器需要在冬季最低溫度-20oC的區(qū)域能穩(wěn)定可靠的工作。

結(jié)合以上兩點(diǎn)，可以勾畫出適用于中國(guó)市場(chǎng)的理想熱泵熱水器用壓縮機(jī)。如圖2所示，理想的熱泵熱水器壓縮機(jī)能工作在最低大約-20℃的寒冷環(huán)境中，并確保在冬季能提供55℃以上乃至60℃的熱水。

在天氣較暖和時(shí)能工作在 30℃的環(huán)境溫度中。這里沒有把最高的工作環(huán)境溫度定在夏季最熱時(shí)的40℃甚至更高，因?yàn)橥ㄟ^熱泵系統(tǒng)的載荷控制很容易解決環(huán)境溫度過高時(shí)，壓縮機(jī)吸氣壓力超出上限的問題。例如當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，比方說超過30℃，通過降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來降低壓縮機(jī)的工作載荷，以滿足壓縮機(jī)的工作要求。

圖2 理想的熱泵熱水器壓縮機(jī)

5 經(jīng)濟(jì)器循環(huán)在高壓縮比應(yīng)用的好處

為解決低溫制熱水面臨的高壓縮比高排氣溫度的問題，可以采用經(jīng)濟(jì)器循環(huán)設(shè)計(jì)，利用準(zhǔn)二級(jí)壓縮中間冷卻的原理，解決高壓縮比運(yùn)行問題。經(jīng)濟(jì)器循環(huán)的基本原理和壓焓圖分析如圖3。

如圖3所示，壓縮機(jī)排氣進(jìn)入冷凝器冷凝，從冷凝器出來的液體分為兩部分：一是主回路部分，流量為m，直接進(jìn)入到過冷器，產(chǎn)生進(jìn)一步的過冷。二是噴射部分，流量為 i，經(jīng)膨脹閥 A節(jié)流到中間某一中間壓力進(jìn)入過冷器。這兩部分制冷劑在過冷器中產(chǎn)生熱交換，后一部分汽化后被壓縮機(jī)第二吸氣口吸入，前一部分得到進(jìn)一步過冷后，經(jīng)膨脹閥B節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，然后進(jìn)入壓縮機(jī)主吸氣口。

圖3 經(jīng)濟(jì)器循環(huán)的基本原理

由于噴射混合過程的壓力變化相對(duì)較小，將其當(dāng)作等壓過程，由理想的蒸氣壓縮制冷循環(huán)，從P-h循環(huán)圖（b）上可分析，系統(tǒng)的制熱量等于從冷凝器中釋放的熱量：

因?yàn)樵诨旌线^程中：m(h2’-h2)+ i(h2’-h6)=0,所以總的制熱量為：

式（1）中第一項(xiàng)為蒸發(fā)吸熱量，第二、三項(xiàng)為壓縮過程的耗功。

該式表明，系統(tǒng)的制熱量也等于在蒸發(fā)器的吸熱量加上壓縮過程的耗功。

對(duì)于沒有經(jīng)濟(jì)器的常規(guī)熱泵，由于沒有再過冷和蒸氣噴射過程，其制熱量為

式（2）中第一項(xiàng)為蒸發(fā)吸熱量，第二項(xiàng)為壓縮過程做功。此處假設(shè)對(duì)于經(jīng)濟(jì)器熱泵循環(huán)和普通熱泵循環(huán)，流經(jīng)蒸發(fā)器的制冷劑流量相同。該假設(shè)事實(shí)上是成立的，在試驗(yàn)測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)二種循環(huán)的蒸發(fā)壓力差別極小。

由式（1）減去式（2）就得到制熱量的增加值

制熱量的提高主要得益于蒸發(fā)器入口和和出口之間的焓差增加，從環(huán)境中多吸收了熱量m(h4-h5)。還有由于噴射造成壓縮機(jī)耗功增加，增加量約為(m+i)(h3-h2’)-i(h3’-h2)。另外，對(duì)于一個(gè)冷凝器和蒸發(fā)器確定的空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)制熱量增加后，冷凝壓力通常會(huì)提高，壓縮機(jī)功耗上升對(duì)制熱量的貢獻(xiàn)會(huì)更大，所以實(shí)際的制熱量增加比理論的熱量增加值ΔQ更大。；

再來看排氣溫度，得益于于準(zhǔn)雙級(jí)壓縮，中間冷卻，排氣溫度從T3’降為T3。對(duì)于冬季制熱的的運(yùn)行中，高壓縮比運(yùn)行工況導(dǎo)致的排氣溫度過高的最大問題得到了有效的解決，從而極大的提高了機(jī)組運(yùn)行可靠性。

6 艾默生熱泵熱水器專用ZWKS系列壓縮機(jī)及其解決方案

艾默生最早將噴氣增焓（EVI）功能的渦旋壓縮機(jī)和經(jīng)濟(jì)器循環(huán)相結(jié)合應(yīng)用在商業(yè)冷凍領(lǐng)域，用于提高系統(tǒng)的制冷量和EER。近年來，使用艾默生EVI渦旋技術(shù)的數(shù)十萬臺(tái)家用熱泵空調(diào)和商用熱泵空調(diào)系統(tǒng)被投放市場(chǎng)，得到了市場(chǎng)的好評(píng)。EVI技術(shù)不但能拓展空調(diào)熱泵在北方地區(qū)的應(yīng)用，還可以有效地提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷制熱性能，特別是可以使低環(huán)境溫度下的制熱量和COP得到顯著提升。

EVI渦旋壓縮機(jī)除了常規(guī)的吸氣口和排氣口外，還帶有第二個(gè)吸氣口，即蒸氣噴射口，中壓的制冷劑蒸氣通過蒸氣噴射口和位于定渦旋盤的噴射孔噴射到渦旋盤的中間腔，以增加制冷劑流量，結(jié)合帶經(jīng)濟(jì)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到增加系統(tǒng)制熱量或制熱量，以及降低渦旋溫度的目標(biāo)。由于熱泵熱水器的應(yīng)用更為苛刻，艾默生對(duì)此專門設(shè)計(jì)了ZWKS系列的熱泵熱水器專用渦旋壓縮機(jī)，如圖4。為適應(yīng)高出水溫度對(duì)應(yīng)的高負(fù)載，ZWKS壓縮機(jī)的電機(jī)進(jìn)行了加強(qiáng)；對(duì)浮動(dòng)密封、動(dòng)渦旋以及動(dòng)態(tài)排氣閥進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)以適應(yīng)低溫制熱水時(shí)的高壓縮比運(yùn)行特點(diǎn)；同時(shí)為了控制安全的排氣溫度，對(duì)EVI噴射通道進(jìn)行了設(shè)計(jì)加強(qiáng)。

圖4 專用于熱泵熱水器的ZWKS系列壓縮機(jī)

與常規(guī)的空調(diào)壓縮機(jī)相比，采用ZWKS系列壓縮機(jī)可以極大的擴(kuò)展熱泵熱水器的運(yùn)行范圍。通過圖5可以清晰地看到ZWKS同普通空調(diào)壓縮機(jī)在運(yùn)行范圍上的差異。在蒸發(fā)溫度0℃以上時(shí)，ZWKS壓縮機(jī)的最高冷凝溫度可達(dá)70℃，滿足制取55℃以上乃至60℃熱水的要求。在低環(huán)境溫度高出水溫度運(yùn)行區(qū)域，由于采用EVI技術(shù)解決了普通空調(diào)壓縮機(jī)面臨的壓縮比高和排氣溫度高的問題，可以工作在-30℃蒸發(fā)溫度和 65℃的冷凝溫度下，即采用ZWKS壓縮機(jī)的熱泵熱水器可以在大約-20℃環(huán)境溫度中提供60℃以上的熱水。

通過對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)加熱初始運(yùn)行區(qū)域，ZWKS壓縮機(jī)最低冷凝溫度為20℃，對(duì)應(yīng)的水溫約為15℃左右，能很好地適應(yīng)水罐剛開始加熱時(shí)水溫不高的運(yùn)行特征。在高環(huán)境溫度高蒸發(fā)壓力運(yùn)行區(qū)域，ZWKS壓縮機(jī)適應(yīng)的蒸發(fā)溫度上限更高，更能適應(yīng)溫暖天氣條件下的制熱水運(yùn)行。

為驗(yàn)證 ZWKS壓縮機(jī)在實(shí)際熱泵熱水器系統(tǒng)中的工作性能，對(duì)之前測(cè)試所用的普通熱泵熱水器系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將壓縮機(jī)更換為ZWKS，增添了經(jīng)濟(jì)器板換和電子膨脹閥回路，詳細(xì)請(qǐng)參見圖6。

圖5 ZWKS熱泵熱水器專用壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍 （R22 / R407C）

圖6 ZWKS熱泵熱水器系統(tǒng)原理圖

針對(duì)出水溫度55℃，分循環(huán)加熱和一次加熱兩種方式進(jìn)行了測(cè)試。一次加熱方式的測(cè)試結(jié)果請(qǐng)見表4。排氣溫度在-15℃環(huán)境溫度時(shí)能安全地控制在 103℃。在各個(gè)環(huán)境溫度都顯示出了極佳的COP，并且在-15℃環(huán)境溫度時(shí)的COP達(dá)到了1.96。

循環(huán)加熱方式的測(cè)試數(shù)據(jù)請(qǐng)見表 5，循環(huán)加熱方式的冷凝溫度比一次加熱方式高，所以排氣溫度也比一次加熱方式稍高，達(dá)到了 110℃，處于安全的范圍內(nèi)。在排氣溫度過高時(shí)有必要采取濕蒸汽噴射來冷卻渦旋，降低排氣溫度。

表4 ZWKS熱水器在各環(huán)境溫度下性能 — 一次加熱，55℃出水

表5 ZWKS熱水器在各環(huán)境溫度下性能 — 循環(huán)加熱，55℃出水

制取55℃熱水時(shí)，不同環(huán)境溫度下的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度在 ZWKS壓縮機(jī)運(yùn)行范圍圖對(duì)應(yīng)的運(yùn)行點(diǎn)如圖7所示。在-15℃～35℃的環(huán)境溫度下，各個(gè)運(yùn)行點(diǎn)都處在 ZWKS的安全運(yùn)行范圍內(nèi)。對(duì)于一次加熱，43℃時(shí)的蒸發(fā)溫度雖然超出上限，但很容易用降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等降低載荷的方法降低蒸發(fā)溫度，使之處于安全范圍。由圖7還可以發(fā)現(xiàn)制 55℃熱水時(shí)的各個(gè)運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的冷凝溫度距離其上限還有很大的空間，這說明ZWKS系統(tǒng)還能制出溫度更高的熱水。

圖8顯示ZWKS系統(tǒng)制60℃熱水的情況，循環(huán)加熱和一次加熱在不同環(huán)境溫度下的各個(gè)運(yùn)行點(diǎn)都處在壓縮機(jī)的安全運(yùn)行范圍以內(nèi)，并且還有一定的余量。說明ZWKS壓縮機(jī)滿足在嚴(yán)酷的低溫環(huán)境下制取60℃甚至溫度更高熱水的要求。

圖7 ZWKS熱水器制55℃熱水

艾默生對(duì)采用 ZWKS系列壓縮機(jī)的熱泵熱水器在安徽、甘肅和西藏等地進(jìn)行整個(gè)冬季的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試，結(jié)果顯示在-20 oC的環(huán)境溫度下，機(jī)組能滿足55 oC以上的熱水出水要求，與可靠性有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)均在正常范圍內(nèi)。

7 應(yīng)用前景

根據(jù)國(guó)際能源署在2007年發(fā)表的最新報(bào)告，中國(guó)每年產(chǎn)生著全世界22%的CO2。CO2是由燃燒石化燃料時(shí)排放的，它是造成地球變暖問題的主要溫室氣體。相對(duì)于傳統(tǒng)的直接燃燒化石燃料和直接使用電能的加熱裝置，熱泵熱水器可使能源效率提高（3～4）倍，這也就是說將燃燒所需的化石燃料減至1/4～1/3。因而熱泵熱水器的廣泛推廣和應(yīng)用已被認(rèn)為是環(huán)境保護(hù)中一項(xiàng)有深遠(yuǎn)意義的進(jìn)步。另外我國(guó)能源緊缺，減少資源浪費(fèi)已經(jīng)刻不容緩，如何實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康發(fā)展，節(jié)能是重中之重，政府已經(jīng)越來越關(guān)注到節(jié)能設(shè)備的推廣上來，因此熱泵熱水器必將受到社會(huì)各界更多的關(guān)注。

與現(xiàn)今龐大的熱水器市場(chǎng)相比，熱泵熱水器的的市場(chǎng)份額依舊很小，因此潛力巨大，它將是未來熱水器市場(chǎng)的全新發(fā)展方向。ZWKS熱泵熱水器專用壓縮機(jī)結(jié)合經(jīng)濟(jì)器循環(huán)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)現(xiàn)有熱泵熱水器技術(shù)的突破，它解決了低溫制熱水時(shí)排氣溫度過高的可靠性問題，同時(shí)具有優(yōu)良的運(yùn)行效率，使得熱泵熱水器的應(yīng)用可以拓展到全國(guó)冬季最低溫度-20oC的區(qū)域，覆蓋大約 90%的全國(guó)人口，具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)論

使用熱泵熱水器在節(jié)能、環(huán)保、安全等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的燃?xì)鉄崴?、電加熱水器等，但是普通型熱泵熱水器的?yīng)用受到環(huán)境溫度及出水溫度限制。艾默生ZWKS渦旋壓縮機(jī)結(jié)合經(jīng)濟(jì)器循環(huán)設(shè)計(jì)為此提供了成功的解決方案，該方案能顯著提高熱泵熱水器系統(tǒng)的工作效率，解決了低溫制熱的可靠性問題，拓展了熱泵熱水器的運(yùn)行范圍。這項(xiàng)技術(shù)適應(yīng)中國(guó)熱泵熱水器的使用要求，對(duì)熱泵熱水器應(yīng)用在中國(guó)的大范圍普及，提高能源利用效率，降低碳排放產(chǎn)生積極深遠(yuǎn)的影響。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)》GB 21362-2008[S]

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《家用和類似用途熱泵熱水器》GBT 23137-2008[S]

[3]張立毅,胡浩,李勇健,吳棹舟. 谷輪“低溫強(qiáng)熱渦旋”在熱泵式空調(diào)器中的應(yīng)用[J]. 制冷技術(shù)，2007，1：47-49[4]周東民，胡浩，李義. 高效強(qiáng)熱商用渦旋技術(shù)在熱泵空調(diào)中的應(yīng)用[J]. 供熱制冷,2009,1:46-49

[5]周東民,胡浩,李義. 高效強(qiáng)熱商用渦旋的應(yīng)用前景分析[J]. 制冷技術(shù),2009,2:42-45

[6]廣東芬尼克茲節(jié)能設(shè)備有限公司.《供暖、制冷、熱水綜合節(jié)能解決方案 商用篇》[R]

[7]廣東長(zhǎng)菱空調(diào)冷氣機(jī)制造有限公司. 《空氣源熱泵中央熱水》[R]

[8]廣州德能熱源設(shè)備有限公司. 《德能熱泵技術(shù)（廣州）研發(fā)中心》[R]

Emerson Compressor Application Engineering (34)Copeland ZWKS Scroll for Hot Water Heat Pump and the Application

Zhang Liyi*，Hu Hao，Lin Xiong
（Emerson Climate Technology(Suzhou), Inc., Suzhou 212021, China）

This article treats of the application limitations of standard air-conditioning compressors in HWHPs(Hot Water Heat Pumps) based on a technical analysis of current HWHPs and experimental results. The climate characteristics and hot water requirements in China place high demands of the technical features of the compressor, and an improved compressor to meet the operating demands of HWHP in most of China’s regions,is proposed. The new ZWKS compressor range from Emerson Climate Technologies overcomes the deficiencies of air-conditioning compressors by employing an economizer circuit. The ZWKS design features, extended working envelope and experimental results indicate that HWHPs can be efficient and reliable even when delivering hot water at low ambient temperatures. These advantages should enable development of the HWHP market in the colder regions of China which have traditionally used other energy sources to provide hot water.

hot water heat pump；enhanced vapor injection； scroll compressor；economizer cycle

*張立毅（1967-），男，高級(jí)工程師，主要從事空調(diào)冷凍壓縮機(jī)在系統(tǒng)的應(yīng)用工作。聯(lián)系地址：廣州市黃浦大道西76號(hào)富力盈隆廣場(chǎng)508室，艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)（蘇州）有限公司廣州分公司，郵編：510623，電話：020-28867663，電子郵箱：liyi.zhang@emerson.com