空氣能熱泵熱水器中的物理原理*

(1. 江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)星港學(xué)校，江蘇 蘇州 215021；(2. 蘇州大學(xué)物理與光電能源學(xué)部，江蘇 蘇州 215006)

·STS研究·

空氣能熱泵熱水器中的物理原理*

唐安琪1黃云1袁海泉2

(1. 江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)星港學(xué)校，江蘇 蘇州 215021；(2. 蘇州大學(xué)物理與光電能源學(xué)部，江蘇 蘇州 215006)

本文以空氣能熱泵熱水器的關(guān)鍵技術(shù)為載體，在與傳統(tǒng)熱水器比較的基礎(chǔ)上，分析了空氣能熱泵熱水器的物理原理，探討了影響空氣能熱泵熱水器能效比的因素，以期增加“物理·技術(shù)·社會(huì)”的教學(xué)資源。

空氣能熱泵熱水器；傳統(tǒng)熱水器；能效比；目標(biāo)溫度

空氣能熱泵熱水器是一種能從自然界的空氣獲取低品位熱能，經(jīng)過(guò)電力做功，提供可被人們所用的熱水內(nèi)能的裝置。熱泵理論起源于十九世紀(jì)早期法國(guó)科學(xué)家薩迪·卡諾,卡諾在1824年首次提出“卡諾循環(huán)”理論，英國(guó)科學(xué)家開(kāi)爾文于1850年提出：冷凍裝置可以用于加熱，之后許多科學(xué)家和工程師對(duì)熱泵進(jìn)行了大量研究。目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家的空氣能熱泵熱水器普及率已超過(guò)了70%。在我國(guó)空氣能熱泵也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢(shì)，熱泵熱水器已經(jīng)被科技部列入“火炬計(jì)劃”，各大電器廠(chǎng)商都相繼開(kāi)發(fā)出空氣能熱水器。

在物理教學(xué)中作為實(shí)例引入空氣能熱泵，可幫助中學(xué)生加深對(duì)能量概念的理解，提升節(jié)能意識(shí)，認(rèn)識(shí)“物理·技術(shù)·社會(huì)”的聯(lián)系。

1 空氣能熱泵熱水器與傳統(tǒng)熱水器的比較分析

圖1

某知名品牌空氣能熱泵熱水器與傳統(tǒng)熱水器技術(shù)參數(shù)比較如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)它們的制熱效率有著顯著差異，空氣能熱泵熱水器的制熱效率達(dá)到400%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃?xì)鉄崴骱碗姛崴?。為什么空氣能熱水器和電熱水器的制熱效率相差如此之大，多出?lái)的300%的能量從何而來(lái)？

其中1kcal是將1千克水的溫度升高1℃所需的熱量，即1kcal=4186J，1度=1kW·h=860kcal，假設(shè)三口之家每天消耗的熱水為200L，溫度從20℃加熱到50℃，則所需要的能量為6000kcal。如果使用空氣能熱水器則消耗的電量?jī)H為1.74度，而使用電熱水器需要消耗的電量為7.34度。

由于空氣能熱泵熱水器采用了熱泵技術(shù)，可將大量低品位的熱能(空氣中的熱量)通過(guò)壓縮機(jī)和制冷劑，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏目衫玫臒崮?，能效比?.0以上，即空氣能熱泵熱水器的壓縮機(jī)每耗電1kWh，可產(chǎn)生電加熱消耗3kWh產(chǎn)生的熱水，極大地節(jié)省了能源。

2 空氣能熱泵熱水器的結(jié)構(gòu)

空氣能熱泵熱水器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置、保溫水箱、水泵等組成。

圖2

壓縮機(jī)是熱泵熱水器的心臟，其功能和工作原理與蒸汽壓縮式制冷裝置的壓縮機(jī)相同，但是，由于熱泵壓縮機(jī)一年四季都要使用，工作時(shí)間長(zhǎng)，工作環(huán)境溫度、濕度和浮塵情況變化極大，冷凝溫度高、冬季環(huán)境溫度低，熱泵冷熱端的工作溫差大，運(yùn)行條件惡劣，所以熱泵熱水器對(duì)壓縮機(jī)有更高的要求。

蒸發(fā)器是直接完成從空氣中吸取熱量的器件，空氣能熱水器的蒸發(fā)器全部采用管翅式結(jié)構(gòu)。制冷劑從節(jié)流裝置里噴出后溫度是非常低的(低于常溫)，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器的時(shí)候制冷劑通過(guò)銅管和翅片吸收空氣中的熱量，帶著這些吸收來(lái)的熱量，制冷劑又進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行下一次的循環(huán)。

冷凝器把壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸氣，通過(guò)散熱冷凝為液體制冷劑，制冷劑從蒸發(fā)器中吸收的熱量，被冷凝器周?chē)慕橘|(zhì)(大氣)所吸收。冷凝器主要分為三大類(lèi)：對(duì)全部容積的水直接進(jìn)行加熱的容積式冷凝器；對(duì)全部的水起循環(huán)加熱的循環(huán)加熱式冷凝器；一次性將水的溫度加熱到設(shè)定溫度，再輸送至保溫水箱的直熱式冷凝器(配裝定溫出水閥)。

節(jié)流裝置在換熱過(guò)程中起到很大的作用，常溫高壓的換熱介質(zhì)流過(guò)節(jié)流閥時(shí)，會(huì)變成低溫低壓的介質(zhì)，從而就可以向外界環(huán)境進(jìn)行換熱；節(jié)流裝置還起著調(diào)節(jié)制冷劑流量，建立系統(tǒng)高低壓力差的重要作用；節(jié)流裝置還具有控制蒸發(fā)器出口冷媒過(guò)熱的功能，以及控制蒸發(fā)器液位，這樣可以保持蒸發(fā)器換熱面積得到充分地利用，同時(shí)還能防止吸氣帶損害壓縮機(jī)。節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)可以極其簡(jiǎn)單，如毛細(xì)管，也可以相對(duì)復(fù)雜，如熱力膨脹閥、電子膨脹閥和膨脹機(jī)。

與電熱水器一樣，當(dāng)熱泵無(wú)法滿(mǎn)足即開(kāi)即熱的使用要求時(shí)，就必須采用儲(chǔ)熱的保溫水箱來(lái)存儲(chǔ)預(yù)制的熱水。水箱的作用就是儲(chǔ)存熱水，接上水管后先注滿(mǎn)水，啟動(dòng)主機(jī)后氟利昂制冷劑經(jīng)過(guò)水箱冷凝放熱，將熱量轉(zhuǎn)移給水，水逐漸被加熱。

水泵按功能的不同分為循環(huán)加熱水泵、回水泵和供水泵。它們作用各不相同：循環(huán)加熱水泵對(duì)保溫水箱內(nèi)的水起循環(huán)加熱的作用；回水泵起維持熱水管網(wǎng)溫度的作用；供水泵起輸送熱水至使用端口并維持一定壓力的作用。為避免供水泵過(guò)于頻繁啟動(dòng)，可以在系統(tǒng)中配置壓力罐或采用變頻水泵。

3 空氣能熱泵熱水器的物理原理

空氣能熱泵熱水器是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理工作的，低溫低壓的制冷劑經(jīng)節(jié)流裝置膨脹降壓后，進(jìn)入空氣交換機(jī)中蒸發(fā)吸熱，從空氣中吸收大量的熱量Q2；蒸發(fā)吸熱后的制冷劑以氣態(tài)形式進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮后，變成高溫高壓的制冷劑，此時(shí)制冷劑中所蘊(yùn)藏的熱量分為兩部分：一部分是從空氣中吸收的熱量Q2，一部分是輸入壓縮機(jī)中的電能在壓縮制冷劑時(shí)轉(zhuǎn)化成的熱量Q1；被壓縮后的高溫高壓制冷劑進(jìn)入熱交換器，將其所含熱量(Q1+Q2)釋放給進(jìn)入熱換熱器中的冷水，冷水被加熱到60℃直接進(jìn)入保溫水箱儲(chǔ)存起來(lái)供用戶(hù)使用；放熱后的制冷劑以液態(tài)形式進(jìn)入膨脹機(jī)構(gòu)，節(jié)流降壓，如此不間斷進(jìn)行循環(huán)。冷水獲得的熱量(Q3)=制冷劑從空氣中吸收的熱量(Q2)+驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電能轉(zhuǎn)化成的熱量(Q1)，在標(biāo)準(zhǔn)工況下：Q2=3.6Q1，即消耗1份電能，得到4.6份的熱量。

圖3 空氣能熱泵熱水器的物理原理

逆卡諾循環(huán)是由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成(如圖3)，假設(shè)低溫?zé)嵩?即被冷卻物體)的溫度為T(mén)2，高溫?zé)嵩?即環(huán)境介質(zhì))的溫度為T(mén)1，則工質(zhì)的溫度在吸熱過(guò)程中為T(mén)2，在放熱過(guò)程中為T(mén)1，就是說(shuō)在吸熱和放熱過(guò)程中工質(zhì)與冷源及高溫?zé)嵩粗g沒(méi)有溫差，即傳熱是在等溫下進(jìn)行的，壓縮和膨脹過(guò)程是在沒(méi)有任何損失情況下進(jìn)行的。其具體循環(huán)過(guò)程為：首先工質(zhì)通過(guò)膨脹閥進(jìn)行等溫膨脹過(guò)程D→C，即在T1下從空氣中吸取熱量Q1；然后通過(guò)壓縮機(jī)絕熱壓縮經(jīng)過(guò)過(guò)程C→B，使其溫度由T1升高至熱水的目標(biāo)溫度T2；再在T2下進(jìn)行等溫壓縮B→A，并向環(huán)境介質(zhì)(即高溫?zé)嵩?放出熱量Q2，最后再進(jìn)行絕熱膨脹A→D，使其溫度由T2降至T1,使工質(zhì)回到初始狀態(tài)D，從而完成一次循環(huán)。

通過(guò)讓制冷劑如R22(氫氯氟烴類(lèi))不斷完成蒸發(fā)(吸取環(huán)境中的熱量)—壓縮—冷凝(放出熱量)—節(jié)流—再蒸發(fā)的循環(huán)過(guò)程，將空氣的能量轉(zhuǎn)移到水中。熱泵熱水器載熱工質(zhì)的循環(huán)是：在低壓液態(tài)下吸收環(huán)境空氣的熱能，在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)汽化，通過(guò)壓縮機(jī)的工作提高R22的溫度，再通過(guò)冷凝器使R22冷凝為液態(tài)，同時(shí)釋放其能量并傳給水箱中的水，達(dá)到制取熱水的目的。

熱泵在工作時(shí)，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量Q1在蒸發(fā)器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機(jī)耗電W；通過(guò)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進(jìn)行放熱Q2，Q2=Q1+W，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機(jī)做的功W和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量Q1之和；因此，采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量的電能。

4 影響空氣能熱泵能效比的因素

熱泵技術(shù)是一種提高能量品位的技術(shù)，它不是能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程，不受能量轉(zhuǎn)換效率極限100%的制約，而是受逆卡諾循環(huán)效率的制約。其傳遞熱量的能力與投入熱泵的電能之比稱(chēng)為制熱性能系數(shù)又稱(chēng)能效比(用COP來(lái)表示)。[6]

事實(shí)上影響熱水器的能效比主要有：機(jī)器性能、環(huán)境溫度、初始溫度和目標(biāo)溫度，但在循環(huán)制熱過(guò)程某一瞬間，實(shí)際影響機(jī)器工作性能的溫度指標(biāo)就是環(huán)境溫度和循環(huán)水溫這兩個(gè)溫度指標(biāo)。這兩個(gè)指標(biāo)與冷凝溫度和蒸發(fā)溫度有著某種對(duì)應(yīng)關(guān)系：在一定的環(huán)境溫度中工作，循環(huán)水溫越高，冷凝溫度也會(huì)越高，蒸發(fā)溫度也會(huì)緩慢有所上升。一般冷凝溫度比循環(huán)水溫高3～8℃，蒸發(fā)溫度比環(huán)境溫度低5～10℃。

高能效的機(jī)組總是盡量降低冷凝溫度、提高蒸發(fā)溫度，為了換熱充分，高能效機(jī)組均要增加成本，加大冷凝器(水熱交換器)和蒸發(fā)器(空氣熱交換器)換熱面積，這是高能效熱泵機(jī)組成本要增加的主要原因。

4.1 環(huán)境氣溫

圖4給出了某款空氣能熱水器在不同氣溫狀況下產(chǎn)出50℃水循環(huán)加熱瞬間的性能參數(shù)曲線(xiàn)，可以看出，氣溫越低，能效比越低，當(dāng)環(huán)境溫度降到-5℃時(shí)，產(chǎn)品的能效比已經(jīng)低于1。并且，在測(cè)試和計(jì)算這個(gè)性能參數(shù)的耗電量還不包括循環(huán)水泵的耗電量，如果增加了循環(huán)水泵的功耗，此時(shí)系統(tǒng)性能參數(shù)會(huì)更低。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)氣溫比較低時(shí)空氣能熱泵熱水機(jī)的能效比是可能低于1的，這個(gè)狀態(tài)下的空氣能加熱性能也許還不如電加熱。

圖4

前述公式無(wú)法解釋這個(gè)現(xiàn)象，問(wèn)題在于壓縮機(jī)工作過(guò)程中電能不能100%轉(zhuǎn)換成熱能，式中W是默認(rèn)可以100%轉(zhuǎn)換成了制熱水的熱能。但事實(shí)上由于各種損失諸如摩擦、泄漏、有害傳熱、電機(jī)損失、流動(dòng)阻力、噪聲振動(dòng)等的存在，進(jìn)行100%能源轉(zhuǎn)換是不可能的，壓縮機(jī)工作過(guò)程中必然會(huì)發(fā)生各種無(wú)法逆轉(zhuǎn)的損耗。這個(gè)損耗具體有多大呢？

以電能為驅(qū)動(dòng)能源的壓縮機(jī)的電機(jī)與普通電機(jī)一樣，有著相應(yīng)的電機(jī)效率。電機(jī)輸出的功率除以電機(jī)輸入的功率就是電機(jī)效率。電機(jī)效率是個(gè)隨工況變化的曲線(xiàn)，配置較好的高能效壓縮機(jī)的電機(jī)效率在0.78～0.82之間，除濕機(jī)的壓縮機(jī)電機(jī)效率往往只有70%。

空氣源熱泵熱水機(jī)的耗能部件主要有：壓縮機(jī)、蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)、循環(huán)水泵、四通閥線(xiàn)圈、待機(jī)能耗等。壓縮機(jī)是熱泵的主要耗能元件，約占總能耗的80%以上。因此，壓縮機(jī)效率的提高將直接帶來(lái)熱泵效率的提高。

4.2 目標(biāo)溫度

能效比除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與被加熱的水的目標(biāo)溫度有關(guān)，圖5為環(huán)境溫度為20℃時(shí)不同出水溫度時(shí)的能效比曲線(xiàn)圖，由圖中可以看出：被加熱的水目標(biāo)溫度越低，熱泵的能效比越高。因此，用戶(hù)在使用熱泵熱水器時(shí)，只要將水加熱到不摻冷水、能直接洗浴的溫度時(shí)(例如加熱到40℃)，是一種最節(jié)能的用水方法。而且在較低的水溫下壓縮機(jī)的壓力也較低，對(duì)延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命也十分有益。

圖5

因?yàn)槭艿綁嚎s機(jī)和配管所能承受的壓力影響，水溫越高，壓縮機(jī)所需做功越大，排氣溫度也越高，承受的壓力也就越大，壓縮機(jī)和配管特別是排氣管耐壓能力不夠、壓力太大時(shí)容易發(fā)生熱水器故障，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，一般只會(huì)把溫度上限設(shè)置為60℃，以保護(hù)整個(gè)機(jī)組正常運(yùn)行，超過(guò)60℃，或者是排氣溫度超過(guò)110℃熱水器就會(huì)自動(dòng)保護(hù)關(guān)機(jī)。

[1]周峰,馬國(guó)遠(yuǎn).空氣能熱泵熱水器的現(xiàn)狀及展望[J].節(jié)能,2006,(7):13-16.

[2]張劍.空氣能熱泵技術(shù)在學(xué)生宿舍供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].河南科技,2013,22(11):117.

[3]黃來(lái),陸佳政,羅志坤等.空氣能熱泵技術(shù)在賓館熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].湖南電力,2012,32(12):62-64.

[4]劉國(guó)雙.空氣源熱泵COP值與節(jié)能應(yīng)用探討[J].山西建筑,2009,35(22):193-194.

[5]蔣綠林,張曄.空氣源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)研究[J].江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,21(1):57-59.

[6]徐點(diǎn)點(diǎn).淺談空氣能熱水器“能效比”的科學(xué)探究[J].湖南中學(xué)物理,2011,(12):34-38.

[7]李志真.空氣能熱水器的工作原理[J].物理教學(xué)探討,2011,29(11):65-66.

* 本文系蘇州工業(yè)園區(qū)“十三五”教育科研課題“基于‘類(lèi)比式支架’的初中物理教學(xué)實(shí)踐研究”(2016030)的成果之一。