節(jié)能壁掛式電熱水器研發(fā)中熱泵技術(shù)的運(yùn)用

王秀峰

[摘 ? ?要]分析了基于熱泵技術(shù)的節(jié)能電熱水器運(yùn)行原理，并提出了一種基于熱泵技術(shù)的節(jié)能壁掛式電熱水器系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)方案，主要從節(jié)能熱水器熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、保溫水箱模塊設(shè)計(jì)、熱泵模塊設(shè)計(jì)、熱水器模塊總成這幾方面入手，對該設(shè)計(jì)方案內(nèi)容進(jìn)行了全面闡述，并以某高校的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行成效分析。結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)方案具有良好的節(jié)能效果，加熱成效也相對理想。

[關(guān)鍵詞]熱泵技術(shù);節(jié)能壁掛式電熱水器;保溫水箱

[中圖分類號]TM925.32 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]This paper briefly explains the operation principle of energy-saving electric water heater based on heat pump technology， and puts forward an R & D and design scheme of energy-saving wall mounted electric water heater system based on heat pump technology， mainly from the aspects of energy-saving water heater heat pump system design， thermal insulation water tank module design， heat pump module design and water heater module assembly， This paper comprehensively expounds the content of the design scheme， and analyzes the effect with an application example of a university. The results show that the design scheme has good energy-saving effect and relatively ideal heating effect.

[Keywords]heat pump technology; energy saving wall mounted electric water heater; thermal insulation water tank

在進(jìn)行電熱水器的研發(fā)過程中，需要重點(diǎn)把握其加熱性能以及節(jié)能性能，此時(shí)，可以在其中引入熱泵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能式電熱水器的設(shè)計(jì)。

1 基于熱泵技術(shù)的節(jié)能電熱水器運(yùn)行原理分析

對于基于熱泵技術(shù)的節(jié)能壁掛式電熱水器而言，其節(jié)能性能主要依托降低電能消耗的方式體現(xiàn)。在熱泵的支持下，空氣內(nèi)包含的熱能轉(zhuǎn)移至水中，保證電熱水器實(shí)際加熱成效達(dá)標(biāo)的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能效果。對于其中所加設(shè)的熱泵單元而言，壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)及其底座結(jié)構(gòu)、掛架等零部件共同構(gòu)成該單元結(jié)構(gòu)，在加熱過程中的運(yùn)行原理（圖1）主要如下：依托壓縮機(jī)的運(yùn)行，熱泵制冷劑會由原本的低溫飽和氣態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟扰c壓力均相對較高的氣態(tài)，此時(shí)的主要操作為壓縮處理;引導(dǎo)制冷劑向著冷凝器的內(nèi)部進(jìn)行迅速轉(zhuǎn)移，在冷凝器的支持下促使原有的熱氣態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樘幱陲柡蜖顟B(tài)的氣態(tài);隨后再轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)（經(jīng)過冷凝），依托上述流程操作的落實(shí)，能夠?qū)⒋罅康臒崮茚尫懦鰜?在冷凝器的支持下，這些熱量交換至水中，從而達(dá)到對水箱內(nèi)的水展開加熱處理的效果;結(jié)合毛細(xì)管內(nèi)設(shè)置的干燥過濾器的作用，可以將制冷劑轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)中，由此驅(qū)動(dòng)制冷劑的壓力在相對較短的時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢，使得熱泵制冷劑從原有的液體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為氣體結(jié)構(gòu)（一般轉(zhuǎn)化為飽和氣態(tài)），并依托這一流程實(shí)現(xiàn)對空氣內(nèi)大量熱量的吸收;針對處于飽和氣態(tài)的熱泵制冷劑進(jìn)行匯總，并將其引入壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)，循環(huán)上述流程操作[1]。

同時(shí)，該電熱水器存在兩種運(yùn)行模式，即速熱模式與節(jié)能模式。其中，在速熱模式下，自動(dòng)落實(shí)水溫、環(huán)境溫度檢測，在條件滿足時(shí)啟動(dòng)加熱棒與熱泵進(jìn)行快速加熱，水溫提升至50 ℃后熱泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)入停止運(yùn)行狀態(tài)，而加熱棒持續(xù)運(yùn)行，直至水溫達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值;在節(jié)能模式下，自動(dòng)落實(shí)水溫、環(huán)境溫度檢測，在條件滿足時(shí)啟動(dòng)熱泵進(jìn)行快速加熱，水溫提升至50 ℃后熱泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)入停止運(yùn)行狀態(tài)，切換至加熱棒加熱狀態(tài)，直至水溫達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值。

2 基于熱泵技術(shù)的節(jié)能壁掛式電熱水器系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)方案分析

2.1 節(jié)能熱水器熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

空氣平均溫度設(shè)定為20 ℃;針對該熱水器內(nèi)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境溫度，在本次系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)中主要維持在不低于10 ℃且不超過43 ℃;針對該熱水器內(nèi)熱泵系統(tǒng)的加熱水溫度，在本次系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)中主要維持在不低于15 ℃且不超過50 ℃;平均熱水量維持20L/h。

在本次研究中，主要在節(jié)能熱水器的熱泵系統(tǒng)內(nèi)加設(shè)翅片管式蒸發(fā)器，在提取空氣轉(zhuǎn)移出蒸發(fā)器的過程中，溫度要求控制在16 ℃左右即可;由于該溫度數(shù)值與熱泵制冷劑蒸發(fā)溫度之間存在著約10 ℃的差值，由此可以了解到，本次節(jié)能熱水器的熱泵系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)中，熱泵制冷劑蒸發(fā)溫度維持在6 ℃左右。主要在節(jié)能熱水器的熱泵系統(tǒng)內(nèi)加設(shè)鋼盤管（即冷凝器），為保持熱泵冷凝器的冷凝溫度與加入熱水溫度之間存在著5 ℃的差值，則在實(shí)際的設(shè)計(jì)中使冷凝溫度維持在55 ℃左右即可。節(jié)流部件主要選用毛細(xì)管，因?yàn)槠涔?jié)流值始終維持在恒定狀態(tài)，所以可以對不同工況條件下的運(yùn)行需求進(jìn)行滿足。實(shí)踐中，在熱水器設(shè)計(jì)與構(gòu)建之前，必須要落實(shí)對多樣性工況下（常見運(yùn)行條件、特殊運(yùn)行條件）的重要參數(shù)（如毛細(xì)管規(guī)格、制冷劑充注量）驗(yàn)證，并由此確定出的最優(yōu)參數(shù)。同時(shí)，設(shè)定各種關(guān)鍵參數(shù)如下所示：制熱量控制在705 W;功率控制在215 W;風(fēng)壓維持在28 Pa、風(fēng)量設(shè)置為130 m3/h。

2.2 節(jié)能熱水器模塊化設(shè)計(jì)

基于熱泵技術(shù)的節(jié)能電熱水器內(nèi)含大量零部件，且結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度相對較高，因此，為了更好保證熱水器的性能，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中主要應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)的方式，對所有零部件位置展開合理性設(shè)定，以此促使整個(gè)基于熱泵技術(shù)的節(jié)能電熱水器的結(jié)構(gòu)緊密程度提升，達(dá)到提高熱水器生產(chǎn)組裝效率的效果，也為后續(xù)維護(hù)工作的展開提供更好條件支持。本研究中所提出的基于熱泵技術(shù)的節(jié)能電熱水器可以細(xì)化為兩部分主要結(jié)構(gòu)，即保溫水箱模塊以及熱泵模塊。其中，保溫水箱模塊中所包含著的硬件結(jié)構(gòu)有冷凝器、陽極棒、水箱等;熱泵模塊中所包含著的硬件結(jié)構(gòu)有干燥過濾器、壓縮機(jī)、毛細(xì)管、蒸發(fā)器等。對于這兩大功能模塊，主要使用結(jié)構(gòu)件完成連接，促使其固定為一個(gè)整體。

2.2.1 保溫水箱模塊設(shè)計(jì)

圖2為保溫水箱模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。參考傳熱面積，實(shí)現(xiàn)對冷凝器的成盤管制作中的鋼管長度數(shù)值的確定，同時(shí)針對鋼管表面依托搪瓷工藝完成處理，以此實(shí)現(xiàn)對成盤管防結(jié)垢、防腐蝕性能的提升。在鋼盤管的焊接操作中，主要在底蓋位置完成，并提前將進(jìn)氣配管、出氣配管分別與鋼盤管中所規(guī)劃的進(jìn)口位置與出口位置進(jìn)行一一對應(yīng)的配置與連接;在桶體結(jié)構(gòu)中加設(shè)進(jìn)水管，針對頂蓋位置落實(shí)高質(zhì)量的焊接處理，組建起桶體的整體性結(jié)構(gòu)組件;依托搪瓷工藝實(shí)施表面處理，以此達(dá)到強(qiáng)化桶體整體性結(jié)構(gòu)組件的防結(jié)垢、防腐蝕性能增強(qiáng);為實(shí)現(xiàn)各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的連接，主要利用焊接的方式對桶體以及鋼盤管的底蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，總體構(gòu)成內(nèi)膽組建。在外殼結(jié)構(gòu)中選取一端，引入焊接環(huán)處理，促使焊接環(huán)與卡扣槽結(jié)構(gòu)之間實(shí)現(xiàn)固定連接，并促使其與罩殼完成連接。在此基礎(chǔ)上，出于對進(jìn)一步提升內(nèi)膽結(jié)構(gòu)實(shí)際保溫成效的考量，針對內(nèi)膽組件與外殼之間所存在的空隙，可以利用聚氨酯整體發(fā)泡工藝落實(shí)處理，由此構(gòu)建起性能更為理想的保溫水箱模塊。

2.2.2 熱泵模塊設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)及其底座結(jié)構(gòu)、掛架、渦殼等零部件共同構(gòu)成熱泵模塊，將冷凝器結(jié)構(gòu)加設(shè)在保溫水箱內(nèi)，基于此，不需要在熱水器的熱泵模塊中引入冷凝器。結(jié)合對風(fēng)機(jī)直徑、換熱面積等參數(shù)的綜合分析與考量，落實(shí)對蒸發(fā)器寬度、長度等參數(shù)的確定，同時(shí)在其下方位置加設(shè)集水槽，保證熱水器運(yùn)行中所產(chǎn)生的冷凝水能夠得到及時(shí)且全面的收集、匯總[2];在外接導(dǎo)流管的支持下，相應(yīng)冷凝水可以迅速排出。為了更好保證蒸發(fā)器在換熱操作中能夠顯現(xiàn)出更為理想的均勻性，在本次節(jié)能熱水器的研發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，主要在蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)與風(fēng)機(jī)扇葉結(jié)構(gòu)之間引入導(dǎo)風(fēng)渦殼，并使用弧形設(shè)計(jì)的形式落實(shí)其表面設(shè)計(jì)，從而達(dá)到降低流阻的效果，同時(shí)促使蒸發(fā)器的實(shí)際出風(fēng)均勻性水平始終保持在理想水平，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行噪音的有效控制。在風(fēng)機(jī)安裝座上，進(jìn)行風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)扇葉的合理且牢固固定，并在風(fēng)機(jī)安裝座的另一端位置加設(shè)渦殼結(jié)構(gòu);結(jié)合熱泵大掛架的應(yīng)用，讓多個(gè)結(jié)構(gòu)配合運(yùn)行，并從物理上組成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，共同組建起熱泵模塊。

2.2.3 熱水器模塊總成

對于熱水器模塊總成來說，其主要承擔(dān)著將保溫水箱模塊與熱泵模塊連接整合為一個(gè)整體的任務(wù)，即完成多個(gè)功能模塊的固定集成，最終實(shí)現(xiàn)對基于熱泵技術(shù)的節(jié)能電熱水器的設(shè)計(jì)與構(gòu)造。同時(shí)，在風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的生產(chǎn)運(yùn)行階段，噪聲的生成不可避免，且會隨著連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的增長而出現(xiàn)運(yùn)行噪聲增大的現(xiàn)象，所以在本研究的設(shè)計(jì)中，將隔音降噪結(jié)構(gòu)加設(shè)在塑料殼罩中;使用卡扣連接外殼與塑料殼罩，由此構(gòu)建起包含熱泵的節(jié)能壁掛式電熱水器。在該電熱水器的實(shí)際安裝過程中，保留原有的掛板固定模式。由于在本次設(shè)計(jì)中，主要在節(jié)能壁掛式電熱水器增設(shè)了熱泵模塊，所以其總長度表現(xiàn)出增加的狀態(tài)，平均增長200 mm;相比于傳統(tǒng)熱水器，基于熱泵技術(shù)的節(jié)能壁掛式電熱水器在安裝固定過程中所應(yīng)用的方法基本保持一致[3]。

2.3 節(jié)能熱水器的性能優(yōu)勢與改善成效分析

2.3.1 節(jié)能熱水器的性能優(yōu)勢

在該熱水器系統(tǒng)中，熱水的提供主要依托空氣源熱泵完成，由于熱泵供給大量熱源，所以不需要投入電力擴(kuò)容，節(jié)能效果十分顯著。同時(shí)，該節(jié)能熱水器還具有高效運(yùn)行、遠(yuǎn)程監(jiān)測、熱水供應(yīng)充足、多種模式設(shè)計(jì)、安全環(huán)保及智能除霜六大優(yōu)勢加持，可全天候提供恒溫舒適的生活熱水，具體介紹如下。

①高效穩(wěn)定運(yùn)行。該節(jié)能熱水器主要使用高壓比變頻壓縮機(jī)，可實(shí)現(xiàn)大范圍環(huán)境溫度下（最低-20 ℃，最高43 ℃）制取熱水。②遠(yuǎn)程監(jiān)測?？蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，隨時(shí)掌握機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)，也可根據(jù)用戶的使用需求實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)和定時(shí)運(yùn)行。③熱水供應(yīng)充足。熱水量充足，水箱大小可根據(jù)用戶需求進(jìn)行不同配置，確保用戶的熱水供應(yīng)量。④多種模式設(shè)計(jì)。提供壓縮機(jī)共振點(diǎn)屏蔽模式、制熱加速模式、省電模式等多種模式選擇。⑤安全環(huán)保。完全實(shí)現(xiàn)水電分離，并采用R410A環(huán)保冷媒。⑥智能除霜。低溫環(huán)境下智能除霜，避免出現(xiàn)無霜化霜而導(dǎo)致熱量損失。

2.3.2 節(jié)能熱水器性能改善的成效分析

某高校在優(yōu)化改造項(xiàng)目中，選用本研究提出的基于熱泵技術(shù)的節(jié)能壁掛式電熱水器系統(tǒng)替代原有的電熱水器。該高校的基本情況如下所示：高校共有2個(gè)校區(qū)，總建筑面積為32.86萬m2，學(xué)校全日制在校生14961人，全校教職工871人。項(xiàng)目改造前，學(xué)校采用電熱水器進(jìn)行熱水供應(yīng)，1個(gè)宿舍安裝1個(gè)電熱水器，不僅運(yùn)行效果不佳、安全性不高，而且運(yùn)行費(fèi)用非常高，每年的電費(fèi)在500萬元左右。而改用熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行熱水供應(yīng)后，設(shè)計(jì)熱水機(jī)組每天運(yùn)行8 h左右，日均產(chǎn)熱水300 t，能夠24 h為學(xué)校師生提供生活熱水，不僅能穩(wěn)定提供熱水，安全性強(qiáng)，而且節(jié)能性非常明顯。學(xué)校使用該熱泵提供熱水供應(yīng)，熱水機(jī)組每天平均供應(yīng)8 h，預(yù)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用為每年100萬元，改造后學(xué)校每年可節(jié)省電費(fèi)約400萬元。綜合來看，基于熱泵技術(shù)的節(jié)能壁掛式電熱水器系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益明顯，且運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性理想。

3 結(jié)束語

依托熱泵技術(shù)降低節(jié)能壁掛式電熱水器的能源消耗能夠收獲更為理想的成效，通過設(shè)置保溫水箱模塊、熱泵模塊，進(jìn)行熱水器模塊總成，并設(shè)定速熱模式與節(jié)能模式這兩種運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)了壁掛式電熱水器實(shí)際加熱效果的維護(hù)，并對其節(jié)能效果進(jìn)行了提升。實(shí)際應(yīng)用案例表明，基于熱泵技術(shù)的節(jié)能壁掛式電熱水器系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益明顯，且運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性理想，因此有著較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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