――理論與實踐

    【中國制冷網(wǎng)】摘要：本文對市場現(xiàn)售熱泵熱水器的儲熱型式做了客觀分析，指出了利用水溫提高這種顯熱儲存熱能方式的局限與不足，對有機相變材料應用于熱泵熱水器的理論進行了歸納和分析，提出了關于儲熱型熱泵熱水器的殘余熱量概念，以及制熱效率和使用效率的區(qū)別，本文對利用有機相變材料應用于熱泵熱水器的實驗研究做了簡單介紹，新熱泵裝置的預熱時間大幅度縮減，并且使熱泵熱水器使用結(jié)束后的“殘余熱量”大幅降低，從而達到提高熱泵熱水裝置使用效率的目的，使熱泵熱水裝置實現(xiàn)了“半即熱”的使用方式，同時使機組避開傳統(tǒng)熱泵的高溫高壓工況，為提高機組制熱效率，增加工作可靠性創(chuàng)造了條件。

    一、制熱效率和使用效率的區(qū)別：

    目前市場上在售的空氣源熱泵熱水器，結(jié)構(gòu)上通常由兩大部分組成：即裝有壓縮機及蒸發(fā)器的主機部分，和具有保溫層的保溫水箱部分，這一部分可以裝有冷凝器，也可以不裝有冷凝器，其主要功能是承擔熱水器的熱量儲存。

    保溫水箱似乎是熱泵熱水器不可或缺的重要組成部分，但是實際上，熱泵熱水器采用保溫水箱是個不得已的選擇：由于人們在淋浴時所需要的熱功率往往高達10Kw以上，（例如進水溫度為10℃，出水溫度為42℃，出水量為8L時的加熱功率即為17.86Kw），如果采用電直接加熱（即開即熱）使用，這個功率是大多數(shù)家庭的電線和電表難以承受的，所以盡管即開即熱式電熱水器的效率遠高于儲熱式電熱水器，但多數(shù)用戶還是不得不使用儲熱式電熱水器，用較長時間的加熱來儲存足夠滿足較短時間使用的熱水，而那些標稱功率范圍在5-8Kw的即開即熱式電熱水器，在寒冬季節(jié)就只能供應很小水量的熱水。

    即開即熱的熱水器，由于沒有長時間儲熱時的熱量散失，其使用效率一定比儲熱式熱水器要高，只是對安裝的要求較高，許多場合難以滿足。而加熱功率較大，并且加熱功率容易調(diào)節(jié)的燃氣熱水器，就根本不必采用儲熱裝置；只有加熱能力不足或難以調(diào)節(jié)，或者加熱時間與使用時間不一致的熱水加熱裝置，才會采用保溫水箱。

    在熱泵業(yè)內(nèi)有一個尚未引起業(yè)界的注意的問題：即“殘余熱量”，一個小型家用熱泵系統(tǒng)的保溫水箱，動輒數(shù)百升，z*小也有100升，在使用完畢后，保溫水箱內(nèi)的熱水溫度是高于使用溫度的，也就是說，它還具有相當大的“殘余熱量”，如果我們把熱泵制造熱水的效率定義為“制熱效率”的話，那么還應該有一個“總使用效率”，即用戶z*終使用的熱能與其所支付的代價之比。

    由于加熱和使用方式的不同，制熱效率與使用效率也不相同：在即開即熱的熱水器中，制熱效率與使用效率基本上是一致的，但是對儲熱式的熱水器來講則有很大的區(qū)別：保溫過程本身就是一個耗散熱量的過程，另外，在儲熱式熱水器中，還存在一個剩余熱量的問題，也就是說，當用戶使用完畢后，在儲熱水箱里一定還存在著一部分不能利用的熱量，我們稱其為“殘余熱量”，這也是所有儲熱式熱水裝置的一項重要損失。

    殘余熱量：這一點在家用熱泵熱水器中表現(xiàn)十分突出，由于熱泵熱水器難以提高熱水的溫度，為了儲存足夠的熱量，不得不配備碩大的保溫水箱，并且要靠自來水壓力方可流出熱水，冷熱水的混合使得使用完畢后，箱內(nèi)的熱水平均溫度高于使用溫度，這部分的熱量，只有在長時間的等待間隔內(nèi)散失，熱泵加熱的“制熱效率”盡管很高，但是由于“殘余熱量”的存在，會大幅度降低它的總效率。

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    在熱泵熱水器的用戶中，有相當一部分人感覺到熱泵并沒有他的宣傳者介紹的那樣節(jié)能，很多就是因為這樣的原因：過大的保溫水箱，由于冷熱水混流的原因，必然導致大量的殘余熱量，在極端的情況下，這樣的熱泵熱水器，其總效率甚至比電熱水器還低，大保溫水箱導致的使用效率下降，試舉一實例如下：

    廣東某用戶在度假別墅裝有一臺1.5匹，320升的分體式空氣源家用熱泵熱水器，假定某日在20℃環(huán)境和18℃的自來水條件下，預熱水至50℃時開始淋浴，10分鐘后結(jié)束，共使用溫度40℃的熱水60升，則其總使用熱量為1320Kcal，假定該環(huán)境溫度時熱泵熱水器制熱效率為400%，則其制熱量為9600Kcal，總耗電量為9600÷（860×4）=2.79度，折合熱量為2400Kcal，則其總使用效率僅為1320÷2400=55%，遠比電熱水器為低。

    即開即熱的熱水裝置，由于沒有儲熱損失，其使用效率一定高于儲熱式熱水裝置，對于任何加熱裝置都是如此，熱泵也不例外，但是由于熱泵加熱裝置較為復雜和昂貴，并且難于調(diào)節(jié)，所以目前熱泵熱水裝置的結(jié)構(gòu)幾乎全部為熱水儲熱式，這一方式的優(yōu)點是，可以使熱泵機組在比較好的環(huán)境溫度下工作，提高機組的效率，缺點是：

    1、不方便使用，用戶需要長時間等待，等待的時間視加熱功率和水箱容積而定；保溫過程不可避免的產(chǎn)生散熱損失；

    2、保溫水箱成本較高而且需占據(jù)較大空間，安裝運輸不便；

    3熱泵機組有一段較長的時間在高冷凝溫度下工作，降低了機組的可靠性和經(jīng)濟性，制熱效率降低；

    4、在承壓型的熱泵熱水系統(tǒng)中，用戶使用完畢后水箱內(nèi)有較大量高于使用溫度的熱水，在等待下一次使用的時間中降溫，會造成較大量的“剩余熱量”被浪費。

    二、不同的儲熱方式：顯熱儲熱和潛熱儲熱

    “一切儲熱都是不得已的”，在熱水系統(tǒng)的設計中，即熱型機組方便且節(jié)能，但是需要的功率極大，（人均高達10Kw-20Kw以上），在電、熱泵等加熱裝置中的確難于有采用的條件，所以儲熱成為不得不采用的手段，即用長時間加熱和儲蓄來滿足用戶一段時間的使用，儲熱型熱泵熱水器即是一個典型的例子。

    熱量的儲存一般有兩種方法，即顯熱儲熱和潛熱儲熱，顯熱儲熱是利用儲熱物體的溫度變化來儲存熱量，例如熱水，在保溫水箱內(nèi)，水溫的提高意味著熱量的增加，目前的熱泵熱水器，全部都是利用水的這一特點來儲存熱量的：1公斤水每提高1℃，就增加1kcal的熱量，要增加保溫水箱中的熱量，就必須提高水的溫度，在水的狀態(tài)不變的前提下，不可能有任何捷徑。

    而物體的潛熱儲熱，則有很大的不同：它是利用物體狀態(tài)（汽態(tài)、液態(tài)和固態(tài)）之間的變化來儲存熱量：物體在狀態(tài)變化過程中，溫度不變或變化很小，但是其熱“含量”變化很大：例如一公斤0℃的冰，要變成0℃的水（雖然溫度沒有變化），必須吸收80Kcal的熱量，而0℃的水要上升為1℃的水，只需要吸收1Kcal的熱量。

    在物體相變時，它的溫度不變（或者變化很?。盏臒崃坑糜诟淖冏约旱摹盃顟B(tài)”，例如從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這一儲熱方式，被稱為相變儲熱。

    在22℃環(huán)境溫度和20℃進水溫度時，對比40公斤有機相變材料和100公斤水，（因為兩者在相同溫度區(qū)間的儲熱量接近），由于有機相變材料的比熱容只有水的一半左右，所以被加熱到相變開始所需要的時間，比加熱相同重量的水到同樣溫度要快近5倍，有機相變材料預熱僅9分鐘即可使材料達到相變溫度，再加熱約30分鐘左右，即完成全部儲熱材料的相變過程，此時相變材料的潛熱儲存熱量約為9920KJ，顯熱儲存熱量3080KJ（自20℃起計至55℃時的相對儲熱量）?？們?3000KJ。

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