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武汉空气源热泵技术之五:为什么空气源热泵热

家用空气源热泵热水器和小型商用空气源热泵热水机的最大安装问题差不多就是水箱了。水箱容积小了不够用,水箱容积大了摆放就成了问题。于是,市场营销人员就质疑:为什么空气源热泵热水机需要水箱,为什么不能做成即热式的空气源热泵热水机?于是,近两年来,市场上有厂家推出 “无水箱的空气源热泵热水机”,吸引了多多眼球。
这本是很简单的问题,但涉及到产品设计、推广和使用的全过程,是个产品定位的基本问题,所以有必要进一步进行论证和阐述。
一、         空气源热泵机组冬夏制热量的差异难以保证及时供热水量
前文图一不同环境温度下制热量变化曲线给出的数据表明,环境温度5℃时的制热量是环境温度20℃时制热量的2/3,环境温度-5℃时的制热量是环境温度20℃时制热量的1/3。这个数据是在进水温度随气温而变化、出水温度为55℃情况下获得的,如果出水温度是40℃或者45℃,这个比例基本不变。简单的说,如果春秋季节空气源热泵供热水量为每小时600升的话,环境温度5℃时的供热水量为每小时400升左右,到了环境温度-5℃时供热水量将变为每小时200升左右。
从需求端来分析,冬季热水需求流量往往只会增大而不会减少,这和空气源热泵的制热性能是刚好相反的,如果按照冬季热水流量来设计机组,必然使得春夏秋三季空气源热泵产生的热能无处排放,无法保证空气源热泵机组的正常工作。所以无法简单设计出一个机组,既能够保证冬季用水,又能够控制春夏秋季节的供水量。
能否设计双压缩机系统甚至是多压缩机系统来解决热水阶梯供应问题呢?或者直接用变频技术来调节空气源热泵的工作能力,保证出热水量?从理论上分析,这是可行的。但考虑到产品经济性问题,特别是在常规空气源热泵热水机产品还没有普及的初级阶段,开发一种价格上万、体形庞大、只能满足一个喷头使用的即热式热水机,如何推广?
二、         “无水箱的空气源热泵热水机”藏有玄机
可偏偏市场上就有“无水箱的”、“直供水的”空气源热泵热水机产品在销售。这类产品本人没有接触过,也没有经过实际测试。但一个的水箱供应商明确告诉我,他在给一个“直供水”的空气源热泵热水机生产商配套带有盘管的小水箱,水箱内带有配套的换热盘管,同时配置辅助电加热。
难道这就是“无水箱”的秘密么?
熟悉空气源热泵空调产品的人都知道,压缩机通电后有个稳态的建立过程,在此过程中,制热量由小到大逐渐增大,由开机到稳定运行大约有2-4分钟时间。所以,直供水机组首先需要解决开机阶段的热水供应问题。带有个小水箱,保证机组初始“无热”阶段的热水供应,解决用水舒适性和连续性问题。
同时,小水箱是个热能缓冲区,空气源热泵制热水量与客户用水量无法保证一一对应,当单位制热量超过单位用水量时,热能存储到小水箱中,直到小水箱的水温达到上限温度,空气源热泵停机。当单位制热量低于单位用水量时,用户首先会使用小水箱中存储的热水,当小水箱中热水用完后水温才会逐渐降低,直至无法使用。配备辅助电加热,弥补空气源热泵机组冬季制热量的衰减,保证了产品全年制热水的稳定性。
三、         直出水空气源热泵产品的成本很高
这难道不是非常完美的不需要大水箱的空气源热泵产品么?用户实际用水温度只要40-45℃就可以了,无水箱产品主要是将冷水加热到40-45℃直接供用户使用,回避了难以克服的高温热水过程中压缩机高压比问题,从而保持了产品的高效节能特性,同时也节约很多热水保温能耗。
实际过程中成本和实际性能影响着这种“无水箱的空气源热泵热水机”的推广:

按照舒适水流量每小时500L来计算,将水温由5℃加热到42℃每小时需要功率21KW,即使是使用最小水流量300 L来计算,系统需要的输出功率也要达到12.6KW。图二十给出了五匹循环加热式空气源空气源热泵热水机在不同环境温度下制热量的变化曲线。可以看出,环境温度下降,空气源空气源热泵的制热量也随之下降,而气温低于5℃左右时,五匹空气源热泵也将无法提供水温42℃水流量每小时300L热水的制热热能。
所以,为了实现在最低环境温度5℃状况下热水供应,“无水箱的空气源热泵热水机”需要至少配置5匹的压缩机。而市场上一个带有200L水箱的家用空气源热泵热水机售价在5000元左右,而五匹空气源热泵的价格往往在10000元以上,且这样的“无水箱”产品往往只能保证一个喷头正常用热水。由此看来,“无水箱的”空气源热泵热水机走进百姓家庭并不那么容易。
四、         带有电加热的产品的节电能力会按比例下降
为了降低产品成本,许多“直出水的”空气源热泵热水机采用三匹甚至是两匹的压缩机来工作。空气源热泵制热量的不足用辅助电加热来补充。但产品的标称性能往往是环境温度20℃左右的没有使用辅助电加热的数据,而有辅助电加热工作的系统性能参数往往没有标注。实际情况下,带有辅助电加热与否,对产品的节电效果有直接的影响。
为了便于说明电加热对系统节电能力的影响,本文做个简单推算。假设空气源热泵机组工作性能系数为3,电加热的热效率为100%,空气源热泵输出热能与辅助电加热热能比例分别按照8:2、7:3、6:4来配置,计算各自系统的性能系数和直接节电率:
COP8:2=(3+3×2/8)/(1+3×2/8)=2.14,节电率:53.3%
COP7:3=(3+3×3/7)/(1+3×3/7)=1.88,节电率:46.8%
COP6:4=(3+3×4/6)/(1+3×4/6)=1.67,节电率:40.1%
对比发现:如果直接用能效比3的空气源热泵来完成制热水,与电加热相比,可以节电66.6%;在辅助20%电加热后,变为系统节电53.3%,节电能力相对下降20%;在辅助30%电加热后,变为系统节电46.8%,节电能力相对下降30%;在辅助40%电加热后,变为系统节电40.1%,节电能力相对下降40%。
也就是说,如果空气源热泵的性能系数相同,添加的辅助电加热的比例与系统直接节电的降幅成正比,辅助电加热的比例越大,实际节电效果越差,为了保证一定节电效果,不能使用过大比例的辅助电加热。反之也然:为了保证一定节电效果,不能使用制热量过小的空气源热泵机组。
上述计算没有考虑电加热热效率,没有考虑实际产品控制逻辑的差异,所以,实际的带有电加热的“直出水”空气源热泵产品,其节电能力往往会更低。
五、         是否携带大水箱实质上是工作能效和安装便利的博弈
如果没有辅助电加热,携带50升左右的水箱,五匹空气源热泵热水机的整体尺寸也会变得很臃肿,一个厚度达到400mm左右、宽度和高度均到达1000 mm左右的长方体比常规五匹空调外机要庞大很多,如果没有专门设计的位置,产品的安装问题依旧难以解决。所以,市场上的“无水箱的”空气源热泵热水器为了减小安装尺寸,往往需要内置电加热,在空气源热泵节电能力上多多少少打了折扣。
也许有人提出,低温气候下不正是要使用辅助能源么,现在这种产品上配置辅助电加热不也是正常的么?问题不在于是否配置电加热,而是在于如何使用电加热,电加热耗电量在整体能耗中占多大的份额。0℃以下气温中启动电加热与10℃以下气温中启动电加热对系统的整体耗电量而言是不一样的。好的节能产品会充分发挥产品优势,提高节能效果,差的节能产品往往只是打着节能的旗号,实际上起不到多少节能效果。
并不是说内置电加热的“无水箱的”空气源热泵热水器就是差的节能产品。有无大水箱,实质上是追求最佳节能效果还是追求安装便捷这两种产品不同定位的抉择。节电40%固然没有节电66.7%那么节能,但与电热水器相比,能够节电40%依旧是一个很大的进步。也许市场最终会归结到节电66.7%这类高能效产品上去,但在可以看到的5-10年内,本人个人以为,在中国南部地区推广节电40%、便于安装、价格合理的“无水箱的”空气源热泵热水机,还是有较好的市场前景的。

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