节能技术

不为人所熟知的热泵技术之概述


几年来,随着空气源热泵产品的市场升温,空气能的概念和产品也层出不穷,“绝对不用电辅的空气能”、“可以加热到80℃热水的空气能”、“在环境温度0℃时性能系数可以达到3.0的空气能”、“适合更高水温和更低气温的特种工质空气能”、“不用水箱直出水的空气能”、“利用相变材料大量蓄热的空气能”等等,同时,市场上的用户和部分经销商给出了许多截然相反的结论:“热泵节能不省电”、“热泵就是电加热”、“热泵制热水不够用”等等,如同瞎子摸象,在不同的位置得出不同的结论,搅乱了刚起步的热泵产品市场,混淆了许多经销商和客户对热泵热水机的认识。
    为了便于非专业人士更加准确和深入了解空气源热泵热水机产品,现将空气源热泵的相关技术原理与产品知识总结成为相应的要点,并归纳成为一二三四几个要点:包括一个原理、两个重要的技术参数、三个计算公式、四个关联因素。在此基础上,通过对热泵产品进行较为详细的性能测试,得出一系列的计算分析结果,以便于用数据说明问题。 

一个原理:

热泵是搬运和传递热能的工具。

    美城美家绿色人居馆认为这个说法比“吸收空气能量制热水”更透彻。它把热能吸收和释放的过程归纳总结为搬运,便于理解,更便于说明产品节能多少与热泵原理没有直接关系:利用热泵可以节能,也可以不节能。因为热泵是搬运工具,电能是它消耗的能量,而所搬运能量的多少是由其他因素决定的,不是直接与电能成比例变化的。就如同汽车运货,汽车运行要消耗油,但汽车所搬运物品的价值却是无法直接用油来衡量的。事实上,热泵的输入能源也不一定总是电,日本三洋公司就有直接用燃气为能源的热泵产品。

 

两个重要的技术参数:

制热量和性能系数。

    一个产品有很多需要了解的技术参数,包括耗电量、噪音、接口尺寸、等等,其中与产品性能最相关的参数就是“制热量”和“性能系数”这两个参数了。“性能系数”(COP)就是大家常说的“能效比”,而制热量常常为初入门者所忽视,特别是热泵额定制热量一般是在标准工作状况下标定的,如果不深入了解和掌握不同状况下制热量的变化,简单套用额定制热量去进行工程设计,就可能无法适应环境温度的变化。

 

三个计算公式:

(1) 制热量、综合性能系数和瞬间性能系数
    制热量=产水量×(终止水温-初始水温)
    相同水温差状况下,制热量越大,产水量就越大。为保证足够的产水量,需要选择配套相应制热量的机器。工程设计时应与设备供应方联系,获得不同环境温度下的实际制热量数据,保证所计算出的单位产水量的准确性。

 (2) 整体性能系数=制热量 / 耗电量

    =产水量×(终止水温-初始水温)/耗电量
    整体性能系数衡量空气源热泵热水机产品在工作过程中整体的能效状况。在给定环境温度、终止水温和初始水温的状况下,产品的产水量越大,整体性能系数越高,或者在相同产水量状况下耗电量越低,产品整体性能系数越高。
特别值得说明的是:国标21362-2008中规定普通型循环加热式空气源热泵热水机有两个不同的标准值:提供水泵的性能系数是3.6,不提供水泵的性能系数是3.7,因为提供水泵后的系统性能系数(COP)数值下降往往不止0.1,所以许多厂家说明热泵机组性能系数时,均是用不提供水泵的测试值,这个数值不包含循环水泵输入功率,实际上不是实际的整体性能系数。

 (3) 瞬间性能系数=瞬间制热量/瞬间耗电量

    =实时水流量×(出口水温-进口水温)/电功率

    瞬间性能系数是衡量空气能热泵热水机产品在一定水温状况下运行的节能效果的具体指标。各个时段瞬间性能系数的叠加就是整体性能系数,分析瞬间性能系数的规律和发展变化有助于进一步全面了解整体性能系数。
    相同的进水温度状况下,增加实时水流量,一定范围内出水温度会适度减少,而瞬间制热量可能会有所提高。但因为获得大水流量所需要的水泵功率会增大,所以简单增大水流量不一定会增大瞬间性能系数。一般工程设计中要求循环加热式热泵机组额定工况下的平均进出水温差在5℃左右。

  

四个关联因素:

机器性能、环境温度、初始水温和目标水温
    产品实际状态下的产水量与四个关联因素有关:机器本身的制热能力,机组工作时的环境温度和工作过程中初始水温、目标水温。优化每一个因素都可以提高系统的实际产水量: 

(1) 机器性能:

    热泵机组工作性能有高低,优化后的机组名义工况下整体性能系数达到4.0以上,而有些小厂实验室都没有,只管粗制滥造地做生产,根本不进行性能匹配,性能系数连国标都达不到。
    机器性能的好坏是热泵产品供应商重点考究的问题。优化机组性能、让机组有更好的节能效果是一个扎扎实实做产品的工厂必须要做的功课,也应该是经销商和客户选择产品的一个基础条件。

(2) 环境温度:

    环境温度过高对机器设备寿命也会有影响,气温过低更会直接降低产品工作能力,但有人会问:既定的天气状况下如何优化空气温度呢?气温昼夜有温差啊,相同电价状况下,气温偏低时选择在白天工作,产品制热性能自然会更高一些啊。
    以昼夜气温平均相差5℃来看,图一所示,同样一个产品选择提高5℃的环境温度工作,产品制热量可以增加5%-20%以上,尤其是冬季,制热量随气温的变化相当明显。所以,学会分析环境温度的高低对热泵制热能力的影响具有非常重要的实际意义。

(3) 初始水温:

    一般来说,初始水温越低整体性能系数越高,如图所示,由15℃加热到55℃整体性能系数为4.07,由35℃加热到55℃整体性能系数就降到3. 30,如果由45℃加热到55℃,机组的整体性能系数降到3.00,也就是说,如果消耗同样电能,机组由于初始水温的不同而出力有差异,同一个机组,加热15℃水到55℃比加热35℃水到55℃可以多增加了23%的制热量,反之,如果总是将水由35℃加热到55℃,相当于将机组制热量消减20%以上,所以直接把冷水补进热水水箱中混合成温水后加热,会降低机器能效,减少产水量。
    另外,需要指出的是,并不是降低初始水温总有益处。比如循环加热过程中, 25℃以下水温机组瞬间能效比往往并没有30℃的机组瞬间能效比高。还有一种情况,如果机组制热能力低,比如在冬季,对于一次加热式机组来说,初始水温过低会引起温差过大,水流量太小,常常会影响产品的性能系数。

(4) 目标水温:

    目标水温设得低一些可以省电。无论是一次加热式还是循环加热式,一般来说,目标水温越高,设备整体性能系数越低,耗电量也越大,如图三所示,水温由15℃加热到35℃整体性能系数可以达到5.25,由15℃加热到55℃整体性能系数就降到4.07,也就是说,同一个气温状况下同一个机组,在相同耗电量基础上,将15℃水加热到35℃可以比加热到55℃多获得29%制热量。那些标称能够达到70℃、80℃的产品,即使在常规气侯状态下都能够做到,其工作的能效比也是相当低的。


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