文章來源：鄭州熙元空調(diào)設(shè)備 發(fā)布時間：2013-12-09 18:08:47
繼2009年上海日立首先推出“睿能4X-POWER”熱泵專用壓縮機并推廣以來，國內(nèi)多家壓縮機廠家紛紛投入熱泵專用壓縮機開發(fā)，以期為熱泵熱水器的健康發(fā)展提供保障。熱泵熱水器的運行模式與空調(diào)存在很大差異，這決定了熱泵專用壓縮機與空調(diào)壓縮機在設(shè)計理念上存在差異。但是，在實際使用時，仍要遵循熱泵運行的規(guī)則，這樣才能真正發(fā)揮熱泵專用壓縮機的優(yōu)勢。以下就以家用轉(zhuǎn)子式熱泵專用壓縮機為例，簡要說明如何正確選擇和使用該類型壓縮機。
空調(diào)與熱泵熱水器運行模式的差異
熱泵熱水器與空調(diào)相比，可謂五花八門，有整體式、分體式、循環(huán)加熱式、外盤管靜態(tài)加熱式、內(nèi)盤管靜態(tài)加熱式、直熱式、儲熱式等。將這些分類進行簡化，大致可以得出空調(diào)與熱泵熱水器的差異點如下。
第一，熱泵熱水器全年都在制熱，空調(diào)則是制冷、制熱交替進行。
第二，熱泵熱水器蒸發(fā)溫度可在-20~35℃之間，而空調(diào)蒸發(fā)溫度一般在15℃以下。
第三，由于國家標準要求熱泵熱水器出水溫度在55℃以上，因此熱泵熱水器的冷凝溫度常年處于高水平，而空調(diào)只在夏季少數(shù)高溫天氣下才會有高冷凝溫度現(xiàn)象。
第四，空調(diào)運行壓縮比一般在3~4，極端惡劣工況也只達到5~6，而熱泵熱水器的壓縮比往往在10以上(冬季)。
第五，熱泵熱水器中的制冷劑遷移現(xiàn)象要比空調(diào)嚴重得多。
第六，由于冷凝溫度高，熱泵熱水器對“吸氣帶液”非常敏感。
第七，熱泵熱水器作為日用品常年使用，而空調(diào)的使用季節(jié)性非常強。
開發(fā)熱泵熱水器需注意的問題
市場上數(shù)量最多的分體式熱泵熱水器或者放于室外的整體式熱泵熱水器，蒸發(fā)溫度范圍非常寬。為了在寬范圍內(nèi)進行有效節(jié)流，建議不要采用單根毛細管，應(yīng)采用膨脹閥或者多組毛細管，以應(yīng)對環(huán)境溫度的變化，保證在所有運行條件下都有吸氣過熱度。熱泵專用壓縮機可以適應(yīng)很寬的蒸發(fā)溫度，但是也要避免液體直接進入壓縮機，特別是冬季。
針對靜態(tài)加熱儲熱式熱泵熱水器，“制冷劑遷移”是回避不了的問題，即壓縮機停止工作后，冷凝器處于高水溫環(huán)境中，壓縮機和蒸發(fā)器逐漸冷卻，溫差導致制冷劑逐漸遷移至蒸發(fā)器和壓縮機，制冷劑發(fā)生“聚集”，壓縮機再次啟動時，聚集在蒸發(fā)器中的制冷劑很可能直接進入壓縮機。也就是說熱泵熱水器發(fā)生液擊的程度比空調(diào)要嚴重得多。這個現(xiàn)象已經(jīng)經(jīng)過多次試驗得到驗證。這也是熱泵專用壓縮機采用超大容量弧形儲液器設(shè)計的原因之一(緩解液擊、提升吸氣過熱度)。因此，在開發(fā)熱泵熱水器時，需要觀察液擊、浸入現(xiàn)象，評估風險。比如阿里斯頓、格力等企業(yè)在開發(fā)熱泵熱水器時都進行詳細的視鏡觀察，確認系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。
壓縮機底部過熱度的測量也是在熱泵熱水器系統(tǒng)設(shè)計時容易被忽略的地方，卻是極重要的。壓縮機底部過熱度定義為：“壓縮機底部溫度”與“冷凝溫度”之差。如果壓縮機底部過熱度為零或者小于零，此時壓縮機本體就成了一個“冷凝器”，制冷劑會慢慢在壓縮機殼體內(nèi)冷凝成液體而沉積在壓縮機底部，被當做“潤滑油”泵到壓縮機泵體各滑動面上。液態(tài)制冷劑是沒有潤滑功能的，會造成壓縮機泵體摩擦對偶全面磨耗，發(fā)生“咬缸堵轉(zhuǎn)”只是個時間問題。
為什么熱泵熱水器要特別注意壓縮機底部溫度?原因還是因為“冷凝溫度”。冬季運行時，如果發(fā)生“吸氣帶液”，進入壓縮機內(nèi)部的液態(tài)制冷劑會迅速降低壓縮機本體溫度，加上低的環(huán)境溫度，導致壓縮機底部溫度降得比較低。而熱泵熱水器由于需要制取較高溫度的熱水，冷凝溫度比較高，這就很容易發(fā)生壓縮機底部溫度低于冷凝溫度的現(xiàn)象。系統(tǒng)實驗表明，當發(fā)生吸氣帶液時，在制取55℃熱水時，環(huán)境溫度在5℃左右就會發(fā)生壓縮機底部過熱度小于零的現(xiàn)象，環(huán)境溫度越低越嚴重。
這也是為什么要求壓縮機在所有運行條件下都有吸氣過熱度的原因。空調(diào)壓縮機在有吸氣過熱度時容易“電機過熱”，特別是在高壓縮比運行時。這恰恰是熱泵專用壓縮機需要解決的，在高壓縮比下，熱泵專用壓縮機仍可可靠運行。
熱泵熱水器如何控制水溫
相對空調(diào)壓縮機，熱泵專用壓縮機需要保證在制取較高水溫時保證可靠性。但是不是水溫可以無限提高?當然不是。熱泵專用壓縮機有R417A和R134a制冷劑兩種，下面以R134a制冷劑為例進行說明。
第一，由于是低壓制冷劑，R134a制冷劑冷凝溫度可高達80℃，按照換熱溫差5℃計算，最高出水溫度可到75℃。是不是所有條件下都可以達到75℃?不是的。針對不同的環(huán)境溫度，水溫需要控制：一般情況下，冷凝溫度達到80℃時，蒸發(fā)溫度不要超過5℃。在低溫環(huán)境下，需要適當降低冷凝溫度，當溫度降低為-15℃左右，建議將冷凝溫度控制在不超過70℃(水溫65℃左右)。
第二，低溫下遇到的問題是高壓縮比。熱泵專用壓縮機可以承受很高的壓縮比，相對空調(diào)壓縮機最大壓比5~6，其最大壓比在10以上(建議在11~13范圍內(nèi)是安全的)。但是壓縮比不可無限提高，過高的壓比導致壓縮機內(nèi)部局部溫度可能過高，從而超過壓縮機極限而損害壓縮機。
有廠家提出，在低溫環(huán)境下，熱泵系統(tǒng)上壓縮機的實際排氣溫度并不高。主要原因是“沒有吸氣過熱度”，吸氣帶進壓縮機的液態(tài)制冷劑降低了排氣溫度。發(fā)生這種情況時，除了制熱效果很差(有的根本就不起作用，或者水溫上升極為緩慢)，對壓縮機可靠性也是致命的：壓縮機底部過熱度不足導致嚴重磨耗。認為在低溫環(huán)境下也可以制取70℃以上熱水是一種認識上的誤區(qū)，影響壓縮機可靠性的不僅僅是吸氣壓力、排氣溫度、排氣壓力，還有如“壓縮機底部溫度”、“吸氣帶液”等難以被察覺的致命因素。針對這些問題，壓縮機廠家首先需要弄清楚，否則可能會誤導系統(tǒng)廠家。
第三，建議對熱泵熱水器系統(tǒng)運行模式進行設(shè)置，在環(huán)境溫度不太低時將最高水溫設(shè)高一點，低溫環(huán)境下水溫設(shè)低一點(65℃)。即使是65℃，也比國標規(guī)定的55℃要高很多，完全可以滿足國標和消費者的需求。這樣既可以保證較高的出水溫度和能效，又可以保證整個系統(tǒng)的安全可靠性。
熱泵熱水器長期運行的考慮
不管是什么類型的熱泵熱水器，長期運行后，水側(cè)(冷凝側(cè))的換熱效果都會下降(結(jié)垢、松動、老化等)，換熱溫差會增加。因此需要對自己開發(fā)的熱泵熱水器進行估算，冷凝側(cè)換熱溫差可能會發(fā)生怎樣的變化。在設(shè)計當初就考慮到將來換熱溫差的增加問題，留出一定的安全余量，以保證壓縮機長期運行在安全范圍之內(nèi)。
另外，在北方寒冷地區(qū)(比如-20℃環(huán)境溫度以下)，熱泵熱水器的應(yīng)用尚不多，主要制約因素是制熱量衰減和極高壓縮比。熱泵專用壓縮機在提升制熱量和壓縮比方面已有大幅度改善，但針對北方寒冷地區(qū)，CO2系統(tǒng)有著獨有的優(yōu)勢：第一，CO2是一種高壓制冷劑，在環(huán)境溫度極低的條件下，制熱量衰減相對較小、仍可保持較高的能效;第二，CO2系統(tǒng)是顯熱加熱水，壓縮比低，可以在低溫下安全可靠地制取70~90℃的熱水。
因此，從技術(shù)上來說，寒冷地區(qū)采用CO2熱泵熱水器是最好的選擇。盡管上海日立等壓縮機廠家已經(jīng)完成CO2壓縮機的開發(fā)，但國內(nèi)整體配套能力仍還有很長的路要走，加上成本高昂，國內(nèi)水質(zhì)無法短時間內(nèi)解決，因此，CO2壓縮機在短期內(nèi)尚無法大量應(yīng)用。但是，長遠來看，采用CO2制冷劑的熱泵熱水器是寒冷地區(qū)的最終解決方案。
熱泵熱水器系統(tǒng)運行時間估算，需要考慮以下因素：第一，隨著家用熱泵熱水器市場的快速增長，以前采用“空調(diào)外機結(jié)構(gòu)設(shè)計”的模式會逐漸被打破，熱泵熱水器主機會向小型化發(fā)展，將造成整機實際運行時間大幅度增加;第二，空調(diào)僅在夏季使用頻率高，但熱水器卻是日用品，并且冬季運行時間特別長。冬季加熱一箱水的時間是夏季的數(shù)倍，因此需要確認熱泵熱水器在冬季的運行模式;第三，我們知道，45℃以下的水是不能滿足使用要求的，當水箱溫度達到這個值時，熱泵制熱就需要啟動運行，因此壓縮機基本都是運行在冷凝溫度較高的區(qū)域。冷凝溫度是影響壓縮機壽命的主要因子，也就是說，在運行相同時間的前提下，空調(diào)中壓縮機所受的綜合負荷要遠低于熱泵熱水器中的壓縮機;第四，消費者購買熱泵熱水器的主要動力是節(jié)能，熱泵廠商也是這么宣傳的。消費者會因此而多用水，這也增加了熱泵的工作時間;第五，如果熱泵熱水器用于“采暖+生活熱水”場合，可能會在整個采暖季節(jié)長期運行。
