利用有機(jī)相變材料儲熱的風(fēng)源熱泵熱水器

    ――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(jī)相變材料應(yīng)用于熱泵熱水器的理論進(jìn)行了歸納和分析，提出了關(guān)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(jī)相變材料應(yīng)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(yù)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(dá)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(jī)組避開傳統(tǒng)熱泵的高溫高壓工況，為提高機(jī)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(jī)及蒸發(fā)器的主機(jī)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(dān)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(dá)10Kw以上，（例如進(jìn)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(yuǎn)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(biāo)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(yīng)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?xì)鉄崴鳎透静槐夭捎脙嵫b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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(yù)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(yuǎn)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(fù)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(jī)組在比較好的環(huán)境溫度下工作，提高機(jī)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(jī)組有一段較長的時間在高冷凝溫度下工作，降低了機(jī)組的可靠性和經(jīng)濟(jì)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(shè)計中，即熱型機(jī)組方便且節(jié)能，但是需要的功率極大，（人均高達(dá)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（或者變化很小），它所吸收的熱量用于改變自己的“狀態(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(jìn)水溫度時，對比40公斤有機(jī)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(jī)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(jī)相變材料預(yù)熱僅9分鐘即可使材料達(dá)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）。總儲熱13000KJ。

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