美国艾默生公司压缩机应用技术讲座第三十四讲 谷轮ZWKS系列热泵热水器专用涡旋压缩机及其应用

张立毅，胡浩，林雄

（艾默生环境优化技术（苏州）有限公司，苏州212021）

美国艾默生公司压缩机应用技术讲座第三十四讲 谷轮ZWKS系列热泵热水器专用涡旋压缩机及其应用

张立毅*，胡浩，林雄

（艾默生环境优化技术（苏州）有限公司，苏州212021）

本文分析了目前热泵热水器的技术现状和实验测试结果，指出使用普通空调压缩机的热泵热水器的应用局限。根据中国的气候特点和对热水水温使用要求，提出了适合于中国广泛地区使用的热泵热水器用理想压缩机应满足的技术要求。艾默生推出了全新的ZWKS涡旋压缩机系列，其经济器循环的解决方案克服了普通空调压缩机在该应用中的不足，通过对ZWKS压缩机的设计特点和运行范围的介绍以及对ZWKS热水器系统的实验测试结果的分析，表明ZWKS压缩机拓展了热泵热水器应用范围，提高了系统的可靠性和运行效率，特别是对于在低环境温度高出水温度的运行情况。这些优点使得热泵热水器能在传统上使用其他能源制备热水的中国较寒冷地域得以推广使用。

热泵热水器 喷气增焓 涡旋压缩机 经济器循环

1 绪言

随着中国经济的迅速发展和人民生活水平的日益提高，公共建筑和住宅的生活热水以及空气调节已经成为普遍的需求。在发达国家，暖通空调及热泵系统所用的能耗可占到社会总能耗的25%-30%。在国际能源局势日益紧张的今天，节能减排已经越来越为世界各国所关注。热泵是一种利用低品位热能的设备，采用热泵制取热水可以大大降低一次能源的消耗以及燃烧矿物燃料引起的CO2的排放。在中国，热泵系统的应用推广已经进入快速增长的轨道。

传统热水器采用燃油、天然气、油制气等一次能源直接燃烧或采用电加热等方式产生热水，其热效率均不大于 1，并且直接燃烧的加热方式还会产生有害污染物，带来环境、甚至安全等方面的负面影响。热泵热水器被认为是传统热水器的绿色替代产品。它采用蒸汽压缩制冷循环，将来自周围环境的低品质热源进行再利用，如空气、土壤或水源等可再生能源，具有热效率高，对使用地区不会造成环境污染等优点。空气源热泵热水器使用安装简便，其产品和技术近年来在国内得到了极大的推广。本文的讨论限于空气源热泵热水器。

根据文献[6][7][8]，热泵热水器的制热 COP可高达3～4。以每天制备2100Kg热水为例，假设进水温度为15℃，出水温度为55℃，每天所需的总加热量为84000kcal, 即351612kJ。不同类型热水器的运行耗能费用见表1。

表 1 不同类型热水器的运行耗能费用

可以发现热泵热水器的热效率最高，运行费用最低。和传统的热水器相比，其运行费用的节省可带来巨大的投资回报，这是热泵热水器市场高速增长的主要原因之一。

2 空调压缩机在热泵热水器应用中的技术局限

热泵热水器和空调器二者的系统原理相同，所采用的零部件大部分是相同或类似的，但二者的运行特点却差异极大：

首先，空调器一般只在夏季或冬/夏季运行，工作运行时间相对较短；热泵热水器则在一年四季都需要运行，运行时间较长。并且中华人民共和国国家标准《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》GB 21362-2008和《家用和类似用途热泵热水器》GBT 23137-2008对出水温度都规定在55℃。当水被加热到55℃或以上，冷凝温度就会达到60℃左右甚至更高，所以压缩机全年都处于高冷凝压力运行状态。

图1 普通空调压缩机的局限

在冬季，热泵空调器的蒸发侧在室外，蒸发温度随环境温度的降低而降低，冷凝侧在室内，室内温度在20℃左右，冷凝温度低；热泵热水器的蒸发侧的工作条件与空调器相似，但在冷凝侧，由于水温为55℃左右，冷凝温度高。压缩机在冬季处于高压缩比和高负载运行工况。

在夏季，空调器的蒸发侧在室内，蒸发温度通常在 15℃以下，冷凝温度较高，但一般低于55℃。热泵热水器的蒸发侧在室外，在环境温度43℃时，蒸发温度会达到20℃左右，蒸发温度高，冷媒流量大，并且冷凝侧由于55℃水温使冷凝温度居高不下，压缩机在夏季处于高负载运行工况。

图1的实线部分是普通空调压缩机的运行范围，其压缩机电机的特性和机械强度设计局限于空调运行范围。图中椭圆形的虚线部分表明空调制冷制热的主要运行区域，超过55℃冷凝温度的运行情况较少。热泵热水器要求常年工作在60℃以上的冷凝温度下。图中右侧虚线部分表示的热泵热水器夏季运行区域，普通空调压缩机无法满足该区域的的高负载运行工况。同样对于左侧虚线部分表示的热泵热水器冬季季运行区域，要求压缩机工作在高压缩比高冷凝温度的运行条件下，普通压缩机工作在这个区域会由于过高的压缩比而超出运行范围，导致过高的压缩机排气温度，造成压缩机由于润滑恶化和电机过热等原因而损坏。通过对图1的分析可以得到结论，普通空调压缩机的运行范围难以满足热泵热水器的运行要求。

艾默生环境优化技术苏州研发中心对一台采用普通空调涡旋压缩机的热泵热水器进行了实际运行测试。该系统采用R22为制冷剂，表2为在50℃进水、55℃出水循环加热的实验测试条件下，所测得的不同环境温度下的压缩机排气温度以及蒸发温度、冷凝温度。通过数据可以发现随着环境温度的下降，蒸发温度随之降低，但冷凝温度主要与工作水温相关，受环境温度变化的影响极小，所以环境温度越低，压缩比越高，排气温度也越高。当环境温度为 0℃时，排气温度就已经超过了130℃，达到压缩机排气温度的安全上限。如果环境温度继续降低，则压缩比更高，并导致普通空调压缩机将出现排气温度过高而无法正常工作。

表 2 普通热泵在各环境温度下性能 — 循环加热，50℃进水，55℃出水

采用一次加热的方式可以降低冷凝温度，降低压缩比，进而降低排气温度。我们也对此进行了测试，结果见表 3。测试数据展现了相似的规律，即环境温度越低，压缩比越高，排气温度也越高。虽然一次加热的方式降低了冷凝温度，对压缩比和排气温度有所改善，但在-7℃环境温度时，排气温度也同样超过了 130℃。普通空调压缩机由于排气温度过高，无法工作在低于-7℃以下的环境温度下。

表 3 普通热泵在各环境温度下性能 — 一次加热，55℃出水

3 空调压缩机在热泵热水器应用中的改进方案

以上分析和实验都证明了普通空调压缩机直接用于热泵热水器将导致严重的可靠性问题。对此问题，我们了解到一些采用普通空调压缩机的热泵热水器的制造商或工程商，进行了以下两种方案的改进：

方案一、普通空调压缩机+辅助电加热

采用普通空调压缩机热泵运行将 15℃的水加热到 45℃，然后再用辅助电加热将 45℃的水加热到55℃。该方案通过降低热泵加热的出水温度来降低排气压力，照顾了普通空调压缩机的运行要求。但由于采用了电加热，整个热水加热过程的能效比低，具体数值取决于加热量中电加热所占的比例，难以达到国家标准的要求。

方案二、“混配”冷媒

采用自行配置的冷媒，以达到降低排气压力和温度的目的。由于“混配”冷媒很少能得到压缩机制造商对性能和可靠性的认可，还存在诸多弊端：“混配”冷媒的成分控制的稳定性难以保证，造成性能不稳定；“混配”冷媒的热力学性能与压缩机不完全匹配，压缩机中零部件的受力未经校核，可能超出设计极限；“混配”冷媒与压缩机材料的相容性未经确认，长期可靠性不能保证。

综上分析，我们认为：普通空调压缩机在热泵热水器应用中有难以克服的技术问题，需要按照热泵热水器的应用特点和要求开发专用的压缩机。

4 适用于中国市场的热泵热水器应用的理想压缩机

由于与使用效果直接相关，用户首先关注的热泵热水器对用水温度的满足。GB 21362-2008和GBT 23137-2008对出水温度都规定在55℃。如果根据不同使用场合进一步细分，还可以发现对出水温度要求的差异化。例如，用于泳池和地暖的水温通常在不高于45℃就可以了；针对生活热水我国要求达到55℃的水温；用于暖气的水温需要更高，至少要在60℃以上。所以理想的热泵热水器压缩机要有能力提供 55℃以上乃至 60℃的热水，相对应的冷凝温度要能达到60℃～65℃。

影响热泵热水器推广使用最关键的因素是使用环境温度，在寒冷的冬季是否能提供热水是被关注的关键问题。我国地域辽阔，南北气候差异极大，为使热泵热水器的使用能推广到我国长城以南的广大区域，覆盖大约90%的全国人口，理想的热泵热水器需要在冬季最低温度-20ºC的区域能稳定可靠的工作。

结合以上两点，可以勾画出适用于中国市场的理想热泵热水器用压缩机。如图2所示，理想的热泵热水器压缩机能工作在最低大约-20℃的寒冷环境中，并确保在冬季能提供55℃以上乃至60℃的热水。

在天气较暖和时能工作在 30℃的环境温度中。这里没有把最高的工作环境温度定在夏季最热时的40℃甚至更高，因为通过热泵系统的载荷控制很容易解决环境温度过高时，压缩机吸气压力超出上限的问题。例如当环境温度较高时，比方说超过30℃，通过降低风机转速来降低压缩机的工作载荷，以满足压缩机的工作要求。

图2 理想的热泵热水器压缩机

5 经济器循环在高压缩比应用的好处

为解决低温制热水面临的高压缩比高排气温度的问题，可以采用经济器循环设计，利用准二级压缩中间冷却的原理，解决高压缩比运行问题。经济器循环的基本原理和压焓图分析如图3。

如图3所示，压缩机排气进入冷凝器冷凝，从冷凝器出来的液体分为两部分：一是主回路部分，流量为m，直接进入到过冷器，产生进一步的过冷。二是喷射部分，流量为 i，经膨胀阀 A节流到中间某一中间压力进入过冷器。这两部分制冷剂在过冷器中产生热交换，后一部分汽化后被压缩机第二吸气口吸入，前一部分得到进一步过冷后，经膨胀阀B节流后进入蒸发器蒸发吸热，然后进入压缩机主吸气口。

图3 经济器循环的基本原理

由于喷射混合过程的压力变化相对较小，将其当作等压过程，由理想的蒸气压缩制冷循环，从P-h循环图（b）上可分析，系统的制热量等于从冷凝器中释放的热量：

因为在混合过程中：m(h2’-h2)+ i(h2’-h6)=0,所以总的制热量为：

式（1）中第一项为蒸发吸热量，第二、三项为压缩过程的耗功。

该式表明，系统的制热量也等于在蒸发器的吸热量加上压缩过程的耗功。

对于没有经济器的常规热泵，由于没有再过冷和蒸气喷射过程，其制热量为

式（2）中第一项为蒸发吸热量，第二项为压缩过程做功。此处假设对于经济器热泵循环和普通热泵循环，流经蒸发器的制冷剂流量相同。该假设事实上是成立的，在试验测试中，我们发现二种循环的蒸发压力差别极小。

由式（1）减去式（2）就得到制热量的增加值

制热量的提高主要得益于蒸发器入口和和出口之间的焓差增加，从环境中多吸收了热量m(h4-h5)。还有由于喷射造成压缩机耗功增加，增加量约为(m+i)(h3-h2’)-i(h3’-h2)。另外，对于一个冷凝器和蒸发器确定的空调系统，当制热量增加后，冷凝压力通常会提高，压缩机功耗上升对制热量的贡献会更大，所以实际的制热量增加比理论的热量增加值ΔQ更大。；

再来看排气温度，得益于于准双级压缩，中间冷却，排气温度从T3’降为T3。对于冬季制热的的运行中，高压缩比运行工况导致的排气温度过高的最大问题得到了有效的解决，从而极大的提高了机组运行可靠性。

6 艾默生热泵热水器专用ZWKS系列压缩机及其解决方案

艾默生最早将喷气增焓（EVI）功能的涡旋压缩机和经济器循环相结合应用在商业冷冻领域，用于提高系统的制冷量和EER。近年来，使用艾默生EVI涡旋技术的数十万台家用热泵空调和商用热泵空调系统被投放市场，得到了市场的好评。EVI技术不但能拓展空调热泵在北方地区的应用，还可以有效地提高空调系统的制冷制热性能，特别是可以使低环境温度下的制热量和COP得到显著提升。

EVI涡旋压缩机除了常规的吸气口和排气口外，还带有第二个吸气口，即蒸气喷射口，中压的制冷剂蒸气通过蒸气喷射口和位于定涡旋盘的喷射孔喷射到涡旋盘的中间腔，以增加制冷剂流量，结合带经济器的系统设计，达到增加系统制热量或制热量，以及降低涡旋温度的目标。由于热泵热水器的应用更为苛刻，艾默生对此专门设计了ZWKS系列的热泵热水器专用涡旋压缩机，如图4。为适应高出水温度对应的高负载，ZWKS压缩机的电机进行了加强；对浮动密封、动涡旋以及动态排气阀进行了专门设计以适应低温制热水时的高压缩比运行特点；同时为了控制安全的排气温度，对EVI喷射通道进行了设计加强。

图4 专用于热泵热水器的ZWKS系列压缩机

与常规的空调压缩机相比，采用ZWKS系列压缩机可以极大的扩展热泵热水器的运行范围。通过图5可以清晰地看到ZWKS同普通空调压缩机在运行范围上的差异。在蒸发温度0℃以上时，ZWKS压缩机的最高冷凝温度可达70℃，满足制取55℃以上乃至60℃热水的要求。在低环境温度高出水温度运行区域，由于采用EVI技术解决了普通空调压缩机面临的压缩比高和排气温度高的问题，可以工作在-30℃蒸发温度和 65℃的冷凝温度下，即采用ZWKS压缩机的热泵热水器可以在大约-20℃环境温度中提供60℃以上的热水。

通过对比还可以发现，在循环加热初始运行区域，ZWKS压缩机最低冷凝温度为20℃，对应的水温约为15℃左右，能很好地适应水罐刚开始加热时水温不高的运行特征。在高环境温度高蒸发压力运行区域，ZWKS压缩机适应的蒸发温度上限更高，更能适应温暖天气条件下的制热水运行。

为验证 ZWKS压缩机在实际热泵热水器系统中的工作性能，对之前测试所用的普通热泵热水器系统进行了改造，将压缩机更换为ZWKS，增添了经济器板换和电子膨胀阀回路，详细请参见图6。

图5 ZWKS热泵热水器专用压缩机的运行范围 （R22 / R407C）

图6 ZWKS热泵热水器系统原理图

针对出水温度55℃，分循环加热和一次加热两种方式进行了测试。一次加热方式的测试结果请见表4。排气温度在-15℃环境温度时能安全地控制在 103℃。在各个环境温度都显示出了极佳的COP，并且在-15℃环境温度时的COP达到了1.96。

循环加热方式的测试数据请见表 5，循环加热方式的冷凝温度比一次加热方式高，所以排气温度也比一次加热方式稍高，达到了 110℃，处于安全的范围内。在排气温度过高时有必要采取湿蒸汽喷射来冷却涡旋，降低排气温度。

表4 ZWKS热水器在各环境温度下性能 — 一次加热，55℃出水

表5 ZWKS热水器在各环境温度下性能 — 循环加热，55℃出水

制取55℃热水时，不同环境温度下的蒸发温度和冷凝温度在 ZWKS压缩机运行范围图对应的运行点如图7所示。在-15℃～35℃的环境温度下，各个运行点都处在 ZWKS的安全运行范围内。对于一次加热，43℃时的蒸发温度虽然超出上限，但很容易用降低风机转速等降低载荷的方法降低蒸发温度，使之处于安全范围。由图7还可以发现制 55℃热水时的各个运行点对应的冷凝温度距离其上限还有很大的空间，这说明ZWKS系统还能制出温度更高的热水。

图8显示ZWKS系统制60℃热水的情况，循环加热和一次加热在不同环境温度下的各个运行点都处在压缩机的安全运行范围以内，并且还有一定的余量。说明ZWKS压缩机满足在严酷的低温环境下制取60℃甚至温度更高热水的要求。

图7 ZWKS热水器制55℃热水

艾默生对采用 ZWKS系列压缩机的热泵热水器在安徽、甘肃和西藏等地进行整个冬季的现场跟踪测试，结果显示在-20 ºC的环境温度下，机组能满足55 ºC以上的热水出水要求，与可靠性有关的系统参数均在正常范围内。

7 应用前景

根据国际能源署在2007年发表的最新报告，中国每年产生着全世界22%的CO2。CO2是由燃烧石化燃料时排放的，它是造成地球变暖问题的主要温室气体。相对于传统的直接燃烧化石燃料和直接使用电能的加热装置，热泵热水器可使能源效率提高（3～4）倍，这也就是说将燃烧所需的化石燃料减至1/4～1/3。因而热泵热水器的广泛推广和应用已被认为是环境保护中一项有深远意义的进步。另外我国能源紧缺，减少资源浪费已经刻不容缓，如何实现我国经济社会的健康发展，节能是重中之重，政府已经越来越关注到节能设备的推广上来，因此热泵热水器必将受到社会各界更多的关注。

与现今庞大的热水器市场相比，热泵热水器的的市场份额依旧很小，因此潜力巨大，它将是未来热水器市场的全新发展方向。ZWKS热泵热水器专用压缩机结合经济器循环的系统设计是对现有热泵热水器技术的突破，它解决了低温制热水时排气温度过高的可靠性问题，同时具有优良的运行效率，使得热泵热水器的应用可以拓展到全国冬季最低温度-20ºC的区域，覆盖大约 90%的全国人口，具有重大的社会效益和经济效益。

8 结论

使用热泵热水器在节能、环保、安全等方面都优于传统的燃气热水器、电加热水器等，但是普通型热泵热水器的应用受到环境温度及出水温度限制。艾默生ZWKS涡旋压缩机结合经济器循环设计为此提供了成功的解决方案，该方案能显著提高热泵热水器系统的工作效率，解决了低温制热的可靠性问题，拓展了热泵热水器的运行范围。这项技术适应中国热泵热水器的使用要求，对热泵热水器应用在中国的大范围普及，提高能源利用效率，降低碳排放产生积极深远的影响。

[1]中华人民共和国国家标准《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》GB 21362-2008[S]

[2]中华人民共和国国家标准《家用和类似用途热泵热水器》GBT 23137-2008[S]

[3]张立毅,胡浩,李勇健,吴棹舟. 谷轮“低温强热涡旋”在热泵式空调器中的应用[J]. 制冷技术，2007，1：47-49[4]周东民，胡浩，李义. 高效强热商用涡旋技术在热泵空调中的应用[J]. 供热制冷,2009,1:46-49

[5]周东民,胡浩,李义. 高效强热商用涡旋的应用前景分析[J]. 制冷技术,2009,2:42-45

[6]广东芬尼克兹节能设备有限公司.《供暖、制冷、热水综合节能解决方案 商用篇》[R]

[7]广东长菱空调冷气机制造有限公司. 《空气源热泵中央热水》[R]

[8]广州德能热源设备有限公司. 《德能热泵技术（广州）研发中心》[R]

Emerson Compressor Application Engineering (34)Copeland ZWKS Scroll for Hot Water Heat Pump and the Application

Zhang Liyi*，Hu Hao，Lin Xiong
（Emerson Climate Technology(Suzhou), Inc., Suzhou 212021, China）

This article treats of the application limitations of standard air-conditioning compressors in HWHPs(Hot Water Heat Pumps) based on a technical analysis of current HWHPs and experimental results. The climate characteristics and hot water requirements in China place high demands of the technical features of the compressor, and an improved compressor to meet the operating demands of HWHP in most of China’s regions,is proposed. The new ZWKS compressor range from Emerson Climate Technologies overcomes the deficiencies of air-conditioning compressors by employing an economizer circuit. The ZWKS design features, extended working envelope and experimental results indicate that HWHPs can be efficient and reliable even when delivering hot water at low ambient temperatures. These advantages should enable development of the HWHP market in the colder regions of China which have traditionally used other energy sources to provide hot water.

hot water heat pump；enhanced vapor injection； scroll compressor；economizer cycle

*张立毅（1967-），男，高级工程师，主要从事空调冷冻压缩机在系统的应用工作。联系地址：广州市黄浦大道西76号富力盈隆广场508室，艾默生环境优化技术（苏州）有限公司广州分公司，邮编：510623，电话：020-28867663，电子邮箱：liyi.zhang@emerson.com