空气能热泵热水器中的物理原理*

(1. 江苏省苏州工业园区星港学校，江苏 苏州 215021；(2. 苏州大学物理与光电能源学部，江苏 苏州 215006)

·STS研究·

空气能热泵热水器中的物理原理*

唐安琪1黄云1袁海泉2

(1. 江苏省苏州工业园区星港学校，江苏 苏州 215021；(2. 苏州大学物理与光电能源学部，江苏 苏州 215006)

本文以空气能热泵热水器的关键技术为载体，在与传统热水器比较的基础上，分析了空气能热泵热水器的物理原理，探讨了影响空气能热泵热水器能效比的因素，以期增加“物理·技术·社会”的教学资源。

空气能热泵热水器；传统热水器；能效比；目标温度

空气能热泵热水器是一种能从自然界的空气获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的热水内能的装置。热泵理论起源于十九世纪早期法国科学家萨迪·卡诺,卡诺在1824年首次提出“卡诺循环”理论，英国科学家开尔文于1850年提出：冷冻装置可以用于加热，之后许多科学家和工程师对热泵进行了大量研究。目前一些发达国家的空气能热泵热水器普及率已超过了70%。在我国空气能热泵也呈现出蓬勃发展之势，热泵热水器已经被科技部列入“火炬计划”，各大电器厂商都相继开发出空气能热水器。

在物理教学中作为实例引入空气能热泵，可帮助中学生加深对能量概念的理解，提升节能意识，认识“物理·技术·社会”的联系。

1 空气能热泵热水器与传统热水器的比较分析

图1

某知名品牌空气能热泵热水器与传统热水器技术参数比较如图1所示，可以发现它们的制热效率有着显著差异，空气能热泵热水器的制热效率达到400%，远远高于燃气热水器和电热水器。为什么空气能热水器和电热水器的制热效率相差如此之大，多出来的300%的能量从何而来？

其中1kcal是将1千克水的温度升高1℃所需的热量，即1kcal=4186J，1度=1kW·h=860kcal，假设三口之家每天消耗的热水为200L，温度从20℃加热到50℃，则所需要的能量为6000kcal。如果使用空气能热水器则消耗的电量仅为1.74度，而使用电热水器需要消耗的电量为7.34度。

由于空气能热泵热水器采用了热泵技术，可将大量低品位的热能(空气中的热量)通过压缩机和制冷剂，转变为高品位的可利用的热能，能效比在3.0以上，即空气能热泵热水器的压缩机每耗电1kWh，可产生电加热消耗3kWh产生的热水，极大地节省了能源。

2 空气能热泵热水器的结构

空气能热泵热水器的结构示意图如图2所示，主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置、保温水箱、水泵等组成。

图2

压缩机是热泵热水器的心脏，其功能和工作原理与蒸汽压缩式制冷装置的压缩机相同，但是，由于热泵压缩机一年四季都要使用，工作时间长，工作环境温度、湿度和浮尘情况变化极大，冷凝温度高、冬季环境温度低，热泵冷热端的工作温差大，运行条件恶劣，所以热泵热水器对压缩机有更高的要求。

蒸发器是直接完成从空气中吸取热量的器件，空气能热水器的蒸发器全部采用管翅式结构。制冷剂从节流装置里喷出后温度是非常低的(低于常温)，经过蒸发器的时候制冷剂通过铜管和翅片吸收空气中的热量，带着这些吸收来的热量，制冷剂又进入压缩机进行下一次的循环。

冷凝器把压缩机排出的高温高压制冷剂蒸气，通过散热冷凝为液体制冷剂，制冷剂从蒸发器中吸收的热量，被冷凝器周围的介质(大气)所吸收。冷凝器主要分为三大类：对全部容积的水直接进行加热的容积式冷凝器；对全部的水起循环加热的循环加热式冷凝器；一次性将水的温度加热到设定温度，再输送至保温水箱的直热式冷凝器(配装定温出水阀)。

节流装置在换热过程中起到很大的作用，常温高压的换热介质流过节流阀时，会变成低温低压的介质，从而就可以向外界环境进行换热；节流装置还起着调节制冷剂流量，建立系统高低压力差的重要作用；节流装置还具有控制蒸发器出口冷媒过热的功能，以及控制蒸发器液位，这样可以保持蒸发器换热面积得到充分地利用，同时还能防止吸气带损害压缩机。节流装置的结构可以极其简单，如毛细管，也可以相对复杂，如热力膨胀阀、电子膨胀阀和膨胀机。

与电热水器一样，当热泵无法满足即开即热的使用要求时，就必须采用储热的保温水箱来存储预制的热水。水箱的作用就是储存热水，接上水管后先注满水，启动主机后氟利昂制冷剂经过水箱冷凝放热，将热量转移给水，水逐渐被加热。

水泵按功能的不同分为循环加热水泵、回水泵和供水泵。它们作用各不相同：循环加热水泵对保温水箱内的水起循环加热的作用；回水泵起维持热水管网温度的作用；供水泵起输送热水至使用端口并维持一定压力的作用。为避免供水泵过于频繁启动，可以在系统中配置压力罐或采用变频水泵。

3 空气能热泵热水器的物理原理

空气能热泵热水器是根据逆卡诺循环原理工作的，低温低压的制冷剂经节流装置膨胀降压后，进入空气交换机中蒸发吸热，从空气中吸收大量的热量Q2；蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压的制冷剂，此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分：一部分是从空气中吸收的热量Q2，一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量Q1；被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器，将其所含热量(Q1+Q2)释放给进入热换热器中的冷水，冷水被加热到60℃直接进入保温水箱储存起来供用户使用；放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机构，节流降压，如此不间断进行循环。冷水获得的热量(Q3)=制冷剂从空气中吸收的热量(Q2)+驱动压缩机的电能转化成的热量(Q1)，在标准工况下：Q2=3.6Q1，即消耗1份电能，得到4.6份的热量。

图3 空气能热泵热水器的物理原理

逆卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成(如图3)，假设低温热源(即被冷却物体)的温度为T2，高温热源(即环境介质)的温度为T1，则工质的温度在吸热过程中为T2，在放热过程中为T1，就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其具体循环过程为：首先工质通过膨胀阀进行等温膨胀过程D→C，即在T1下从空气中吸取热量Q1；然后通过压缩机绝热压缩经过过程C→B，使其温度由T1升高至热水的目标温度T2；再在T2下进行等温压缩B→A，并向环境介质(即高温热源)放出热量Q2，最后再进行绝热膨胀A→D，使其温度由T2降至T1,使工质回到初始状态D，从而完成一次循环。

通过让制冷剂如R22(氢氯氟烃类)不断完成蒸发(吸取环境中的热量)—压缩—冷凝(放出热量)—节流—再蒸发的循环过程，将空气的能量转移到水中。热泵热水器载热工质的循环是：在低压液态下吸收环境空气的热能，在蒸发器内蒸发汽化，通过压缩机的工作提高R22的温度，再通过冷凝器使R22冷凝为液态，同时释放其能量并传给水箱中的水，达到制取热水的目的。

热泵在工作时，把环境介质中贮存的能量Q1在蒸发器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即压缩机耗电W；通过工质循环系统在冷凝器中进行放热Q2，Q2=Q1+W，由此可以看出，热泵输出的能量为压缩机做的功W和热泵从环境中吸收的热量Q1之和；因此，采用热泵技术可以节约大量的电能。

4 影响空气能热泵能效比的因素

热泵技术是一种提高能量品位的技术，它不是能量转换的过程，不受能量转换效率极限100%的制约，而是受逆卡诺循环效率的制约。其传递热量的能力与投入热泵的电能之比称为制热性能系数又称能效比(用COP来表示)。[6]

事实上影响热水器的能效比主要有：机器性能、环境温度、初始温度和目标温度，但在循环制热过程某一瞬间，实际影响机器工作性能的温度指标就是环境温度和循环水温这两个温度指标。这两个指标与冷凝温度和蒸发温度有着某种对应关系：在一定的环境温度中工作，循环水温越高，冷凝温度也会越高，蒸发温度也会缓慢有所上升。一般冷凝温度比循环水温高3～8℃，蒸发温度比环境温度低5～10℃。

高能效的机组总是尽量降低冷凝温度、提高蒸发温度，为了换热充分，高能效机组均要增加成本，加大冷凝器(水热交换器)和蒸发器(空气热交换器)换热面积，这是高能效热泵机组成本要增加的主要原因。

4.1 环境气温

图4给出了某款空气能热水器在不同气温状况下产出50℃水循环加热瞬间的性能参数曲线，可以看出，气温越低，能效比越低，当环境温度降到-5℃时，产品的能效比已经低于1。并且，在测试和计算这个性能参数的耗电量还不包括循环水泵的耗电量，如果增加了循环水泵的功耗，此时系统性能参数会更低。测试结果表明，当气温比较低时空气能热泵热水机的能效比是可能低于1的，这个状态下的空气能加热性能也许还不如电加热。

图4

前述公式无法解释这个现象，问题在于压缩机工作过程中电能不能100%转换成热能，式中W是默认可以100%转换成了制热水的热能。但事实上由于各种损失诸如摩擦、泄漏、有害传热、电机损失、流动阻力、噪声振动等的存在，进行100%能源转换是不可能的，压缩机工作过程中必然会发生各种无法逆转的损耗。这个损耗具体有多大呢？

以电能为驱动能源的压缩机的电机与普通电机一样，有着相应的电机效率。电机输出的功率除以电机输入的功率就是电机效率。电机效率是个随工况变化的曲线，配置较好的高能效压缩机的电机效率在0.78～0.82之间，除湿机的压缩机电机效率往往只有70%。

空气源热泵热水机的耗能部件主要有：压缩机、蒸发器风机、控制系统、循环水泵、四通阀线圈、待机能耗等。压缩机是热泵的主要耗能元件，约占总能耗的80%以上。因此，压缩机效率的提高将直接带来热泵效率的提高。

4.2 目标温度

能效比除了与环境温度有关外，还与被加热的水的目标温度有关，图5为环境温度为20℃时不同出水温度时的能效比曲线图，由图中可以看出：被加热的水目标温度越低，热泵的能效比越高。因此，用户在使用热泵热水器时，只要将水加热到不掺冷水、能直接洗浴的温度时(例如加热到40℃)，是一种最节能的用水方法。而且在较低的水温下压缩机的压力也较低，对延长压缩机的使用寿命也十分有益。

图5

因为受到压缩机和配管所能承受的压力影响，水温越高，压缩机所需做功越大，排气温度也越高，承受的压力也就越大，压缩机和配管特别是排气管耐压能力不够、压力太大时容易发生热水器故障，所以在设计时，一般只会把温度上限设置为60℃，以保护整个机组正常运行，超过60℃，或者是排气温度超过110℃热水器就会自动保护关机。

[1]周峰,马国远.空气能热泵热水器的现状及展望[J].节能,2006,(7):13-16.

[2]张剑.空气能热泵技术在学生宿舍供水系统中的应用[J].河南科技,2013,22(11):117.

[3]黄来,陆佳政,罗志坤等.空气能热泵技术在宾馆热水系统中的应用[J].湖南电力,2012,32(12):62-64.

[4]刘国双.空气源热泵COP值与节能应用探讨[J].山西建筑,2009,35(22):193-194.

[5]蒋绿林,张晔.空气源热泵热水器实验研究[J].江苏工业学院学报,2009,21(1):57-59.

[6]徐点点.浅谈空气能热水器“能效比”的科学探究[J].湖南中学物理,2011,(12):34-38.

[7]李志真.空气能热水器的工作原理[J].物理教学探讨,2011,29(11):65-66.

* 本文系苏州工业园区“十三五”教育科研课题“基于‘类比式支架’的初中物理教学实践研究”(2016030)的成果之一。