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摘要：空气源热泵热水器作为一种新型的热水器，具备非常多的优点，例如环保节能和使用安全维护方便等，并且在室内和室外均可以进行安装，适应性也非常的高。这对于人们在针对公共环境的热水器安装和使用的问题上起到了积极的作用。本文主要探究了空气源热泵热水器的工作原理、技术优势、缺点以及优化设计。
关键词：空气源热泵；热水器；优化设计
引言：目前，随着能耗的快速增大，节能问题已经引起了广泛的关注。而在这种背景下，作为一种节能设备，空气源热泵热水器的应用范围也变得越来越广泛，具有十分广阔的应用前景，潜在市场巨大。近年来，虽然空气源热泵热水机组的发展已经初步形成了一定的行业规模，其市场占有率也在逐渐提高。但是，市场上相关产品的品质与性能却参差不齐，在短期内，难以获得产品认知度，树立良好的行业形象，进而影响市场的深入。究其原因发现，其主要原因在于整体设计水平不能令用户满意，大部分厂家不具备基本的设计与研发能力，只是简单地进行克隆与模仿。所以，应分析空气源热泵热水器机组的设计要点，进行合理的设计，进而最大化产品的产能和利益。
一、空气源热泵热水器的工作原理
空气源热泵热水器，主要应用的加热设备便是“热泵”了。而热泵的工作原理很简单，它与自然界的存在形式有着异曲同工之妙，通常水可以从高处向低处流去，人们发明的水泵还可以将水从低处向高处进行提升。而热量也同样如此，一般热量会从高温处向低温处散去，而热泵则利用大自然的这一特点，采用压缩机系统，将周围低温的热量进行收集重新传递给需要加热的高温对象。这样便完成了热量从低温处走向高温处的这样一个过程。
而空气源热泵热水器的具体工作原理与传统的热水器工作原理有所不同，通常传统的热水器主要是通过水龙头来改变热水管的管内压力，压力降低，使得水气联动阀将燃气阀顶起，从而在脉冲的电火花的作用下点燃燃气，进行加热。而空气源热泵热水器则是利用一种特殊的吸热介质，通过环境的温差来进行汽化和液化的相互转化，从而在变化的过程中释放出热量，将水箱中的水进行加热。
二、空气源热泵热水器的技术优势
空气源热泵热水器与传统的热水器相比还是有很大的区别的，它的主要优势体现在可以大大降低对能源的消耗，促进能源的可持续发展。虽然空气源热泵热水器的技术较为复杂，并且人力和物力投入要比传统的热水器多些，但是空气源热泵热水器的使用寿命却也比传统的热水器要长许多。其技术的工作优势主要是将周围环境中散出的热量通过收集的方式从而转化给需要加热的对象，这样减少了可燃气与电量的损耗，不仅实现了节能，也减少了污染物的排放量。空气源热泵热水器不仅可以节约能源，还能实现水与电分离，降低了人们在使用热水器的过程中出现漏电和触电的事故风险。
三、空气源热泵热水器的缺点
采用空气源热泵热水器的方式，系统较为复杂。由于冷凝器的温度大于设定的热水温度（一般大于50℃），这使得压缩机的压缩比增大，对系统不利。这样使压缩机润滑发热油碳化，系统润滑效果不好，从而导致压缩机易被烧坏。此外热泵热水器的出水温度通常为50～60℃，在这个温度范围内水最易结垢，如果不能定期清洗换热器，换热器效率降低冷凝效果差，当水垢达到一定程度甚至会烧毁压缩机。
热泵热水系统一般为全年运行，在冬季不利于设备的维修保养，系统的安全性及稳定性得不到保障。这也是上世纪七八十年代热泵热水系统在美国由盛转衰的主要原因之一。此外，对于长江中下游地区的气候，冬季极易结霜，这就使得能效比进一步降低。鉴于热泵热水系统的这种不稳定性，因此热泵热水系统一般均需要设置贮热罐和辅助加热设备，因而增大投资。
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四、空气源热泵热水器的优化设计
1、设计多模式流程控制，提高系统全年运行性能
空气源热泵热水器产品标示的性能系数是名义工况时的性能系数，研究表明环境温度对空气源热泵热水器的性能系数影响显著，环境温度30℃附近时系统运行性能最佳，因此对同样的空气源热泵热水器产品使用时间及环境不同，运行时性能系数也不同。若采用单一控制模式，由于环境的变化，空气源热泵热水器大部分时间运行性能系数不高。为了充分发挥空气源热泵热水器的节能优势，在空气源热泵热水器控制系统设计时，可根据用户需求不同、典型的季节变化特点及每天的温度变化规律设计午间模式、冬季节能模式、谷电模式等多模式流程控制系统，供用户选择，可有效提高空气源热泵热水器全年的运行性能。
2、优化除霜控制
目前从空气源热泵热水器的实际运行效果来看，机组在气温偏低且相对湿度比较大的地区运行时性能不理想，主要原因是蒸发器结霜及除霜造成的供热能力下降，因此，必须使用有效的除霜方法及时除霜。目前，空气源热泵最常用的除霜方式是逆循环热气除霜，而除霜自动控制方法是影响除霜效果的关键。目前除霜自动控制方法较多，较为先进实用的有模糊智能控制除霜法。模糊智能控制除霜法将模糊控制技术引入空气源热泵热水器的除霜控制，整个除霜控制系统由数据采集与AID转换、输入量模化、模糊推理、除霜控制、除霜监控及控制规则调整五个功能模块组成。通过对除霜过程的相应分析，对除霜监控及控制规则进行修正，以使除霜控制自动适应机组工作环境的变化，达到智能除霜的要求。
3、采用高效换热器
目前市场上家用空气源热泵热水器因成本考虑普遍采用等径螺旋盘管沉浸在水箱下部的热水换热器作为冷凝器，其换热性能较差，影响空气源热泵热水器的整体性能。经过不少专业人员对优化热水换热器性能进行深入研究，采用带导流套筒的热水换热器及非等径螺旋盘管是较为有效的方法。实验和数值模拟表明，这样的换热器比把盘管直接置于水箱底部的换热器的换热效果好很多。动态加热时的换热能力高一倍多，静态加热时平均换热能力也高15%。故采用非等径螺旋盘管的热泵热水器冷凝盘管在传热性能、温度分布和加热效果等方面都优于等径螺旋盘管的热泵热水器，是提高空气源热泵热水器性能系数的有效途径之一。
4、合理配置节流装置，提高系统稳定性
小型热泵系统一般采用毛细管作为节流部件，实验研究发现采用不同的毛细管，热泵系统在各种环境下的性能差别较大。环境温度较高时，粗而短的毛细管性能更好；环境温度较低时，细而长的毛细管性能更好。研究表明用热力膨胀阀代替双毛细管是稳定系统性能的较合理配置。为了进一步提高系统的匹配性能和可靠性，应采用调节范围更宽和反应更灵敏的电子膨胀阀，虽然成本高一些，但能显著提高稳定系统性，改善运行性能。
五、结束语
空气源热泵热水器是一种高效节能装置，但在实际推广使用的过程中，暴露了产品可靠性不高的缺点。为提高空气源热泵热水器性能，通过优化控制系统提高运行性能、采用高效换热器等有效途径，进一步完善空气源热泵热水器性能，不断降低成本，将有效促进空气源热泵热水器在家用市场占有率的提高，达到节能环保、提高人们生活水平的目的。
参考文献
[1]郭俊杰.空气源热泵热水器节流特性实验与分析[J].太阳能学报，2016.
[2]韩志涛.空气源热泵热气除霜问题研究现状与进展[J].流体机械，2017.
[3]陈振豪.空气源热泵热水器季节性能实验及优化运行研究[J].能源技术，2017.
论文作者:吴世华
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年11期
论文发表时间:2019/9/30
标签：热水器论文; 除霜论文; 空气论文; 源热泵论文; 性能论文; 换热器论文; 系统论文; 《工程管理前沿》2019年11期论文;