利用有机相变材料储热的热泵热水器

一种利用有机相变材料储热的风源热泵热水器 ——理论与实践

摘要：本文对市场现售热泵热水器的储热形式做了客观分析，指出了利用水温提高这种显热储存热能方式的局限与不足，对有机相变材料应用于热泵热水器的理论进行了归纳和分析，提出了关于储热型热泵热水器的残余热量概念，以及制热效率和使用效率的区别，本文对利用有机相变材料应用于热泵热水器的实验研究做了简单介绍，热泵装置的预热时间大幅度缩减，并且使热泵热水器使用结束后的”残余热量”大幅降低，从而达到提高热泵热水装置使用效率的目的，使热泵热水装置实现了“半即热”的使用方式，同时使机组避开传统热泵的高温高压工况，为提高机组制热效率，增加工作可靠性创造了条件。

目前市场上在售的热泵热水器，通常由两大部分组成：即装有压缩机及蒸发器的主机部分，和具有保温层的保温水箱部分，这一部分可以装有冷凝器，也可以不装有冷凝器，其主要功能是承担热水器的热量储存功能。

保温水箱似乎是热泵热水器不可或缺的重要组成部分，但是实际上，热泵热水器采用保温水箱是个不得已的选择：由于人们在淋浴时所需要的热功率往往高达10Kw以上，（例如进水温度为10℃，出水温度为42℃，出水量为8L时的加热功率为17.86Kw），如果采用电直接加热（即开即热）使用，这个功率是大多数家庭的电线和电表难以承受的，所以尽管即开即热的电热水器效率远高于储热式电热水器，多数用户还是不得不使用储热式电热水器，用较长时间的加热来储存足够一段时间使用的热水，而那些标称功率范围在5-8Kw的即开即热式电热水器，在寒冬季节就只能供应很小水量的热水。即开即热的热水器，由于没有长时间储热时的热量散失，其使用效率一定比储热式热水器要高。

而加热功率较大，并且加热功率容易调节的燃气热水器，就根本不会采用储热装置；只有加热能力不足或难以调节，以及加热与使用时间不一致的热水加热装置才会采用保温水箱。

由于加热和使用方式的不同，制热效率与使用效率也不相同：在即开即热的热水器中，制热效率与使用效率基本上是一致的，但是在储热式的热水器则有很大的区别：保温过程本身就是一个耗散热量的过程，另外，在储热式热水器中，还存在一个剩余热量的问题，也就是说，当用户使用完毕后，在储热水箱里一定还存在着一部分不能使用的热量，这也是一项主要的损失。

剩余热量：这一点在家用热泵热水器中表现十分突出，由于热泵热水器都会配备硕大的保温水箱，并且要靠自来水压力方可流出热水，冷热水的混合使得使用完毕后，箱内热水高于使用温度的部分热量，只有在长时间的等待间隔内散失，热泵加热的“制热效率”尽管很高，但是“剩余热量”的存在，会大幅度降低它的总效率。

在热泵热水器的用户中，有相当一部分人感觉到热泵并没有他的宣传者介绍的那样节能，很多就是因为这样的原因，过大的保温水箱，由于冷热水混流的原因，必然导致大量的剩余热量，在极端的情况下，这样的热泵热水器，其总效率甚至比电热水器还低，大保温水箱导致的使用效率下降，举一实例如下：

某用户度假别墅有一台1.5匹，320升的分体式家用热泵，假定某日在20℃环境和18℃的自来水条件下，预热水至50℃时开始淋浴，10分钟后结束，共使用温度40℃的热水60升，则其总使用热量为1320Kcal，假定该环境温度时热泵热水器制热效率为400%，则其制热量为9600Kcal，总耗电量为9600/860*4=2.79度，折合热量为2400Kcal，则其总使用效率仅为55%，远比电热水器为低。

即开即热的热水装置，由于没有储热损失，其使用效率一定高于储热式热水装置，对于任何加热装置都是如此，热泵也不例外，但是由于热泵加热装置较为复杂和昂贵，并且难于调节，所以目前热泵热水装置的结构几乎全部为热水储热式，这一方式的优点是，可以使热泵机组在比较好的环境温度下工作，提高机组的效率，缺点是

1、不方便使用，用户需要长时间等待，等待的时间视加热功率和水箱容积而定；

2、保温过程不可避免的产生散热损失；

3、保温水箱成本较高而且需占据较大空间，安装不便；

&nbs p; 4热泵机组有一段较长的时间在高冷凝温度下工作，降低了机组的可靠性和经济性，制热效率降低；

5、在承压型的热泵热水系统中，用户使用完毕后水箱内有较大量高于使用温度的热水，在等待下一次使用的时间中降温，会造成较大量的“剩余热量”被浪费。

“一切储热都是不得已的”，在热水系统的设计中，即热型机组方便且节能，但是需要的功率极大，（人均高达10Kw-20Kw以上），在电、热泵等加热装置中的确难于有采用的条件，所以储热成为不得不采用的手段，即用长时间加热和储蓄来满足用户一段时间的使用，储热型热泵热水器即是一个典型的例子。

热量的储存一般有两种方法，即显热储热和潜热储热，显热储热是利用储热物体的温度变化来储存热量，例如热水，在保温水箱内，水温的提高意味着热量的增加，目前的热泵热水器，全部都是利用水的这一特点来储存热量的：1公斤水每提高1℃，就增加1kcal的热量，要增加保温水箱中的热量，就必须提高水的温度，在水的状态不变的前提下，不可能有任何捷径。

而物体的潜热储热，则有很大的不同：它是利用物体状态（汽态、液态和固态）之间的变化来储存热量：物体在状态变化过程中，温度不变或变化很小，但是其热“含量”变化很大：例如一公斤0℃的冰，要变成0℃的水（虽然温度没有变化），必须吸收80Kcal的热量，而0℃的水要上升为1℃的水，只需要吸收1Kcal的热量。

在物体相变时，它的温度不变（或者变化很小），它所吸收的热量用于改变自己的“状态”，例如从固态转变为液态，这一储热方式，被称为相变储热。

本文主要介绍的实验内容为：相变储热材料在风源热泵热水器装置中的应用，目的是制造出一台不用保温水箱储热的、一体式的、能够达到或者接近即开即热使用方式的热泵热水器。实验开始于2005年，分别由广东工业大学材料能源学院、广州科凌新技术有限公司和广州华骏达空调设备公司完成三期实验。并于2008年底完成小批量样机。

经过近三年的实验研究，实验样机最后确定采用硬脂酸类有机相变材料等作为热泵热水器的蓄热材料，储热材料重约40Kg，相变潜热为248KJ/Kg，相变温度52℃-55℃，比热容2.2kJ/Kg·℃，压缩机额定输入功率为1.46Kw。

由于有机相变材料的比热容只有水的一半左右，所以被加热到相变温度所需要的时间，比加热100升的水到同样温度要快近五倍，在22℃环境温度和20℃水温度时，预热仅9分钟即可使材料达到相变温度，再加热约30分钟左右，即完成全部储热材料的相变过程，此时相变材料的潜热储存热量约为9920KJ，显热储存热量3080KJ（自20℃起计至55℃时的相对储热量）。

相同加热条件下，100升水由20℃水温升高至55℃，其储热全部为显热储热，相对储热量为14630KJ。从这个数据来看，40公斤的有机相变材料所储存的总热量为13000KJ，这样看来，40公斤的相变材料储热，好像并没有比100升的保温水箱更有储热优势。

关键的区别是：假如我们确定40℃以下的“热量”是无法使用的，那么100升55℃保温水箱内所存储的有效热量仅为（55-40）X100X4.18=6270KJ，而有机相变材料的总有效储热量则为潜热部分248×40=9920KJ，显热部分为(55-40)×2.2×40=1320，合计可以使用的热量为11240KJ，也就是说，相变材料可以把大多数热量“存放”在有用的温度区间，而状态不变的水只能将热量平均“存放”各个温度区间。我们以图1来予以说明：

在图1中，两条曲线分别反映100公斤水和40公斤相变材料的热含量和温度的关系：温度范围从20℃-55℃。

从图中我们可以看出：同样加热到55℃时，100公斤水所需要的热量（14630KJ）略大于40公斤相变材料(13000KJ)，但是两者都放热到40℃时，热水的放热量只有6270KJ,而相变材料放热到40℃时，放热量为11240KJ，远大于水有效储热量。

这也意味着，在相 近的加热和储热条件下，用水储热的分体承压式热泵热水系统，其使用结束后的“剩余热量”，要比采用相变储热式热泵多很多，图中水的剩余热量为8360KJ，而相变材料的剩余热量仅为1760KJ，只有温水剩余热量的21%。

热量除了有度量上的权衡之外，还有“品位”上，也就是温度上的衡量，地球上任何物体在任何温度下都具有相对的“热量”，只是当这部分热量的温度低于我们的要求时，它的“热量”就没有意义，相变储热与水的显热储热不同之处在于两者储存相同的热量，相变储热可以把大部分热量储存在能够使用的温度段，而水的显热储热，却只能够将热量平均的储存在各个温度上，包括大量没有使用价值的温度段。

通过以上事例的分析，可以得出这样的结论：相变材料可以按照我们设计的安排，将大部分热量放置在可以使用的温度段，而水则只能将热量平均的储存在各个温度段，从而导致存在大量无法使用的“剩余热量”，使系统的总效率降低。

如果储存同样的有效热量，相变材料可以用的更少，为热泵机组的一体化创造了条件，本实验的样机即为整体式，没有循环加热水泵和保温水箱，安装和使用及其方便，简化了分体式热泵热水器机组用户的安装过程：安装时不再需要联结氟里昂管路和循环加热水泵，只需要连接自来水水管，插上电源即可，与传统的分体式空气源热泵相比，加热速度快，系统效率高，安装简便，耐水压能力提高4倍以上。

相变储热热泵热水器的预热时间，在相同工况下，低于配置100升保温水箱的传统热泵，而且由于在用户开始使用热水时，机组可以开动制热，与相变材料共同加热进水，大幅度提高机组的持续供热能力，同时在使用完毕后，最大程度的减少了剩余热量，提高系统的使用效率；

实验机组预热时间的缩短，使这台热泵机组能够部分实现“即开即热”式的性能，改变了当前热泵热水器需长时间预热的现状。由于本实验的设计是在使用热水时压缩机同步运行，相变材料和冷凝器同时加热热水，使得用户的持续使用时间延长，在20℃进水温度，出水温度40℃，热水出水量5升/分钟时，持续使用时间约为22-25分钟，高于传统100升储热式热泵预热至55度时的持续使用时间（18-20分钟）。

现有的热泵热水系统由于主机成本高昂，联结复杂，改变热能功率输出十分困难，难以象燃气或大功率热水器那样实现即开即热，只有全部采用热水蓄热的方式，即在用户使用前即对热水进行长时间的加热，再将热水置于保温水箱内部等待使用，这样做法的结果，使得用户需要长时间的加热才能够得到可使用的热水，特别是对于家庭用户：要在使用前必须等待较长的时间（例如2个小时以上），同时热泵系统要较长时间在高温高压下工作，压缩机的工作状况相对于制冷状况时，工作温度和压力皆大幅度提高，系统的能效比降低，同时也大大降低了系统的工作可靠性，过大的保温水箱，不但难于安装，造价高昂，而且在用户使用完毕后，保温水箱内还存有大量高于使用温度的热水，这些热水中的热量很大部分会在下一次使用前耗散掉，造成较大的热能浪费，相当程度上抵消了热泵装置的节能效果，极端的情况下其效率甚至不及即热型电热水器。

在热泵业内有一个问题尚未引起业界的注意：即“残余热量”问题，一个小型家用热泵系统的保温水箱，动辄数百升，最小也有100升，在使用完毕后，保温水箱内的热水温度是高于使用温度的，也就是说，它还具有相当大的“残余热量”，如果我们把热泵制造热水的效率定义为“制热效率”的话，那么还应该有一个“总使用效率”，即用户最终使用的热能与其所支付的代价之比。

残余热量：这一点在承压型家用热泵热水器中表现十分突出，由于水箱要依靠自来水压力方可流出热水，冷热水的混合使得使用完毕后，箱内热水高于环境温度的部分热量，只有在长时间的使用间隔里散失。

我们把制造热水的效率称为制热效率，把实际使用的效率称为使用效率，当使用效率太低的时候，会冲抵掉相当大部分的总效率。

所以，热泵系统的使用效率并没有制热效率那么高，散失热量抵消了相当大部分的总效率，散失量与保温水箱的体积及其保温层、以及散热时间直接相关。

如果能够有 效的调整热泵系统的输出功率，（如采用变频技术）使之恰好适合用户的需要，达到即开即热的目的，这样就可以完全取消保温水箱，并使系统的工作温度降低到合理和高效率的区间，是最为有利的热泵制热方式，也是最方便用户使用的。但是如此将使装置的可靠性较差，造价较高，市场竞争力下降；综合考虑各种因素后，我们提出了“半即热式”的概念，既相对于传统热泵热水器的预热时间大幅度降低，能够实现一体化，用户略等较短时间就可以使用的，同时又技术成熟，体积和造价比变频的即热型热泵更小、更低。

怎样即减少用户的等待时间，又减少热泵系统在高温高压下的工作时间，还要减少保温水箱的容积以降低造价和残余热量的浪费，这正是本实验需要解决的问题。针对现有热泵热水器的上诉不足，充分考虑热泵工作特性，部分的改变了热泵热水工作的方式，利用有机相变材料蓄热，使得热泵热水器达到“半即热”工作的目的。

图1是本实验的结构原理图。图中：1.压缩机，2.冷凝器，3.节流装置，4.蒸发器及风扇组，5.相变蓄热材料箱，6.自来水入水口，7.热水出口，.8混水阀。

在图2中的相变储热式热泵热水器系统中，热泵系统联结方法与传统热泵相同，水管部件包括自来水入水管（6）、和热水出口（7）、和混水器（8）。自来水入水管（6）接入水系统，与相变蓄热材料箱（5）的水管相连通，冷凝器（2）置于相变材料中（5），热水出口（7）即冷凝器（2）的出水口和混水器（8）相连结，混水后出口的热水供用户使用。

本实验解决其技术问题所采用的技术方案是：在原理和基本结构上，与现有的热泵热水器基本相同，区别在于：本系统的冷凝器及水加热部分共同放置于相变蓄热材料之中，当给出预热指令后，热泵系统即启动运行，开始加热蓄热材料，直至其温度达到蓄热材料的相变温度后即开始相变蓄热过程，当达到相变温度，相变材料基本液化后主机停止运行等待使用；当开始使用时，主机立即开动，来自自来水的冷水先经过热泵的冷凝器，被高压的工质和相变蓄热材料共同加温后，即供用户使用，由于特别配制的相变材料有合适的相变温度，使得热泵在预热期间无须工作在过高的温度，同时由于相变材料在相不发生变化的时候比热远小于水，在使用结束后的残余热量，与同样功能的传统热泵热水器要少4-8倍，热泵系统处于工作温度合理的高效率区间，热泵系统的工作温度和压力都比较低，制热效率较高。

在夏季，热泵的发热量可能会大于使用所需要的热量，此时使用就不需要预热，相变材料会吸收多余的热量，在全部融化后停止主机的运行并继续提供热量给用户的使用。

本实验的有益效果是，由于热泵的效能比（产热量与消耗功率之比）在出水温度较低时可达4～7倍，因此这种高效热水器系统可比现有电热水器节能80％以上。同时本装置没有保温水箱，很方便制成一体机，安装使用更加方便，机组无须长时间在高温高压工况下工作，工作可靠性加强，相变材料在固化后含热量极低，大幅度减少了残余热量的损失，提高了系统效率。

参考文献：

《热能存储技术与应用》，化学工业出版社，郭茶秀，魏新利编著

《蓄热技术及其应用》，化学工业出版社，崔海亭，杨锋编著

《换热器》，重庆大学出版社，程尚模，赵永湘等编著

《工程热力学》，高等教育出版社，华自强，张忠进编

《热能转换与利用》，冶金工业出版社，汤学忠主编