静态加热式热泵热水器的电加热

静态加热式热泵热水器的电加热
随着社会经济的发展，以及节能环保观念的提升，燃气热水器、电热水器、太阳能热水器已逐渐满足不了人们对舒适、节能、安全的需要。

而空气源热泵热水器因其节能、环保、安全等优点，受到消费者的喜爱，空气源热泵热水器的市场份额逐年增长。

在家用空气源热泵热水器中，静态加热式热水器因其结构简单、价格较低成为众多消费者的第一选择。

由于热泵热水器的低温衰减特性，大多数厂家都会有其加入了电加热的热泵热水器的产品。

根据GB 29541-2013《热泵热水机（器）能效限定值及能效等级》，对普通型静态加热式热水器的能效等级指标如表，为什么要在热泵热水器加入性能系数不超过1.0的电加热，电加热的安装位置、启停时间与功率等对热泵的性能、可靠性以及用户的使用效果都有什么影响？
1、为什么要加入电加热
压缩机作为热泵热水器的核心部件，其能力决定了热泵的制热量。

压缩机的制冷量，对定频压缩机，其理论输气量由压缩机的结垢参数和转速所决定，是固定不变的。

单位容积制冷量：，在冷凝温度不变时，固定不变，通过观察制冷剂的饱和蒸汽性质表可以发现，随着蒸发温度的降低，虽然饱和蒸汽的比焓也随之降低，但变化很小。

尽管的变化对单位容积制冷量的分子无多大的影响，但由于的降低使蒸发压力的随之下降，因而压缩机的吸气比容增大，使分母有较大的改变，随的降低而迅速下降，这意味着对一台给定的定频压缩机，随的下降，制冷量将迅速下降。

热泵热水器的能力、能效会随着环境温度的降低而降低，这时压缩机的运行时间会延长，当工况较恶劣时，会超出压缩机的运行范围，压缩机超运行范围运行会降低压缩机可靠性，缩短压缩机寿命。

电加热能够保证低环境温度下热泵制热量降低甚至不能运行时热水器的正常热水，提高热泵热水器的可靠性与用户的使用体验。

2、电加热的功率
对产品设计而言，需要尽可能使用户能够随时享受到热水，尤其是在晚上大量用水后要保证第二天早晨的热水用水。

若一款静态加热式热水机的名义制热量为2500W，配200L水箱，热泵最小运行工况制热量为名义工况的75%，假定其制热量衰减是线性的，那么热水机在进水温度9℃、出水温度55℃，环境0℃、-5℃、-10℃、-15℃的条件下，热泵热水机的制热量与运行时间如下：
当环境温度低于-7℃时，很难在一个晚上将整箱热水加热到使用温度。

而且低温环境下，蒸发温度过低，会超出压缩机运行范围，压缩机压缩比增大会引起排气温度过高、系统会出现回液，严重时会导致压缩机损坏等问题。

如果将整个加热时间缩短到6小时内，那么需要增加的电加热功率为：
当热泵停止运转时，需要的电加热功率为1780W，因此电加热选型1500W 能满足冬季的热水需求。

3、电加热位置
电热水器一般会设置多个电加热，在夏季用水量较小或家庭成员较少的情况下，选择只加热上半水箱水，既能满足适量用水量的需要，同时还能避免加热整水箱水造成浪费；在冬季用水量增大或家庭成员增多的情况下，选择加热整水箱水，这样就能整箱热水能满足用户需求，更人性化、更便捷。

中国市场上，对绝大多数静态加热式热泵热水器，电加热只作为一个辅助热源，设置在水箱的下部。

在实际应用中，由于冷热水分层，冷水在下、热水在上，电加热的位置在水箱上部，就可以只加热水箱上部的水，能够在更短的时间内加热好水箱上部的热水，提高加热效率，缩短加热时间。

在美国，热泵热水器与燃气热水器、燃油热水器、电热水器其一样需要测试第一小时额定值，第一小时额定值是评估储水式热水器在加热元件全部工作状态下，一小时内能够提供的最大热水容量。

按照美国能源部最新公布的家用和商用热水器测试程序最终法案，第一小时额定值放水期间，进水温度应为14.4±1.1℃，出水最高温度应满足51.7±2.8℃，并且放水开始15s每隔5s记录出水温度，当出水温度下降到当次放水最高温度℃时终止放水，当有加热元件停止加热时再次开始放水，直到时间达到1h。

从标准来看，美国的热泵热水器需要设置大功率的电加热，并且需要设置在水箱上部。

例如，A.O.Smith整体式热泵热水器SHPT-50，额定容积为50gal，上部电加热功率4500W，其第一小时额定值，混合模式为67.5gal，节能模式42.1gal，电加热模式59.1gal，大功率的上部电加热能够很大程度的提高第一小时额定值，在同等额定容积条件下更大程度满足用户的大用水需求，提高产品竞争力。

4、电加热的控制
当电加热设置在水箱上部时，那么需要在正常用水需求时不开启电加热，在有大用水需求时能尽快开启电加热，那么热泵与电加热的启动控制可以按照以下思路：
热泵启动，水箱温度≤设置温度-热泵再加热温差
电加热启动，水箱温度≤设置温度-热泵再加热温差-电加热在加热温差
随着放水，冷水进入水箱，水箱下部水温逐渐降低，当水箱感温包感应温度下降到热泵启动温度时，热泵启动，如果放水停止，则热泵将水加热好后停机；如果放水继续，水箱感温包感应温度下降到电加热启动温度时，电加热启动，热泵与电加热同时运行，缩短加热时间，满足用户的大用水量需求。

当电加热设置在水箱下部时，电加热一般作为辅助热源，当环境温度较低热泵能力不足或不能运行时开启电加热运行，缩短加热时间；当需求水温超过热泵加热水温上限时，这时电加热能满足用户的高水温需求。

小结
虽然电加热的能效远远低于热泵，但是电加热能够弥补热泵在低环温的能力不足，同时也能提高热水器的加热水温上限。

电加热无论设置在水箱上部或是水箱下部，都能满足用户的大用水量需求，但是设置在水箱下部时需要用户更改设置温度并且需要更多的加热时间才能让用户享受到符合使用要求的热水。

参考文献
[1]吴业正、韩宝琦.制冷原理与设备，西安交通大学出版社，1996
[2]GB/T 21317-2008，家用和类似用途热泵热水器.
[3]GB 29541-2013，热泵热水机（器）能效限定值及能效等级.
[4]Department Of Energy 10 CFR Parts 429，430and431，2014.。