涡旋压缩机在热泵热水器中的应用

涡旋压缩机在热泵热水器中的应用

王善平 谷波

（上海交通大学， 上海，200030）

韩润虎

（丹佛斯自动控制有限公司，上海，200233）

摘要：热泵热水器以制取热水为目的，有别于普通制冷或空调。热泵热水器运行时冷凝温度和冷凝压力很高，对压缩机的可靠性和应用技巧提出了较高要求。涡旋压缩机可靠性好、效率高，在热泵热水器中得到了大量应用。

关键词：热泵热水器、涡旋压缩机、电机烧毁

Application of Scroll Compressors in Heat-pump Water Heaters Wang Shanping Gu Bo Han Runhu

(Shanghai Jiaotong University) (Danfoss)

Abstract: Unlike freezers and air conditioners, heat-pump water heaters are the specialized equipment for hot water. Compressors application skills and reliability is highly needed because of the terribly high condensing pressure and condensing temperature. With the high reliability and efficiency as well as the amazing performance of anti-slugging, scroll compressors are widely used in heat-pump water heaters. Key Words: Heat Pump Water Heater, Scroll Compressor, Motor Burnout

1前言

理论上，热泵的效率永远高于1。在我国的大部分气候条件下，气源热泵和水源热泵的效率都在2～3以上。其他加热设备如电热器、燃油、燃气和燃煤的加热效率均在1以下，甚至低于0.5，而且还可能排放大量的燃气和粉尘，加剧城市的污染和热岛效应。在能源日趋紧张和环保意识不断提高的大背景下，利用热泵技术制成的热泵热水器和热泵热风机在家庭、宾馆、洗浴中心以及食品干燥、粮食干燥、印染、造纸、化工等场所具有广阔的应用前景(1)。

根据所采用的工质或制冷剂，目前的热泵可分为常规热泵和CO2热泵。常规热泵采用R22、R134a、R410A等制冷剂，冷凝放热过程在亚临界区进行，压力和温度维持不变，热泵的结构与制冷或空调非常接近，设计、加工没有特殊要求，一般制冷或空调厂家均可生产。 CO2热泵以CO2 为工质，最大特点在于跨临界热泵循环。由于CO2气体的临界温度（31℃）比较低，CO2热泵只能采用跨临界热泵循环，冷凝放热过程中温度和压力不断下降，最高冷凝压力可达10MPa，有一定的安全忧患，给设计和生产带来了一些不便。CO2热泵需要专用压缩机等配件，成本很高，而效率并没有超出常规热泵很多，因而仍处于开发阶段。一些国家也推出了小功率的家用CO2热泵热水器，年平均COP可达3，售价超过5000美元（2）。显然，CO2热泵热水器进入百姓生活还有一段漫长的路要走。

考虑到实际情况，本文将重点讨论常规热泵热水器。

2 热泵热水器对压缩机的要求

从结构上看，热泵热水器与水冷式制冷或空调系统没有太区别，都由压缩机、冷凝器、膨胀阀（或毛细管）、蒸发器以及制冷小附件组成，但它们的用途完全不同。

图1 气源(a) 与水源(b)热泵热水器原理图

图1是两种目前常用的热泵热水器原理图。空气源热泵热水器一般比较小，通常不带水箱，冷水进入冷凝器换热后，出水温度已达要求，故称为一次换热式热泵热水器。其特点是热水速度快，但效率可能比较低。水源热泵热水器比较大，常带有水箱，冷水与冷凝器需要多次循环换热才能达到出水温度要求，故称循环换热式热泵热水器。其特点是加热时间长，但水量大，效率高，适合人多的场合。 热泵以制热为目的, 无论冬夏，冷凝温度始终很高，这与一般的制冷或空调系统不同。高冷凝温度意味着高冷凝压力、大压缩比、高排气压力、电机的过载、润滑油焦化以及严重的磨损。显然，很少有压缩机能满足这些条件。目前生产热泵专用压缩机的公司很少，而

且产品仅供北欧等很少地区的单热空调使用，冷凝温度低，与热泵热水器的要求相差甚远。

热泵热水器大多采用普通空调用涡旋压缩机，而空调压缩机在设计时考虑的更多的国际或国家标准下的制冷运行要求和特点。因此在涡盘材料选择、强度和耐磨性要求、电机热绝缘等级、电机功率选择、润滑油选择、性能测试程序设计、破环性试验要求等方面，不会过多考虑热泵运行的特点。即使高冷凝温度等破坏性试验，目前行业内通常的试验时间是2000小时，相当于实际使用中的3个月。

图2 涡旋压缩机电流随冷凝温度变化曲线

电机超载是造成压缩机电机烧毁的主要原因。一般而言，涡旋压缩机在冷凝温度接近50℃时已经处于满负荷状态，超过50℃就已经超载。图2给出了一台25HP 涡旋压缩机在蒸发温度为0℃时的工作电流随冷凝温度的变化情况。由图可见，当冷凝温度从50℃上升到65℃后，工作电流从36安培升高到46安培，输入功率也由20kW(约26HP)飚升到26kW(约35HP)，电机严重过载。对于一般的空调，50℃以上的冷凝温度并不多见；而对于热泵热水器，冷凝温度一般不会低于50℃，电机的超载可见一斑。

因此，严格意义上讲，目前市场上的涡旋压缩机为空调压缩机，用在热泵热水器等专用热泵上已超出了厂家允许的使用范围的。压缩机厂家

对正在制定的热泵热水器国家标准中的55℃出水温度是非常谨慎的。

3热泵制热温度的局限与两步换热法

虽然热泵热水器国家标准正在讨论中，但出水温度55℃已经基本确立，一些厂家表示其热泵热水温度可以更高，这是很令人担忧的。高出水温度是以压缩机的寿命缩短为代价的，最终受损的将是广大消费者。

3．1热泵制热温度局限

理论上，涡旋压缩机的最高允许排气温度高达125℃甚至更高一点。实际上，对于空气源热泵和水源热泵, 当压缩机的排气温度超过100℃时, 就需要特别小心,系统可能存在压缩比过大或冷凝面积不足等问题.

涡旋压缩机的工作范围是比较宽广的(图3)，冷凝温度界限也是比较高的，最高可达68℃。在寒冷的冬天，当蒸发温度在0℃或更低时，最高冷凝温度要在65℃以下。对于空调应用，涡旋压缩机已绰绰有余。然而对于热泵热水器这种特殊的应用，要求冷凝温度一直处于65℃甚至更高，目前还没有专用压缩机。

图3. 百福马涡旋压缩机工作范围

压缩机在最高工作压力方面也有限制。丹佛斯百富马压缩机的最高工作压力为3.4MPa，Copeland 压缩机的最高压力为2.85MPa ，其他品牌压缩机的也有类似的压力限制。

3．2 两步换热法

对于普通的制冷和空调系统，冷却冷凝过程在冷凝器中完成，并没有做任何划分。但是对于热泵而言，将冷却过程和冷凝过程分开，是有实际意义的，因为压缩机的排气温度较高，而冷凝温度较低。不同的温度可以用于不同加热过程。

对于一个冷凝温度为60℃、蒸发温度为0℃、无液体过冷度、回气过热度为15℃的热泵系统，压缩机的排气温度在100～110℃之间，比冷凝温度至少40～50℃（图4）。从排气（B 点）到冷凝开始（C 点）为过热气体的等压降温过程，释放的显热为45 kJ/kg，而冷凝过程（C-D）的放热为140 kJ/kg。显热达到总放热量的四分之一，是潜热的三分之一，这是非常可观的。利用排气冷却过程（B-C）的显热和较高的温度，对冷凝器中充分换热的热水进行二次加热，可以有效提高出水温度，这就是本文提出的两步加热法。

图4 R22 压焓图

两步换热将冷却和冷凝过程分开，并将传统的冷凝换热器一分为二：一个冷凝换热器（低温换热器），一个冷却换热器（高温换热器）。冷

水先进入低温换热器，循环吸收相变潜热，成为中温水；中温水再进入高温换热器，吸收气体的显热，一次换热成为高温水。两个换热器的区别在于制冷剂的状态，高温换热器中的制冷剂不能冷凝，冷凝过程只能发生在低温换热器中。