热泵压缩机选用

如何正确选择和使用热泵专用压缩机

2011年7月12日《电器》杂志上海日立电器有限公司乐红胜

继2009年上海日立首先推出“睿能4X-POWER”热泵专用压缩机并推广以来，国内多家压缩机厂家纷纷投入热泵专用压缩机开发，以期为热泵热水器的健康发展提供保障。热泵热水器的运行模式与空调存在很大差异，这决定了热泵专用压缩机与空调压缩机在设计理念上存在差异。但是，在实际使用时，仍要遵循热泵运行的规则，这样才能真正发挥热泵专用压缩机的优势。以下就以家用转子式热泵专用压缩机为例，简要说明如何正确选择和使用该类型压缩机。

空调与热泵热水器运行模式的差异

热泵热水器与空调相比，可谓五花八门，有整体式、分体式、循环加热式、外盘管静态加热式、内盘管静态加热式、直热式、储热式等。将这些分类进行简化，大致可以得出空调与热泵热水器的差异点如下。

第一，热泵热水器全年都在制热，空调则是制冷、制热交替进行。

第二，热泵热水器蒸发温度可在-20~35℃之间，而空调蒸发温度一般在15℃以下。

第三，由于国家标准要求热泵热水器出水温度在55℃以上，因此热泵热水器的冷凝温度常年处于高水平，而空调只在夏季少数高温天气下才会有高冷凝温度现象。

第四，空调运行压缩比一般在3~4，极端恶劣工况也只达到5~6，而热泵热水器的压缩比往往在10以上（冬季）。

第五，热泵热水器中的制冷剂迁移现象要比空调严重得多。

第六，由于冷凝温度高，热泵热水器对“吸气带液”非常敏感。

第七，热泵热水器作为日用品常年使用，而空调的使用季节性非常强。

开发热泵热水器需注意的问题

市场上数量最多的分体式热泵热水器或者放于室外的整体式热泵热水器，蒸发温度范围非常宽。为了在宽范围内进行有效节流，建议不要采用单根毛细管，应采用膨胀阀或者多组毛细管，以应对环境温度的变化，保证在所有运行条件下都有吸气过热度。热泵专用压缩机可以适应很宽的蒸发温度，但是也要避免液体直接进入压缩机，特别是冬季。

针对静态加热储热式热泵热水器，“制冷剂迁移”是回避不了的问题，即压缩机停止工作后，冷凝器处于高水温环境中，压缩机和蒸发器逐渐冷却，温差导致制冷剂逐渐迁移至蒸发器和压缩机，制冷剂发生“聚集”，压缩机再次启动时，聚集在蒸发器中的制冷剂很可能直接进入压缩机。也就是说热泵热水器发生液击的程度比空调要严重得多。这个现象已经经过多次试验得到验证。这也是热泵专用压缩机采用超大容量弧形储液器设计的原因之一（缓解液击、提升吸气过热度）。因此，在开发热泵热水器时，需要观察液击、浸入现象，评估风险。比如阿里斯顿、格力等企业在开发热泵热水器时都进行详细的视镜观察，确认系统设计的可靠性。

压缩机底部过热度的测量也是在热泵热水器系统设计时容易被忽略的地方，却是极重要的。压缩机底部过热度定义为：“压缩机底部温度”与“冷凝温度”之差。如果压缩机底部过热度为零或者小于零，此时压缩机本体就成了一个“冷凝器”，制冷剂会慢慢在压缩机壳体内冷凝成液体而沉积在压缩机底部，被当做“润滑油”泵到压缩机泵体各滑动面上。液态制冷剂是没有润滑功能的，会造成压缩机泵体摩擦对偶全面磨耗，发生“咬缸堵转”只是个时间问题。

为什么热泵热水器要特别注意压缩机底部温度？原因还是因为“冷凝温度”。冬季运行时，如果发生“吸气带液”，进入压缩机内部的液态制冷剂会迅速降低压缩机本体温度，加上低的环境温度，导致压缩机底部温度降得比较低。而热泵热水器由于需要制取较高温度的热水，冷凝温度比较高，这就很容易发生压缩机底部温度低于冷凝温度的现象。系统实验表明，当发生吸气带液时，在制取55℃热水时，环境温度在5℃左右就会发生压缩机底部过热度小于零的现象，环境温度越低越严重。

这也是为什么要求压缩机在所有运行条件下都有吸气过热度的原因。空调压缩机在有吸气过热度时容易“电机过热”，特别是在高压缩比运行时。这恰恰是热泵专用压缩机需要解决的，在高压缩比下，热泵专用压缩机仍可可靠运行。

热泵热水器如何控制水温

相对空调压缩机，热泵专用压缩机需要保证在制取较高水温时保证可靠性。但是不是水温可以无限提高？当然不是。热泵专用压缩机有R417A和R134a制冷剂两种，下面以R134a制冷剂为例进行说明。

第一，由于是低压制冷剂，R134a制冷剂冷凝温度可高达80℃，按照换热温差5℃计算，最高出水温度可到75℃。是不是所有条件下都可以达到75℃？不是的。针对不同的环境温度，水温需要控制：一般情况下，冷凝温度达到80℃时，蒸发温度不要超过5℃。在低温环境下，需要适当降低冷凝温度，当温度降低为-15℃左右，建议将冷凝温度控制在不超过70℃（水温65℃左右）。

第二，低温下遇到的问题是高压缩比。热泵专用压缩机可以承受很高的压缩比，相对空调压缩机最大压比5~6，其最大压比在10以上（建议在11~13范围内是安全的）。但是压缩比不可无限提高，过高的压比导致压缩机内部局部温度可能过高，从而超过压缩机极限而损害压缩机。

有厂家提出，在低温环境下，热泵系统上压缩机的实际排气温度并不高。主要原因是“没有吸气过热度”，吸气带进压缩机的液态制冷剂降低了排气温度。发生这种情况时，除了制热效果很差（有的根本就不起作用，或者水温上升极为缓慢），对压缩机可靠性也是致命的：压缩机底部过热度不足导致严重磨耗。认为在低温环境下也可以制取70℃以上热水是一种认识上的误区，影响压缩机可靠性的不仅仅是吸气压力、排气温度、排气压力，还有如“压缩机底部温度”、“吸气带液”等难以被察觉的致命因素。针对这些问题，压缩机厂家首先需要弄清楚，否则可能会误导系统厂家。

第三，建议对热泵热水器系统运行模式进行设置，在环境温度不太低时将最高水温设高一点，低温环境下水温设低一点（65℃）。即使是65℃，也比国标规定的55℃要高很多，完全可以满足国标和消费者的需求。这样既可以保证较高的出水温度和能效，又可以保证整个系统的安全可靠性。

热泵热水器长期运行的考虑

不管是什么类型的热泵热水器，长期运行后，水侧（冷凝侧）的换热效果都会下降（结垢、松动、老化等），换热温差会增加。因此需要对自己开发的热泵热水器进行估算，冷凝侧换热温差可能会发生怎样的变化。在设计当初就考虑到将来换热温差的增加问题，留出一定的安全余量，以保证压缩机长期运行在安全范围之内。

另外，在北方寒冷地区（比如-20℃环境温度以下），热泵热水器的应用尚不多，主要制约因素是制热量衰减和极高压缩比。热泵专用压缩机在提升制热量和压缩比方面已有大幅度改善，但针对北方寒冷地区，CO2系统有着独有的优势：第一，CO2是一种高压制冷剂，在环境温度极低的条件下，制热量衰减相对较小、仍可保持较高的能效；第二，CO2系统是显热加热水，压缩比低，可以在低温下安全可靠地制取70~90℃的热水。

因此，从技术上来说，寒冷地区采用CO2热泵热水器是最好的选择。尽管上海日立等压缩机厂家已经完成CO2压缩机的开发，但国内整体配套能力仍还有很长的路要走，加上成本高昂，国内水质