节能壁挂式电热水器研发中热泵技术的运用

王秀峰

[摘    要]分析了基于热泵技术的节能电热水器运行原理，并提出了一种基于热泵技术的节能壁挂式电热水器系统研发设计方案，主要从节能热水器热泵系统的设计、保温水箱模块设计、热泵模块设计、热水器模块总成这几方面入手，对该设计方案内容进行了全面阐述，并以某高校的应用实例进行成效分析。结果证明，该设计方案具有良好的节能效果，加热成效也相对理想。

[关键词]热泵技术;节能壁挂式电热水器;保温水箱

[中图分类号]TM925.32 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]This paper briefly explains the operation principle of energy-saving electric water heater based on heat pump technology， and puts forward an R & D and design scheme of energy-saving wall mounted electric water heater system based on heat pump technology， mainly from the aspects of energy-saving water heater heat pump system design， thermal insulation water tank module design， heat pump module design and water heater module assembly， This paper comprehensively expounds the content of the design scheme， and analyzes the effect with an application example of a university. The results show that the design scheme has good energy-saving effect and relatively ideal heating effect.

[Keywords]heat pump technology; energy saving wall mounted electric water heater; thermal insulation water tank

在进行电热水器的研发过程中，需要重点把握其加热性能以及节能性能，此时，可以在其中引入热泵技术，实现节能式电热水器的设计。

1 基于热泵技术的节能电热水器运行原理分析

对于基于热泵技术的节能壁挂式电热水器而言，其节能性能主要依托降低电能消耗的方式体现。在热泵的支持下，空气内包含的热能转移至水中，保证电热水器实际加热成效达标的同时，达到节能效果。对于其中所加设的热泵单元而言，压缩机、风机及其底座结构、挂架等零部件共同构成该单元结构，在加热过程中的运行原理（图1）主要如下：依托压缩机的运行，热泵制冷劑会由原本的低温饱和气态逐步转变为温度与压力均相对较高的气态，此时的主要操作为压缩处理;引导制冷剂向着冷凝器的内部进行迅速转移，在冷凝器的支持下促使原有的热气态迅速转变为处于饱和状态的气态;随后再转变为液态（经过冷凝），依托上述流程操作的落实，能够将大量的热能释放出来;在冷凝器的支持下，这些热量交换至水中，从而达到对水箱内的水展开加热处理的效果;结合毛细管内设置的干燥过滤器的作用，可以将制冷剂转移至蒸发器结构中，由此驱动制冷剂的压力在相对较短的时间段内呈现出显著的下降趋势，使得热泵制冷剂从原有的液体结构转化为气体结构（一般转化为饱和气态），并依托这一流程实现对空气内大量热量的吸收;针对处于饱和气态的热泵制冷剂进行汇总，并将其引入压缩机结构内，循环上述流程操作[1]。

同时，该电热水器存在两种运行模式，即速热模式与节能模式。其中，在速热模式下，自动落实水温、环境温度检测，在条件满足时启动加热棒与热泵进行快速加热，水温提升至50 ℃后热泵系统转入停止运行状态，而加热棒持续运行，直至水温达到预设数值;在节能模式下，自动落实水温、环境温度检测，在条件满足时启动热泵进行快速加热，水温提升至50 ℃后热泵系统转入停止运行状态，切换至加热棒加热状态，直至水温达到预设数值。

2 基于热泵技术的节能壁挂式电热水器系统研发设计方案分析

2.1 节能热水器热泵系统的设计

空气平均温度设定为20 ℃;针对该热水器内热泵系统的运行环境温度，在本次系统研发设计中主要维持在不低于10 ℃且不超过43 ℃;针对该热水器内热泵系统的加热水温度，在本次系统研发设计中主要维持在不低于15 ℃且不超过50 ℃;平均热水量维持20L/h。

在本次研究中，主要在节能热水器的热泵系统内加设翅片管式蒸发器，在提取空气转移出蒸发器的过程中，温度要求控制在16 ℃左右即可;由于该温度数值与热泵制冷剂蒸发温度之间存在着约10 ℃的差值，由此可以了解到，本次节能热水器的热泵系统研发设计中，热泵制冷剂蒸发温度维持在6 ℃左右。主要在节能热水器的热泵系统内加设钢盘管（即冷凝器），为保持热泵冷凝器的冷凝温度与加入热水温度之间存在着5 ℃的差值，则在实际的设计中使冷凝温度维持在55 ℃左右即可。节流部件主要选用毛细管，因为其节流值始终维持在恒定状态，所以可以对不同工况条件下的运行需求进行满足。实践中，在热水器设计与构建之前，必须要落实对多样性工况下（常见运行条件、特殊运行条件）的重要参数（如毛细管规格、制冷剂充注量）验证，并由此确定出的最优参数。同时，设定各种关键参数如下所示：制热量控制在705 W;功率控制在215 W;风压维持在28 Pa、风量设置为130 m3/h。

2.2 节能热水器模块化设计

基于热泵技术的节能电热水器内含大量零部件，且结构的复杂程度相对较高，因此，为了更好保证热水器的性能，在实际的设计过程中主要应用模块化设计的方式，对所有零部件位置展开合理性设定，以此促使整个基于热泵技术的节能电热水器的结构紧密程度提升，达到提高热水器生产组装效率的效果，也为后续维护工作的展开提供更好条件支持。本研究中所提出的基于热泵技术的节能电热水器可以细化为两部分主要结构，即保温水箱模块以及热泵模块。其中，保温水箱模块中所包含着的硬件结构有冷凝器、阳极棒、水箱等;热泵模块中所包含着的硬件结构有干燥过滤器、压缩机、毛细管、蒸发器等。对于这两大功能模块，主要使用结构件完成连接，促使其固定为一个整体。

2.2.1 保温水箱模块设计

图2为保温水箱模块的结构示意图。参考传热面积，实现对冷凝器的成盘管制作中的钢管长度数值的确定，同时针对钢管表面依托搪瓷工艺完成处理，以此实现对成盘管防结垢、防腐蚀性能的提升。在钢盘管的焊接操作中，主要在底盖位置完成，并提前将进气配管、出气配管分别与钢盘管中所规划的进口位置与出口位置进行一一对应的配置与连接;在桶体结构中加设进水管，针对顶盖位置落实高质量的焊接处理，组建起桶体的整体性结构组件;依托搪瓷工艺实施表面处理，以此达到强化桶体整体性结构组件的防结垢、防腐蚀性能增强;为实现各个结构之间的连接，主要利用焊接的方式对桶体以及钢盘管的底盖结构进行固定，总体构成内胆组建。在外壳结构中选取一端，引入焊接环处理，促使焊接环与卡扣槽结构之间实现固定连接，并促使其与罩壳完成连接。在此基础上，出于对进一步提升内胆结构实际保温成效的考量，针对内胆组件与外壳之间所存在的空隙，可以利用聚氨酯整体发泡工艺落实处理，由此构建起性能更为理想的保温水箱模块。

2.2.2 热泵模块设计

压缩机、风机及其底座结构、挂架、涡壳等零部件共同构成热泵模块，将冷凝器结构加设在保温水箱内，基于此，不需要在热水器的热泵模块中引入冷凝器。结合对风机直径、换热面积等参数的综合分析与考量，落实对蒸发器宽度、长度等参数的确定，同时在其下方位置加设集水槽，保证热水器运行中所产生的冷凝水能够得到及时且全面的收集、汇总[2];在外接导流管的支持下，相应冷凝水可以迅速排出。为了更好保证蒸发器在换热操作中能够显现出更为理想的均匀性，在本次节能热水器的研发设计实践中，主要在蒸发器结构与风机扇叶结构之间引入导风涡壳，并使用弧形设计的形式落实其表面设计，从而达到降低流阻的效果，同时促使蒸发器的实际出风均匀性水平始终保持在理想水平，并同时实现对运行噪音的有效控制。在风机安装座上，进行风机、风机扇叶的合理且牢固固定，并在风机安装座的另一端位置加设涡壳结构;结合热泵大挂架的应用，让多个结构配合运行，并从物理上组成一个整体结构，共同组建起热泵模块。

2.2.3 热水器模块总成

对于热水器模块总成来说，其主要承担着将保温水箱模块与热泵模块连接整合为一个整体的任务，即完成多个功能模块的固定集成，最终实现对基于热泵技术的节能电热水器的设计与构造。同时，在风机、压缩机的生产运行阶段，噪声的生成不可避免，且会随着连续运行时间、累计运行时间的增长而出现运行噪声增大的现象，所以在本研究的设计中，将隔音降噪结构加设在塑料壳罩中;使用卡扣连接外壳与塑料壳罩，由此构建起包含热泵的节能壁挂式电热水器。在该电热水器的实际安装过程中，保留原有的挂板固定模式。由于在本次设计中，主要在节能壁挂式电热水器增设了热泵模块，所以其总长度表现出增加的状态，平均增长200 mm;相比于传统热水器，基于熱泵技术的节能壁挂式电热水器在安装固定过程中所应用的方法基本保持一致[3]。

2.3 节能热水器的性能优势与改善成效分析

2.3.1 节能热水器的性能优势

在该热水器系统中，热水的提供主要依托空气源热泵完成，由于热泵供给大量热源，所以不需要投入电力扩容，节能效果十分显著。同时，该节能热水器还具有高效运行、远程监测、热水供应充足、多种模式设计、安全环保及智能除霜六大优势加持，可全天候提供恒温舒适的生活热水，具体介绍如下。

①高效稳定运行。该节能热水器主要使用高压比变频压缩机，可实现大范围环境温度下（最低-20 ℃，最高43 ℃）制取热水。②远程监测。可实现远程监测，随时掌握机器运行状态，也可根据用户的使用需求实时调整机器运行状态和定时运行。③热水供应充足。热水量充足，水箱大小可根据用户需求进行不同配置，确保用户的热水供应量。④多种模式设计。提供压缩机共振点屏蔽模式、制热加速模式、省电模式等多种模式选择。⑤安全环保。完全实现水电分离，并采用R410A环保冷媒。⑥智能除霜。低温环境下智能除霜，避免出现无霜化霜而导致热量损失。

2.3.2 节能热水器性能改善的成效分析

某高校在优化改造项目中，选用本研究提出的基于热泵技术的节能壁挂式电热水器系统替代原有的电热水器。该高校的基本情况如下所示：高校共有2个校区，总建筑面积为32.86万m2，学校全日制在校生14961人，全校教职工871人。项目改造前，学校采用电热水器进行热水供应，1个宿舍安装1个电热水器，不仅运行效果不佳、安全性不高，而且运行费用非常高，每年的电费在500万元左右。而改用热泵热水系统进行热水供应后，设计热水机组每天运行8 h左右，日均产热水300 t，能够24 h为学校师生提供生活热水，不仅能稳定提供热水，安全性强，而且节能性非常明显。学校使用该热泵提供热水供应，热水机组每天平均供应8 h，预计运行费用为每年100万元，改造后学校每年可节省电费约400万元。综合来看，基于热泵技术的节能壁挂式电热水器系统的经济效益明显，且运行安全性、稳定性理想。

3 结束语

依托热泵技术降低节能壁挂式电热水器的能源消耗能够收获更为理想的成效，通过设置保温水箱模块、热泵模块，进行热水器模块总成，并设定速热模式与节能模式这两种运行模式，实现了壁挂式电热水器实际加热效果的维护，并对其节能效果进行了提升。实际应用案例表明，基于热泵技术的节能壁挂式电热水器系统的经济效益明显，且运行安全性、稳定性理想，因此有着较高的推广应用价值。

参考文献

[1] 周鹏瑞.空气源热泵集中热水系统在康复医院项目中的应用及经济性分析[J].工程技术研究，2021，6（6）：54-55.

[2] 李文明，董振宇，刘一飞，等.基于热泵技术的节能壁挂式电热水器研发[J].家电科技，2020（S1）：152-155.

[3] 任玉成，黄星智，李靖，等.水源热泵在水面光伏升压站中的应用及经济性分析[J].资源信息与工程，2020，35（5）：145-147，152.