淺析搪瓷儲熱水箱在空氣源熱泵應(yīng)用

江蘇邁能高科技有限公司/蔣興軍、劉予

　　摘要：本文通過對比內(nèi)置盤管和外置盤管的優(yōu)劣勢，分析了當(dāng)下空氣源熱泵熱水器換熱（冷凝）技術(shù)的應(yīng)用情況，并通過GMO邁能對于外盤管空氣源熱泵搪瓷儲熱水箱的技術(shù)改進(jìn)和實(shí)際產(chǎn)品的測試，分析說明了外置式空氣源熱泵熱水器的改進(jìn)方向和可行性。

　　0引言

　　上世紀(jì)90年代末期出現(xiàn)的空氣源熱泵熱水器運(yùn)行原理和制冷空調(diào)相似，通過利用制冷劑的氣液兩相變化，將熱量從低溫轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境中。儲熱水箱作為空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品中的儲熱和換熱部件，既是一個儲水的容器，同時也是熱泵系統(tǒng)的換熱器（或稱冷凝器），擔(dān)負(fù)著通過壓縮機(jī)排出高溫冷媒蒸汽加熱熱水的任務(wù)。本文通過對比分析空氣源熱泵熱水器不同的換熱/冷凝形式的優(yōu)缺點(diǎn)，對空氣源熱泵儲熱水箱的選配提出了自己的觀點(diǎn)。

　　1空氣源熱泵熱水器的三種換熱形式

　　空氣源熱泵熱水器有3種換熱形式。一是稱為水泵水循環(huán)式（水循環(huán)），換熱器置于室外機(jī)一側(cè)，通過一個小水泵將水箱中的水抽到室外機(jī)一側(cè)進(jìn)行加熱。二是將換熱器置于水箱內(nèi)，讓換熱盤管浸于水中，換熱盤管直接加熱水，行業(yè)內(nèi)稱之為內(nèi)置盤管，此類空氣源熱水器屬于氟循環(huán)式。三是將管盤繞儲熱水箱內(nèi)膽外，盤管不與水接觸，換熱盤管不直接加熱水，而是通過加熱金屬內(nèi)膽來間接加熱水，普遍稱之為外置盤管，其屬于氟循環(huán)式的空氣源熱水器。

　　水循環(huán)空氣源熱泵熱水器和氟循環(huán)空氣源熱泵熱水器屬于兩大不同的范疇，在技術(shù)要求以及安裝應(yīng)用方面都具有較大差異，下文將重點(diǎn)對氟循環(huán)的兩大換熱方式進(jìn)行闡述。

　　1.1內(nèi)置盤管空氣源熱泵熱水器

　　內(nèi)置盤管的換熱器一般位于內(nèi)膽的下端，換熱盤管直接與水接觸，壓縮機(jī)排出的高溫冷媒在銅管內(nèi)流動，通過加熱銅管來加熱水罐中的熱水，材質(zhì)分別有銅盤管、不銹鋼盤管和搪瓷盤管3種。

　　無論使用何種材質(zhì)盤管，內(nèi)置盤管用材都相對較少，結(jié)構(gòu)也簡單，因此成本相對低廉，而且換熱器置于水箱內(nèi)膽內(nèi)部，傳熱過程中熱阻小，導(dǎo)熱速度快，縮短了空氣源熱泵熱水器的工作時間，這樣更方便用水，保護(hù)壓縮機(jī)，最主要的是換熱效率高，更能體現(xiàn)空氣源熱泵熱水器節(jié)能的巨大優(yōu)勢。

　　但是內(nèi)置盤管也有致命弱點(diǎn)，冷凝銅管直接與水接觸，隨著使用時間的增長，銅管表面會結(jié)一層致密的水垢，水垢的熱阻很大，是銅管熱阻的數(shù)百倍，相當(dāng)于在銅管的外面蓋了一層厚厚的棉被（如圖1所示）。水垢的存在大大影響了冷媒與熱水之間換熱效果，導(dǎo)致熱水不能被加熱，而熱泵系統(tǒng)也會因?yàn)闊崃可⒉怀鋈ザ荒芨咝Щ蛘９ぷ?。為了提高換熱效率，需要定期對水箱中結(jié)垢進(jìn)行清理。但是水箱內(nèi)膽又是全封閉的，清洗難度非常大。

圖1結(jié)垢的內(nèi)置盤管

　　1.2外置盤管空氣源熱泵熱水器

　　外置盤管空氣源熱泵熱水器，盤管換熱器是有規(guī)律地纏繞在水箱內(nèi)膽的外壁，一般使用導(dǎo)熱硅膠讓盤管緊緊與水箱內(nèi)膽緊密貼合。加熱時，壓縮機(jī)排出的高溫冷媒先加熱外置換熱器（冷凝管），盤管加熱內(nèi)膽外壁，再通過內(nèi)膽將冷水加熱。目前市場上有3種材質(zhì)形式：銅盤管、鋁盤管和微通道（如圖2所示）。

　　圖2銅盤管、微通道以及鋁盤管換熱形式空氣源搪瓷儲熱水箱

　　相對于內(nèi)置盤管，外置盤管空氣源熱泵熱水器有明顯優(yōu)勢：第一，盤管換熱器不與水直接接觸，不存在盤管被腐蝕后冷媒泄漏對水質(zhì)的污染，可靠性比較好，更不會對人體健康造成危害；第二，內(nèi)置盤管使用時間一長就容易產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象，而外置艇則完全避免了這種現(xiàn)象，不管使用多少年，盤管依舊如新；第三，外置盤管由于受熱均勻，所以外置的熱水實(shí)際出水量能達(dá)到95%。因此同樣的型號，外置盤管出水量要比內(nèi)置的高出高多。第四，由于外置盤管不易泄露，所以在主機(jī)出現(xiàn)問題則維修主機(jī)或更換主機(jī)，水箱有問題則維修水箱或換水箱，無需整機(jī)報(bào)廢，減少了經(jīng)銷商和用戶的麻煩和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

　　2外置銅盤管、外置鋁盤管和外置微通道

　　2.1外置銅盤管

　　外置銅盤管目前在市場上應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)也比較成熟。銅盤管延展和導(dǎo)熱性能較好，使用外置銅盤管的系統(tǒng)也更為穩(wěn)定。外置銅盤管換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內(nèi)膽如圖3所示。

　　圖3外置銅盤管換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內(nèi)膽

　　2.2外置鋁盤管

　　作為換熱載體，鋁盤管外置換熱形式與銅盤管基本類似，只是在選用鋁材有一定考究，不同牌號的鋁材延展性和剛性較大，制作D型管形狀也不一樣。

　　通常在選型時，應(yīng)采用剛性相對偏大，不易變型的鋁管和D型管的有效長度適宜，由于鋁管導(dǎo)熱系數(shù)沒有銅管導(dǎo)熱系數(shù)高，約為同種規(guī)格銅管的2/3，因此在設(shè)計(jì)換熱面積時應(yīng)盡可能考慮鋁管的長度，當(dāng)然還要根據(jù)整個配置系統(tǒng)來分析，不能一味地加長長度，需要根據(jù)整個系統(tǒng)運(yùn)行的壓力、冷凝壓力和過冷度等參數(shù)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。外置鋁盤管換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內(nèi)膽如圖4所示。

　　圖4外置鋁盤管換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內(nèi)膽

　　2.3外置微通道

　　微通道基本選材也是鋁為主要基材，形狀是扁管，每根扁管中間通孔比較細(xì)小且數(shù)目眾多，再由多根這樣扁管組合而成，其最大的優(yōu)勢在于換熱面積大，冷凝效果明顯，制冷劑在流經(jīng)數(shù)目眾多的小孔時，容易產(chǎn)生較大的溫差，強(qiáng)化換熱，使得制冷劑很快達(dá)到需要的狀態(tài)。在制冷領(lǐng)域中，有數(shù)據(jù)表明，冷凝時換熱性能提高30%，制冷劑充注量可以減少8%，為此該結(jié)構(gòu)可以適用于壓力更高的系統(tǒng)。外置微通道換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內(nèi)膽如圖5所示。

　　圖5外置微通道換熱空氣源搪瓷儲熱水箱內(nèi)膽

　　3如何改進(jìn)盤管換熱技術(shù)

　　針對外盤管加熱存在的不足，GMO邁能的空氣源熱泵熱水器儲熱水箱從以下幾點(diǎn)加以改進(jìn)和提高：

　　（1）在銅管或鋁管在盤繞之前，對銅管或鋁管的形狀進(jìn)行改變，將其擠壓成“D”型管，并施加一定牽引力，使D型管緊密地纏繞在內(nèi)膽的外表面；

　?。?）在繞管之前，對內(nèi)膽外表面進(jìn)行拋丸工藝的處理，去除因搪瓷后外表產(chǎn)生的氧化皮，降低傳熱過程中熱阻；

　?。?）在繞管的同時，對“D”型管與內(nèi)膽接觸面之間注入導(dǎo)熱硅脂，解決“D”型管與內(nèi)膽之間可能存在的凹陷不平和出現(xiàn)的傳熱盲點(diǎn)。

　　通過GMO邁能試驗(yàn)測試，內(nèi)膽外壁與內(nèi)壁溫差在3℃~5℃之間。通常情況下水垢的形成與加熱面的溫度有很大的關(guān)系。在加熱表面低于60℃的情況下，加熱表面可以在較長的運(yùn)行時間內(nèi)保持較輕的結(jié)垢程度；若加熱面高于60℃，加熱表面在短期內(nèi)就容易出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。由于采用外盤管方式使傳熱溫差很小，只有3℃~5℃，當(dāng)熱水溫度達(dá)到55℃時，加熱面不會超過60℃，因此水罐加熱面結(jié)垢的情況可以得到很大的緩解。從太陽能夾套水箱（類似熱泵水箱）解剖觀察，水罐內(nèi)壁僅局部有少量的松散狀物質(zhì)，用手指一摸就可清除，并沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)致密的水垢。

　　另外，由于銅和鋼的膨脹系數(shù)比較接近（銅的膨脹系數(shù)：0.0000167米/℃，鋼的膨脹系數(shù)：0.0000136米/℃），因此只要繞管工藝精湛，銅管或鋁管一直受到機(jī)械牽引力的作用，銅管或鋁管能與內(nèi)膽緊密貼合。而且在熱泵系統(tǒng)中，氟系統(tǒng)溫度的變化通常在50℃左右，內(nèi)膽的變化也差不多，因此就兩種材料產(chǎn)生的間隙很小，這對整個內(nèi)膽不會產(chǎn)生影響。

　　4結(jié)語

　　空氣源熱泵熱水器內(nèi)置盤管換熱和外置盤管換熱均具有優(yōu)劣勢，但相對于內(nèi)盤管換熱致命的腐蝕、結(jié)垢缺陷，外置盤管更具有優(yōu)勢。通過對各方面技術(shù)的改進(jìn)，外置盤管目前已能夠滿足空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)性能的要求，而銅盤管、鋁盤管以及微通道的應(yīng)用更加豐富了外置盤管換熱的選擇性。