不为人所熟知的热泵技术之一：热泵产品“能效比”为什么会低于1
不为人所熟知的热泵技术之一：热泵产品“能效比”为什么会低于1
江苏华扬新能源有限公司 陈志强
能量守恒与转换定律阐明：能量既不能被消灭，也不能被创造，只能从一个物体转移到另一个物体，或者在一定条件下从一种形态转换到另一种形态。在转移或者转换的过程中，能量的总量保持不变。这也称为热力学第一定律。热泵产品是把能量由一个物体转移到另一物体的典型案例。空气能热水机把空气中的能量搬运到水中，地源热泵制热时把土壤中的热量传递到水中，地源热泵在作空调制冷运行时把环境中的热量通过水传递到土壤中。
在实际的热泵产品宣传中，我们见到的都是热泵热水机“能效比”达到4、达到5或者更高的数值，却往往不知道也不理解热泵产品“能效比”有时却是低于1的。能量守恒定律到底与“能效比”有何关联呢？为什么热泵的“能效比”会低于1呢？热泵热水产品中压缩机与能效比有什么关联呢？
1、 常见的能量守恒公式不严谨
在许多培训资料中人们总喜欢引用类似下面的公式来说明空气能节能特性：
∵ Q热水=Q电能+Q空气…………………………………………………………（4）
∴ Q热水>Q电能或者Q热水/Q电能>1……………………………………………（5）
遗憾的是这个公式并不是总能够很准确地表述热泵产品的能量转移性能，一些情况下这个公式甚至直接导致错误的结论。
图四给出了某款空气能热水机产品在不同气温状况下50℃水循环加热瞬间性能参数曲线，可以看出，气温越低，性能参数越低，当环境温度降到-5℃时，产品的性能参数已经低于1。并且，需要强调的是，测试和计算这个性能参数的耗电量还不包括循环水泵的耗电量，如果增加了循环水泵的功耗，此时系统性能参数会更低。
测试结果表明，当气温比较低时空气能热泵热水机的性能参数是可能低于1的，这个状态下的空气能加热性能也许还不如电加热。
公式（4）和（5）无法解释这个现象。
2、 压缩机工作过程中电能不能100%转换成热能
公式（4）、公式（5）中Q电能是默认可以100%转换成了制热水的热能。但事实上由于各种损失诸如摩擦、泄漏、有害传热、电机损失、流动阻力、噪声振动等的存在，进行100%能源转换是不可能的，压缩机工作过程中必然会发生各种无法逆转的损耗。这个损耗具体有多大呢？
以电能为驱动能源的压缩机的电机与普通电机一样，有着相应的电机效率。电机输出的功率除以电机输入的电能就是电机效率。电机效率是个随工况变化的曲线，上海日立压缩机的技术人员介绍，配置较好的高能效压缩机的电机效率在0.78~0.82之间，除湿机的压缩机电机效率往往只有70%。除此之外，压缩机工作还包括定义克服摩擦功率的机械效率、定义压缩机实际压缩过程与理想工作过程的偏差的指示效率等。所以，实际的热泵热水机能量守恒公式应表示为：
∵ Q热水=ηQ电能+Q从空气得到的热能………………………………………………（6）
其中η为压缩机有效效率。
如果获得的总热能小于电能，即（ηQ电能+Q从空气得到的热能）< Q电能，则有
∴ Q热水< Q电能或者Q热水/Q电能< 1……………………………………………（7）
何时有获得的总热能小于电能呢？把式（ηQ电能+Q从空气得到的热能）< Q电能变换一下，得：
Q从空气得到的热能<（1-η）Q电能
当从空气中得热量太少、少到低于（1-η）Q电能时，热泵的“能效比”就低于1了。何时从空气中得热量太少呢？环境温度降低、压比增高时，蒸发器换热能力会逐渐下降，最终使得空气中得热量低于热泵工作所消耗的电能，能效比低于1。在极端情况下，热泵甚至会无建立正常的蒸发冷却过程，无法正常工作运行。
3、 压缩机的性能曲线与“能效比”
空气源热泵热水机的耗能部件主要有：压缩机、蒸发器风机、控制系统、循环水泵、四通阀线圈、待机能耗等。压缩机是热泵的主要耗能元件，约占总能耗的80%以上。因此，压缩机效率的提高将直接带来热泵效率的提高。而要提高压缩机的效率就必须对具体的压缩机有深刻的了解和认识，这意味着大量的基础技术工作，也是国内压缩机企业的薄弱环节。
作为应用人员，我们更关心具体压缩机的工作性能。图五给出了某款日立压缩机的工作能力与输入功率随蒸发温度和冷凝温度变化的曲线。由图中可以看出，在0-10℃范围内蒸发温度（横坐标）越大，压缩机的能力越大，同时输入功率也越大。另外，在40-60℃范围内冷凝温度越低，压缩机的能力越大，而输入功率反而越小，此时压缩机的“能效比”必然越高。
图五：压缩机的工作能力与输入功率随蒸发温度和冷凝温度变化的曲线
本系列的“概述”中介绍，影响产水量的四个因素中除了机器性能之外主要还有环境温度、初始温度和目标温度三个相关的温度，但在循环制热过程某一瞬间，实际影响机器工作性能的温度指标就是环境温度和循环水温这两个温度指标。这两个指标与冷凝温度和蒸发温度有着某种对应关系：在一定的环境温度中工作，循环水温越高，冷凝温度也会越高，蒸发温度也会缓慢有所上升。一般冷凝温度比循环水温高3-8℃，蒸发温度比环境温度低5-10℃。
高能效的机组总是尽量降低冷凝温度、提高蒸发温度，为了换热充分，高能效机组均要增加成本，加大冷凝器（水热交换器）和蒸发器（空气热交换器）换热面积。这是高能效热泵机组成本要增加的主要原因。
4、 热泵热水机中使用空调压缩机存在的问题
如图六所示，常规的空调压缩机只能在空调运行范围所框定的内框内工作，如果在外框所框定的热泵运行范围内工作，就会出现冬季高压比运行和夏季高负荷运行这两个超限运行区域。
特别需要说明的是，环境温度过高会引起空气源热泵蒸发压力过高，会增加压缩机磨损，降低压缩机的寿命。遗憾的是，目前国内市场98%以上空气能热水机的压缩机使用的还是空调压缩机，除非采取特别的处理措施，它们在冬季和夏季都面临着可能超临界运行的状况。
图六：热泵系统运行特点（摘自上海日立电器有限公司资料）
空气能夏季运行主要有高负荷引起的寿命问题，冬季运行则主要是温差过大引起的高压比、高排气温度问题。常规状况下，采用R22工质的压缩机排气压力和吸气压力的最佳比值在3左右，极限压比为6-8，-5℃以下的环境中，工作物质吸收热量的蒸发温度很低，对应的吸气压力往往在0.25Mpa以下，而要将水加热到设定温度，比如循环加热到55℃水温对应的冷凝压力在23Mpa以上，如果是盘管闷热式的空气能产品，相应水温对应的冷凝压力会更高。这样，如果在-5℃以下的环境中空气能将水加热到55℃，最终产品的压缩机压比会超过极限压比，产生影响产品寿命的排气温度过高问题。
图七：热泵系统压缩机电机烧毁原因分析（摘自上海日立电器有限公司资料）
图八：热泵系统压缩机负荷大受力大原因分析（摘自上海日立电器有限公司资料）
上海日立电器有限公司针对空调压缩机应用在热泵热水机中产生的 “冬季高压比运行制热效率低、电机烧毁” 、“夏季负荷高受力大”和“冷媒要环保”等具体问题展开了专项研究，2009年10月推出了系列基于环保冷媒R134a、R417a的热泵压缩机，价格达到了常规空调压缩机的2倍以上，而产品实际应用效果还有待于进一步观察。
我们也希望更多的压缩机厂商重视热泵热水机的需求，增加相关产品的研发投入，尽快推出更多更好的热泵压缩机产品。