相变储热技术在凯立信热泵机组上的应用

相变储热技术在热泵机组上的应用

在技术上，通常人们可以有两种方法来储备热量：第一种，也是最常见的一种方法，是显热储热方式，这种方式利用物体温度上升来储存热量，比如水，每公斤水提高1℃，能够储存1Kcal(大卡)热量。所谓显热，是指通过温度计，我们可以看到物体热量的增加或减少。

另外一种储热方法，称为潜热储热，是利用物质“相”的变化，所谓“相”，也就是物质“汽态”、“液态”“固态”的三种状态，相变，即物质的状态变化，所谓潜热，是指我

们不能通过温度计准确的看到热量的增加或减少。

物质在相变，也就是在状态变化过程中，温度是不变或者变化很小的，但是在这个过程中吸收或者放出的热量却很大，例如，1公斤0℃的冰转化为一公斤0℃的水，温度虽然没有变化，但是却要吸收80Kcal(大卡)的热量，而一公斤100度的水，要变化为一公斤100度的蒸汽，需要吸收的热量则更多，要540Kcal(大卡)才能使它完成状态变化(相变)。

物质相变能够携带大量的热能这一特点，在人们的社会实践中得到了广泛的应用，例如在热泵系统中，早期的制冷(热泵)装置，用空气做制冷工质，整个过程没有相变，没有蒸发和冷凝过程，也是可以制冷的，但是机组庞大，效率也很低，正是利用了氟利昂的汽-液状态变化，使得热量可以通过相变过程来携带，不断从蒸发器(汽化吸热)转移到冷凝器(凝结放热)中：液态的氟利昂，到达蒸发器后迅速沸腾，吸收大量热量汽化，相变为气态，然后由压缩机压缩到冷凝器中放热冷凝，再次相变为液态。这样才使得今天的空调和热泵装置，

可以造的比较紧凑和高效。

同样，我们可以利用物体的状态变化来储存热量，汽-固相变的储热量虽然很大，但是其体积变化也大的惊人，我们没有办法制造如此巨大的容器来容纳它们，可行的方法是利用

固-液的相变过程来储热，可以达到减少体积和提高效率的目的。

相变储热型热泵热水器，就是利用有机物质固-液间的状态变化来储存热量的，整个系统没有保温水箱和循环加热水泵，预热时储热材料由固态相变为液态，热量储存在相变材料

的状态变化中，所以，系统没有必要采用水升温的方式来储存热量。

采用相变原理储热的明显好处是体积的大幅度缩小：为了储存4000Kcal(大卡)的热量，需要把100公斤水从15度升温到55度，而储存同样多的热量，相变材料40公斤即可。

相变材料的应用的另外一个好处是，使用热量效率的大幅度提高，这一点是由相变材料

的特性决定的。

储存热量和储蓄货币完全不同：储存热量非但没有利息，而且还会不断的缩减，保温过

程本身就是散热过程，而且我们保留下来的那些热量，还无法全部取出。

在承压型的保温水箱中，加入的热量并不全部都是可以使用的热量，由于必需进入冷水才可以顶出热水，使得保温水箱内部的冷热水不可避免的发生混合，造成水温下降，假如我们确定40度以下的水已经不适合作为热水使用，那么保温水箱里一定会剩余相当大的一部

分热量，这部分热量会形成很大的浪费。

一个形象的、我们熟悉的例子，恰好可以说明这种情况，那就是乌鸦喝水的故事，乌鸦发现了瓶子里的水，但是它只能喝到高度40以上的水，那么假定两个杯子的水是一样多的，

它从左边能够喝到的水，就会远远少于从右边的杯子里喝到的。

相变热泵除了体积小，使用效率高之外，还具有承压能力强，提温快捷，工作稳定，安

装简便，可实现半即开即热的使用要求，不占用地面等一系列优点。

我们实验制造的2匹/40公斤相变材料的热泵热水器，储热能力和工作能力相当于常规2匹配120升(理论上相当于180升)水箱的热泵热水器，整体式构造，几乎不占用地面，而且使用效率更高，已经经过了近三年的台架实验和一个冬季的实际应用，完全证明了机组的先进性，是国内(或国际)首创的产品。和常规热泵热水器相比，归纳有如下的优点：

1、相变储热，整体式设计，无需保温水箱，只需接上水电，安装极为简便;

2、热利用效率高，升温快捷，剩余热量少;

3、无需占用室内面积，可以挂墙或搁置于阳台;

4、承受水压能力可达35个大气压，远超过自来水最高压力;

5、工作稳定，不存在水漏入热泵系统的可能;

6、使用方式灵活，如果和保温水箱连接使用，持续供热能力更强;

7、机组供热快速，可实现半即开即热使用，等待时间短;

8、无须压缩机高温工作，系统更可靠。

相变储热技术引入热泵热水系统，必然导致紧凑和高效。

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利用有机相变材料储热的风源热泵热水器

[当前位置：中国制冷网 > 技术交流 > 正文] 时间：2009-03-25 来源：慧聪暖通制冷网 点击次数：422

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摘要：本文对市场现售热泵热水器的储热型式做了客观分析，指出了利用水温提高这种显热储存热能方式的局限与不足，对有机相变材料应用于热泵热水器的理论进行了归纳和分析，提出了关于储热型热泵热水器的残余热量概念，以及制热效率和使用效率的区别，本文对利用有机相变材料应用于热泵热水器的实验研究做了简单介绍，新热泵装置的预热时间大幅度缩减，并且使热泵热水器使用结束后的“残余热量”大幅降低，从而达到提高热泵热水装置使用效率的目的，使热泵热水装置实现了“半即热”的使用方式，同时使机组避开传统热泵的高温高压工况，为提高机组制热效率，增加工作可靠性创造了条件。

一、制热效率和使用效率的区别：

目前市场上在售的空气源热泵热水器，结构上通常由两大部分组成：即装有压缩机及蒸发器的主机部分，和具有保温层的保温水箱部分，这一部分可以装有冷凝器，也可以不装有冷凝器，其主要功能是承担热水器的热量储存。

保温水箱似乎是热泵热水器不可或缺的重要组成部分，但是实际上，热泵热水器采用保温水箱是个不得已的选择：由于人们在淋浴时所需要的热功率往往高达10Kw以上，（例如进水温度为10℃，出水温度为42℃，出水量为8L时的加热功率即为17.86Kw），如果采用电直接加热（即开即热）使用，这个功率是大多数家庭的电线和电表难以承受的，所以尽管即开即热式电热水器的效率远高于储热式电热水器，但多数用户还是不得不使用储热式电热水器，用较长时间的加热来储存足够满足较短时间使用的热水，而那些标称功率范围在5-8Kw的即开即热式电热水器，在寒冬季节就只能供应很小水量的热水。

即开即热的热水器，由于没有长时间储热时的热量散失，其使用效率一定比储热式热水器要高，只是对安装的要求较高，许多场合难以满足。而加热功率较大，并且加热功率容易调节的燃气热水器，就根本不必采用储热装置；只有加热能力不足或难以调节，或者加热时间与使用时间不一致的热水加热装置，才会采用保温水箱。

在热泵业内有一个尚未引起业界的注意的问题：即“残余热量”，一个小型家用热泵系统的保温水箱，动辄数百升，最小也有100升，在使用完毕后，保温水箱内的热水温度是高于使用温度的，也就是说，它还具有相当大的“残余热量”，如果我们把热泵制造热水的效率定义为“制热效率”的话，那么还应该有一个“总使用效率”，即用户最终使用的热能与其所支付的代价之比。

由于加热和使用方式的不同，制热效率与使用效率也不相同：在即开即热的热水器中，制热效率与使用效率基本上是一致的，但是对储热式的热水器来讲则有很大的区别：保温过程本身就是一个耗散热量的过程，另外，在储热式热水器中，还存在一个剩余热量的问题，也就是说，当用户使用完毕后，在储热水箱里一定还存在着一部分不能利用的热量，我们称其为“残余热量”，这也是所有储热式热水装置的一项重要损失。

残余热量：这一点在家用热泵热水器中表现十分突出，由于热泵热水器难以提高热水的温度，为了储存足够的热量，不得不配备硕大的保温水箱，并且要靠自来水压力方可流出热水，冷热水的混合使得使用完毕后，箱内的热水平均温度高于使用温度，这部分的热量，只有在长时间的等待间隔内散失，热泵加热的“制热效率”尽管很高，但是由于“残余热量”的存在，会大幅度降低它的总效率。

在热泵热水器的用户中，有相当一部分人感觉到热泵并没有他的宣传者介绍的那样节能，很多就是因为这样的原因：过大的保温水箱，由于冷热水混流的原因，必然导致大量的残余热量，在极端的情况下，这样的热泵热水器，其总效率甚至比电热水器还低，大保温水

箱导致的使用效率下降，试举一实例如下：

广东某用户在度假别墅装有一台1.5匹，320升的分体式空气源家用热泵热水器，假定某日在20℃环境和18℃的自来水条件下，预热水至50℃时开始淋浴，10分钟后结束，共使用温度40℃的热水60升，则其总使用热量为1320Kcal，假定该环境温度时热泵热水器制热效率为400%，则其制热量为9600Kcal，总耗电量为9600÷（860×4）=2.79度，折合热量为2400Kcal，则其总使用效率仅为1320÷2400=55%，远比电热水器为低。

即开即热的热水装置，由于没有储热损失，其使用效率一定高于储热式热水装置，对于任何加热装置都是如此，热泵也不例外，但是由于热泵加热装置较为复杂和昂贵，并且难于调节，所以目前热泵热水装置的结构几乎全部为热水储热式，这一方式的优点是，可以使热泵机组在比较好的环境温度下工作，提高机组的效率，缺点是：

1、不方便使用，用户需要长时间等待，等待的时间视加热功率和水箱容积而定；保温过程不可避免的产生散热损失；

2、保温水箱成本较高而且需占据较大空间，安装运输不便；

3热泵机组有一段较长的时间在高冷凝温度下工作，降低了机组的可靠性和经济性，制热效率降低；

4、在承压型的热泵热水系统中，用户使用完毕后水箱内有较大量高于使用温度的热水，在等待下一次使用的时间中降温，会造成较大量的“剩余热量”被浪费。

二、不同的储热方式：显热储热和潜热储热

“一切储热都是不得已的”，在热水系统的设计中，即热型机组方便且节能，但是需要的功率极大，（人均高达10Kw-20Kw以上），在电、热泵等加热装置中的确难于有采用的

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