广东万家乐燃气具有限公司 杨关生  卢克勤  向熹  胡定刚  仇明贵
引言
      随着社会经济的发展，能源总需求不断增加，能源供需矛盾不断激化，能源问题已成为制约我国经济发展和社会发展的重要因素。热水设备是一个耗能产品，其中空气源热泵热水器与其它热水设备相比，在高效节能等方面都具有优势；但由于空气源热泵热水器受到环境温度的影响较大，环境温度降低，热泵制热效率降低，在环境温度5℃时，就容易产生结露或结霜的问题[1]，所以行业中常规的空气能热泵热水器的工作温度都定义在5℃以上；本文就以上的问题，提出一种以热泵热水器为主体热源，冷凝式燃气热水器为辅助热源的复合能源系统方案，扩大热泵热水器的应用空间，实现制热水的节能环保性能。

1、系统基础原理
    (1) 热泵热水器原理
热泵热水器的基本原理[2]：它主要是由压缩机、热交换器、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、电子膨胀阀和电子自动控制器等组成。接通电源后，轴流风扇开始运转，室外空气通过蒸发器进行热交换，温度降低后的空气被风扇排出系统，同时，蒸发器内部的工质吸热汽化被吸入压缩机，压缩机将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入冷凝器，被水泵强制循环的水也通过冷凝器，被工质加热后送去供用户使用，而工质被冷却成液体，该液体经膨胀阀节流降温后再次流入蒸发器，如此反复循环工作，空气中的热能被不断"泵"送到水中，这就是空气源热泵热水器的基本工作原理。
    (2) 冷凝式燃气热水器原理[3]
冷凝式燃气热水器是当前最节能、最环保的产品。冷凝式燃气燃气热水器跟普通燃气热水器相比，多增加了一级冷凝换热器，通过吸收高温烟气而预热冷水，利用普通燃气热水器作为废气排走的热量，热效率提高15％以上；比传统的燃气快速热水器具有更高的热效率，达96%以上。
普通的燃气热水器工作的时候，会排放出大量的烟气，温度高达180℃，普通的热水器无法利用这部分热量，被白白地浪费掉。而冷凝技术的关键在于高效冷凝换热器，热水器的进冷水管紧贴着冷凝换热器，排放的高温烟气经过冷凝换热器的时候，绝大部分热量被冷凝换热器吸收，旋即用以预热进水管内的冷水，相当于在普通燃气热水器加热冷水之前进行了一次预先加热，利用了原本无法回收的烟气中的热量，从而达到节能效果。

2、联动系统组成
    (1) 系统构造分析
表1是在GB/T 23137-2008 家用和类似用途热泵热水器要求的标准测试条件下，对国内某品牌热泵热水器进行的能效试验数据，由表中数据分析，热泵的效率是环境温度越高，热泵效率越高。如何提升空气能热泵热水器在环境温度较低时的效率问题，一直成为业界需要攻克的难点。目前最常用的一种解决方案是在热泵热水器系统中增加辅助电加热器，以补偿低温环境制热能力的不足，但是该方案既不经济也不节能，有时会造成安全隐患。
表1 环境温度与COP值测试记录表

    如图2所示，本系统以主要由热泵系统和冷凝热水器系统构成。热泵系统主要部件包括热泵冷凝器、储液罐、过滤器、膨胀阀、三级换热器（蒸发器）和压缩机；冷凝式燃气热水器系统主要部件包括循环泵、一级换热器、二级换热器和鼓风机；冷凝式燃气热水器系统烟气出口和热泵蒸发器（三级换热器）进风口相连。该结构设计可有效对冷凝式燃气热水器烟气余热回收。
    (3) 系统工作流程简述
系统开机后，开始自检，如果有故障，系统即报警；自检正常则判断储水罐内温度是否到达设置温度，若温度低于设置温度，则启动热泵热水器加热，同时判断环境温度是否大于5℃，环境温度大于5℃时，只启动热泵热水器加热；若环境温度低于5℃时，则启动冷凝式燃气热水器同时加热，直到到达目标温度停止。
在环境温度低于5℃时，对热泵蒸发器对冷凝式燃气热水器低温烟气（大于50℃）进行回收，减少热量损失，达到高效节能的要求；当环境温度大于5℃时，只启动热泵系统对储水箱中的水进行加热，此时燃气冷凝热水器不工作。

3、系统理论效率优越性
     (1) 系统理论效率估算
在环境温度大于5℃时，系统在单独使用热泵热水器加热时，系统效率等于热泵热水器效率，此时系统效率在250% - 400%之间。在环境温度小于5℃时，系统使用热泵热水器和冷凝式燃气热水器共同加热，此时系统效率约等于热泵热水器效率和冷凝式燃气热水器的总和，此时热泵出水温度55℃，进水温度约5℃：
Q系统=Q热泵+Q热水器≈400%+96%≈496%  
    也就是说系统能够将自身所消耗能量的约5倍的热能去与水罐中的水热交换。
    (2) 多种复合能源系统理论效率比较
最后对热泵热水器复合能源系统的效率进行比较，前提条件：在环境温度大于5℃时，只启动热泵热水器加热。在环境温度低于5℃时才启动冷凝式热水器或者电热水器辅助加热,理论曲线如图3所示。由图可见，以冷凝式热水器辅助热源可有效解决在环境温度低于5℃时综合系统的效率问题，适合北方地区低温环境使用。

4、结论
    (1) 本系统设计可以解决目前电热辅助加热的问题，并可对燃气燃烧产生的热量进行三次换热，换热效率极高，理论计算可高达500%；
    (2) 冷凝燃气热水器目前热效率可以大于100%以上，排烟温度最低也有50℃，比最高环境温度40℃高10℃，在环境温度较低时，通过热泵热水器对冷凝式热水器烟气余热回收，提升系统低温整机性能；
    (3) 可有效解决快速获得热水问题，确保水罐内的水温保持恒定，让用户24小时都可以享受热水，并对水罐中热水有保温功能，可通过白天环境温度较高时利用热泵加热，晚上用水，大大节省了能源的损失。
    (4) 高效节能的复合能源产品必然会成为未来燃气具产品的发展趋势。

备注：本系统设计已申请国家发明专利，目前国家知识产权局专利局已受理。

参考文献：
[1] 李凡等编著《空气源热泵热水器》重庆大学出版社，2010。
[2] 张昌等编著《热泵技术与应用》机械工业出版社，2008。
[3] 郑永新等编著《冷凝式燃气热水器》重庆大学出版社，2008。