空气源热泵系统工作原理及故障分析

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空气源热泵热水器

前言

空气源热泵热水器是继燃气热水器、电热水器和太阳能热水器的新一代热水装臵，是可替代锅炉的供暖水设备。空气源热泵热水器是综合电热水器和太阳能热水器优点的安全节能环保型热水器，可一年三百六十五天全天候运转，制造相同的热水量，使用成本只有电热水器的1/4，燃气热水器的1/3，太阳热水器的1/2。高热效率是空气源热泵热水器最大的特点和优势，在能源问题成为世界问题时，这是空气源热泵热水器成为“第四代热水器”的最重要的法宝之一。 1 空气源热泵工作原理及构造

如图1所示，空气源热泵热水器内专臵一种吸热介质——冷媒，它在液化的状态下低于零下20℃，与外界温度存在着温差，因此，冷媒可吸收外界的热能，在蒸发器内部蒸发汽化，通过空气源热泵热水器中压缩机的工作提高冷媒的温度，再通过冷凝器使冷媒从汽化状态转化为液化状态，在转化过程中，释放出大量的热量，传递给水箱中的储备水，使水温升高，达到制热水的目的。这种循环模式称为逆卡诺循环原理在这种往复循环相变的过程中，通过蒸发器不间断的从环境吸取热量，通过冷凝器（换热器）不间断的放出热量，使冷水逐步升温，制取的热水通过热水管网循环装臵输出到用户使用终端，流程示意图如图2所示。

2 空气源热泵热水机组特点

目前市场上空气源热泵热水机组大部分属于技术成熟产品，压缩机一般采用涡旋式或活塞式，也有采用螺杆式的，每台机组一般有单台或两台，一般机组有如下特点：

（1）高效节能：其输出能量与输入电能之比即能效比（COP ）一般可达到3.0。

以上，而普通电热水锅炉的能效比（COP ）不大于0.90，燃气、燃油锅炉的能

效比（COP ）一般只有0.7 -0.8，燃煤锅炉的能效比（COP ）更低一般只0.35-0.65。

(2)安全有保障： 加热方式实现了完全的水电分离，从根本上杜绝了普通热水器系统中的易燃、易爆、触电、干烧、煤气中毒等安全隐患。

(3)环保：无废水、废渣、废热、废气排放，不会对大气和环境

产生任何污染。

(4)安装方便： 可以安装在室外空地、天面、阳台、大型停车库、设备层等处不需专门的设备房。

(5)模块化控制功能:可根据用户的实际需要灵活添加多台机组构成的热水供水系统，实现模块化控制，自动控制调节每台机组的运行时间和投入运行的顺序，保证每台机组总运行时间一致，整个热水供水系统的高效、优化运行。

(6)操作使用简便： 机组由微电脑控制自动运行，根据水箱水温和用户用水情况，自动启停，不需专人值守。

(7)自动化霜：智能柔性除霜，可以根据不同地区的气候条件设定除霜参数和控制方案，使除霜更彻底、更灵活、更节能。

(8)自动定时开机功能：用户可以自己设定机组自动开机时间，从而实现峰谷用电，运行使用费更省。

(9)自动防冻功能：确保机组在低气温环境条件下水系统不会被冻裂。

(10)自动能量调节功能：能依据模糊控制原理，动态检测用户负荷，快速达到设定温度后，保持负荷动态匹配，平稳运行；确保机组夏天高温环境条件下不会出现超负荷，冬天低气温环境条件下机组稳定保持较高的能效比，一年四季全天候运行，不受夜晚、阴天、雨雪等恶劣天气的影响。

(11)有较广的使用范围：特别适用于泳池、桑拿洗浴中心、招待所、学校、工矿职工洗浴、室内泳池水加温等场所。

(12)质量有保障： 关键部件一般选用国际知名品牌产品，如COPELAND 、SANYO 、ALCO 、DANFOSS 等，质量有较好的保障，用寿命在10年以上。

(13)可24小时提供热水：热泵机组通常由微电脑控制自动运行。根据水温和用户用水情况自动启停，保证用户24小时即开水阀即有热水。

3不同加热设备的优缺点比较

3.1与常规太阳能相比，空气源热泵热水器具有四个方面优势

（1）从投资方面：如达到相同供水效果，资金投入空气源热泵热水器比常规太阳能产品少，并且可以使用经济电能，在用电低谷时制热水储备。

（2）从使用方面：常规太阳能产品受天气影响明显，阴雨天、下雪天、夜晚就不能工作，而空气源热泵热水器不管阴天、雨天、下雪天、夜晚或阳光明媚都能照常工作，全天候提供热水。

（3）从运行成本方面，常规太阳能在太阳直射下，几乎零成本运行，可惜在阴雨雪天或夜晚只能依靠辅助系统工作，统计数据显示，正常使用时，常规太阳能辅助系统全年耗电能比空气源热泵热水器全年总耗电能要高1.5倍。

（4）其它功能方面：空气源热泵热水器使用不受地点限制，可以摆放在任何地方，而且占地空间很小，而常规太阳能要达到同等供热效果则需占用很大空间，还必须露天摆放。同时使用寿命可达15年以上，维护费用低，设备性能稳定。

3.2空气源热泵热水器与锅炉相比的优点

（1）热效率高：产品热效率全年平均在300%以上，而锅炉的热效率不会超过100%。

（2）运行费用低：与燃油, 燃气锅炉比, 全年平均可节70%的能源，加上电价的走低和燃料价格的上涨，运行费用低的优点日益突出。

（3）环保：空气源热泵热水器无任何燃烧排放物，制冷剂选用了环保制冷剂，对臭氧层零污染，是较好的环保型产品。

（4）运行安全，无需值守：与燃料锅炉相比，运行绝对安全，而且全自动控制，无需人员值守，可节省人员成本。

1 选择机组的标准应当全面，即对机组的选择不能仅看能效比一个指

标，而应当从以下几个方面进行综合考察。

（1）对应某气候区，其全年运行应是稳定可靠的。比如：寒冷地区

应当注意其低温性能；冬冷夏热地区，应注意其低温高湿性能（如冲霜等），以及夏季高温时的性能。

（2）机组的部件主要指压缩机应当在上述不利环境下运行在其技术

允许条件范围内，如压缩机排气温度和压力、进气的温度和压力不超过一定值，系统中压缩机回油的处理以及不产生冲缸、液击等现象。

（3）系统中充装的工质（即制冷剂）应有环保许可证明，其化学物

理性能应对上述压缩机工作条件有保障，并且是高效的。

（4）机组的效能比（即C.O.P ）全年应平均达到3.0-3.5，即节电能

65%—70%（视不同地区和要求的水温K 值而有一定范围）。 2 对应于上述要求应了解的机组参数：

（1）工质(冷媒) 的物理化学性能。

（2）标准工况下，例如在环境温度20℃±2℃、相对湿度为50%—70%

的气候条件下的C.O.P 值，此值可代表我国多数地区年平均气候下的热性能。

（3）最高工况即环境温度40℃，水温50℃左右下的压缩机排气温度、

排气压力，蒸发温度、压力及C.O.P 。

（4）低温、高湿工况下，即环境温度0℃~2℃相对湿度80%—90%，

机组的除霜性能。

（5）最低工况，即环境温度-8℃左右，水温45℃~50℃时，压缩机的

排气温度及C.O.P 。

（6）其他：回油是否正常等。

3 对上述工况下的技术参数的建议：

（1）标准工况：水温18℃—45℃、C.O.P≥3.0。

（2）最高环境工况：水温28℃—45℃，压缩机进气温度≦20℃—25℃，

排气压力≦1.8Mpa ，排气温度≦80℃~90℃，C.O.P≥4.0。

（3）最低环境工况：水温8℃—45℃，压缩机排气压力≦1.8Mpa ，

排气温度≦80℃；COP≥1.5。

（4）上述条件保证压缩机寿命在30000—40000小时以上，其他部件

在正常维护的情况下寿命大于10年。（压缩机电器注意维护）。

（5）上述工况水温的上限皆可达到60℃。但是从节能角度出发，最

好将机组配置适当水箱，而不是用高温水与冷水掺混的方法使用，以免造成水量浪费及（火用）损失。此外，还应提醒的是，如设定水温超过50℃，则在冷凝器侧容易结水垢，时间一长，影响机组效率。

（6）冬季除霜良好。

5 空气源热泵常见故障分析及处理办法

纵观目前国内空气源热泵热水机组工程应用实例，出现问题最多的也大都集中在安装使用不到1年，从用水量来看又大都集中在10吨水之内单台或两台机组为多。主机问题、控制问题、水箱设计问题等等不一而足。足以影响用户对空气源热泵使用的信心，长此以往势

必影响优秀产品的推广应用。济南龙普新能源有限公司作为空气源热泵热水机组的专业制造商，也是国内最早进行热泵研发生产及应用的厂家之一，以产业发展大局为虑，现就目前热泵市场中不良产品易出现的故障及原因作重点分析。并提出了解决方案以供广大商家在今后的经营中留心借鉴。也呼吁在产的制造商同仁们共同起来纠正行业不正风气，避免整个空气源热泵热水机组的应用沦陷于唯利是图者的手中，使空气源热泵热水机组的发展走出泥沼，折返正途。

症候一：设定水温达不到或温度上升缓慢。但有些工程机组运行时间超过设计时间很多仍达不到水温，只能勉强直接使用热水甚至不能使用，实测温度在40左右或更低，系统偱环泵不停地偱环，温度不见升高。

诊断一：空气源热泵热水机组出水温度一般设定在50℃～60℃之间，偶尔高于60℃在65℃以下也属于允许范围，只是工况下运行可能会影响机组使用寿命。水温的上升必需从外界得到热量。储水箱时的水温上不去会有两方面的可能，一方面是热量流失大或等于热量的流入，当两者相等时，水温不变。热量流失也包括两种可能，其一是保温层不够质量与自然界温差太大，热散失严重，特别是水箱人孔密封不严保温不好或隐蔽保温部分没有做好，外围接管保温与箱体保温不连续都会增加热量的损失；另一种热量流失为热水流出同时冷水补进。这种热量流失常出现在水箱的设计方案中，有的客户用水要求为24小时不间断性的，如客流量较大的宾馆、理发城等用水客户，冷水冲进水箱，热水随时使用。在空气源热泵热水机组不出现问题时，

一旦天气突然变冷，机组从空气中的热量所得成倍减少，同时客户对热水的用量增大，这时留存在水箱中的热量就不足，就表现为水温上升困难，甚至有冷水现象。另一方面可能是主机冷媒携热能力差，导致单次偱环内有效携带的热量交换变少。其中一种可能是冷媒选型不合适，空气源热泵热水机组使用的冷媒不同于传统空调冷媒，独具特定的物理特定和化学稳定性，这也是热泵技术的核心之一。部分热泵产品使用市场上的冷媒不具有这种特性，在外界温度降低的情况下出现乏力现象也就不足为奇了。另一种可能是冷媒充加数量少或部分泄露而变得携热能力不足。正规制造商的空气源热泵热水机组产品定压定量充加冷媒，在出厂前都有逐台测验，保证主机的压缩机在各种工况下都有一个较稳定的工作能力。同批机组抽查测试单台工作状况后，才能标注合格证、出厂日期、编号等等。在产品运输中，有不按标示搬运的情况，以致冷媒部分漏丢，达不到工作效果，也会导致水温达不到设计出水温度。

处方一：根据我们诊断分析应先检查看每日用水量是否超标，每1kg 生活用水上升1℃吸收1Kcal 热量相当于1.163×10-3KWh ，既1000Kg 水上升1度，需吸收1.163KWh 的热量。计算公式为：水量（吨）×温差℃×1.163/机组功率Kw ×COP 值≤设计工作时间（小时），例如：冷水温度为15℃，出水温度设定为55℃，机组功率2.2KW ，在冬季环境温度较低时，COP 值为2左右（产品制造商公布数据），工程设计用水量为1吨，则机组工作时间为11小时＜设计最大工作时间20小时，同样工况下用水量为2吨，则机组工作时间为22小时

＜允许最大工作时间24小时，同样工况下用水量为3吨，则应考虑辅助加热或增加机组配臵。若机组配臵不存在问题，可切断单机与储水箱的水循环，启动机组，检测单机集热能力，若温度达不到铭牌标示最高温度，则可能为冷媒问题。检查冷媒工作压力，对照出厂数据表，若压力不足，则表现为冷媒丢失。按原型号冷媒充加到出厂标准量即可。

症候二：机组工作时间过长，大于24小时连续运转，用电量大大超过商家给客户的预算，费用增加或者预计使用谷电价格优惠计划失去意义，客户对空气源热泵热水机组的信任大打折扣，甚至提出费用赔偿。机组连续工作时间过长引起的配电元器件超负载工作和水路偱环量增大，势必会引发一系列连锁的系统问题。

诊断二：空气源热泵热水机组工程机组的停启由控制器控制，机组工作时间过长是由于没有达到系统设定的停机参数，比如说温度参数等。温度传感器在靠近补水口的部位，探测温度低于设定值一定范围时机组开启；高于设定温度一定值时，机组停止。排除冷媒携热能力差和设定温度过高等原因，再有可能就是温度传感器故障或传感线路短路、断路导致机组停机。因为空气源热泵热水机组制作热水是一个偱环加热的过程，属于是储热式热水设备，考虑气温较低，空气中热量减少、机组单个偱环获取的热量变少，机组COP 值下降会使机组工作时间拉长，为避免机组配比 “小马拉大车” ，要保证机组在24小时内获取到足够的热量，把额定的水量加热，考虑到夏季机组COP 值上升，制取热水能力强，正常设计工作时间一般在10～15个

小时之间，但从现实情况中看，出问题严重的机组都有配比不合理的情况在时面。以输入功率为4千瓦的机组为例，在广东地区使用，适当的配水量应为3吨水为宜，既使冬季空气温度极低时，COP 平均值以2计算，机组工作17.5小时也满足60℃热水的使用要求，实际配臵中有的工程竟配水5吨以上，这就难怪机组长时间不能停机了。电压过、欠也可能出现停机失误故障，不过这种情况较少，因为一般情况下，机组出厂前都有对压缩机用电设定高、低压保护，防止电压过、欠而启动运行损坏压缩机。机组长时间不停可能有一种情况是压缩机已坏，风机断续运转造成机组不停的假象，这种情况较少见，一般热泵计设为风机承随压缩机的电源，不会单独运行。

处方二：首先检查电压是否符合机组运行要求，电压无问题时，看压缩机是否正常运转，排除风机空转造成机组运行的假象。确定用水量与机组匹配是否合适，排除由于不断进入冷水使整体温度下降和气温下降造成机组工作量增大的原因，检查控制系统各传感线路有无故障，给予排除。

症候三：机组遇冷死机，无法启动。在气温下降到0℃以下时，整个系统就进入停机状态，既使温度回升，仍无法启动运行，或者机外机风机转动，压缩机停止工作。

诊断三：机组停止运行主要原因在于控制系统，逐项检查各设定保护参数值，例如水温温差控制线路, 系统在采集不到信号时会无法启动，因为机组开启是由换热器温度和集水箱温度和设定温度三个参数联合控制的，当收集到的储水箱温度低于设定温度一定值时时机组

开始启动，集热部分水温高于储水箱温度一定值时偱环启动，当集热水箱温度收集不到数据时，机组自我保护不启动。另外电压过低过高、冷媒漏掉，压缩机低压保护或压缩机已经坏掉等等机组都能致使不能开机。冷水压力不够时，储水箱里补不进水，机组也会保护无法启动。

处方三：首先检查压缩机有无损坏，用万能表测量压缩机电阻，确认压缩机无故障后，重点检查各控制系统，对照机组出厂说明书或工程系统设计验收报告，根据分析检查电路、水路、温度的设定参数和实测数据，查出不符合项并相应改正。采用电磁阀控制上水时，检查水位传感器的灵敏度和水压的大小，确定不是水位数据的问题。

症候四：冷媒偱环管道爆裂、冷媒丢失、整机瘫痪。表现为连续工作或启动一段时间后，室外主机噪音变大，局部冷媒偱环回管出现裂口，进而冷媒漏掉，压力测试为零。有时风机可以转动，水温无变化，万用表测试压缩机电阻值极小。冷凝器部分爆管时，水渗入冷媒管道引起压缩机损坏。

诊断四：冷媒介质偱环管路爆裂，冷媒完全泄漏主要原因是偱环系统压力变大，超出冷媒循环管道承压范围。由于天气变冷制取同样多的热量，压缩机的做功增多，冷媒的相变临界点压力变大，由于铜件厚度不足或焊接不合格而爆开。另一种情况为水质不清洁，含有铁屑、沙粒等杂质随着水循环长期磨损导致换热铜管泄漏，特别是可管式大套管换热模式下更易出现这个故障。由于水性酸碱度或结垢出现的爆管现象倒是很少见。处方四：首先弄清水质是否引起故障的主要原因，可用过滤法或电子处理法改善水质。

工程安装完毕，按要求冲洗偱环管道，必要时还要对管道进行钝化。冷媒引起的爆管应确认机组运行是否在制造商产品设计允许工况范围之内。检查各焊接口和连接口是否有裂口，补焊或重新涨口连接。爆破口在膨胀阀到冷凝器至压缩机之间，一般是由于冷媒选型不当或剂量过多。正规制造商出产的品牌机，每个机型都要经过严密的试验和检测，具有在各种工况下的模拟破坏性试验，才能确定冷媒的充加剂量。制造过程中执行诸如ISO900等质量体系，严格的采购管理环节保证各部件用料质量，生产过程每一道工艺环节都有质量检查，出厂前经专业检测设备检查后才标示铭牌，包装入库。而一般小作坊式的制造商，根本就不具备设计、生产、检测的技术和硬件条件，宣传上采取扯虎皮拉大旗膀名牌的做法，产品质量当然不能保证。用户和经销商应主动选择品牌机，才能从根本上避免使用中的故障频出问题，不要只认价格便宜。

症候五：室外机结霜严重，制热效果能力严重不足。

甚至因结霜而死机或者化霜时间占机组运行时间的50%以上，造成整个机组制热量低降，电耗增加。

诊断五：机组工作时，当蒸发器盘管温度低于露点温度时，其表面产生冷凝水，冷凝水低于0℃时结霜，蒸发器散热肋片间的通风间隙局部或全部结霜堵塞，从而增大热阻和风阻，直接影响换热效率。实际应用中，在云贵甚至广东、福建地区的冬日潮湿天气都有结霜现象，因这些地区空气湿度大，有时气温在2℃时就有结霜现象。而在北方陕西地方－5℃还不会结霜，原因在于空气温度不同。现在市场

中使用的热泵机组大都采用温度传感器化霜，原理是：室外蒸发器盘管温度T2下降到结霜温度M 时开始结霜，当T2－M ≤-N 时，开始化霜，化霜过程中T2逐渐回升，当T2－M ＞N 时化霜停止。M 、N 在设计时据实地气象条件设定，根据国家规定：热泵机化霜所需时间不超过总工作时间的20%。热泵主机化霜设计中，如果轻微结霜就化霜，造成化霜损失能量，如果结霜严重甚至近风口全堵塞后再化霜导致主机长时间段低效运行，甚至使风机阻力过载烧坏电机。所以化霜的设计和所采用的技术是机组解决化霜问题的主要方面。

处方五：化霜折设计方案是体现制造商制造水平和设计能力的重要标志，专业的制造商区别于非专业制造商而有一套可靠的优化方案。

室外蒸发器采用双层亲水铝箔涂料兼具优异的亲水持续性及防腐性，可以较好地消除水桥现象，缩短化霜时间，增加有效工作时间。而一般非专业制造制造商则多为追求价格成本，直接采用普通的空调室外机稍加改造作为室外主机，不具备上述优良属性，相应化霜效果就不言可知了。

空气源热泵热水机组技术是一项集热能动力学、微电子控制技术和水暖工程技术于一体系统化成果。没有一整套专门的设计研发、生产、检测设备，单凭简单的几个外购部件组合改造是不可能具备空气源热泵热水机组应有性能的。而目前的国内市场中空气源热泵热水机组市场方兴未艾。制造商也是鱼龙混杂，产品品质莨莠不齐，销售商的设计、服务水平也是不一而足，加上有些商家急功近利，造成一些

工程问题频出。

用户要一方面尽量选择信誉好的专业商家采购使用，同时也要考察制造商的研发能力、生产历史、质量认证和生产标准备案情况。选购使用时增强科技意识、维权意识，问题大都是可以避免的，毕竟空气源热泵热水机组在欧美发达国家已占据热水设备的半壁江山。相信空气源热泵热水器在我国的应用也将更快更广。