浅析搪瓷储热水箱在空气源热泵应用

江苏迈能高科技有限公司/蒋兴军、刘予

　　摘要：本文通过对比内置盘管和外置盘管的优劣势，分析了当下空气源热泵热水器换热（冷凝）技术的应用情况，并通过GMO迈能对于外盘管空气源热泵搪瓷储热水箱的技术改进和实际产品的测试，分析说明了外置式空气源热泵热水器的改进方向和可行性。

　　0引言

　　上世纪90年代末期出现的空气源热泵热水器运行原理和制冷空调相似，通过利用制冷剂的气液两相变化，将热量从低温转移到高温环境中。储热水箱作为空气源热泵热水器产品中的储热和换热部件，既是一个储水的容器，同时也是热泵系统的换热器（或称冷凝器），担负着通过压缩机排出高温冷媒蒸汽加热热水的任务。本文通过对比分析空气源热泵热水器不同的换热/冷凝形式的优缺点，对空气源热泵储热水箱的选配提出了自己的观点。

　　1空气源热泵热水器的三种换热形式

　　空气源热泵热水器有3种换热形式。一是称为水泵水循环式（水循环），换热器置于室外机一侧，通过一个小水泵将水箱中的水抽到室外机一侧进行加热。二是将换热器置于水箱内，让换热盘管浸于水中，换热盘管直接加热水，行业内称之为内置盘管，此类空气源热水器属于氟循环式。三是将管盘绕储热水箱内胆外，盘管不与水接触，换热盘管不直接加热水，而是通过加热金属内胆来间接加热水，普遍称之为外置盘管，其属于氟循环式的空气源热水器。

　　水循环空气源热泵热水器和氟循环空气源热泵热水器属于两大不同的范畴，在技术要求以及安装应用方面都具有较大差异，下文将重点对氟循环的两大换热方式进行阐述。

　　1.1内置盘管空气源热泵热水器

　　内置盘管的换热器一般位于内胆的下端，换热盘管直接与水接触，压缩机排出的高温冷媒在铜管内流动，通过加热铜管来加热水罐中的热水，材质分别有铜盘管、不锈钢盘管和搪瓷盘管3种。

　　无论使用何种材质盘管，内置盘管用材都相对较少，结构也简单，因此成本相对低廉，而且换热器置于水箱内胆内部，传热过程中热阻小，导热速度快，缩短了空气源热泵热水器的工作时间，这样更方便用水，保护压缩机，最主要的是换热效率高，更能体现空气源热泵热水器节能的巨大优势。

　　但是内置盘管也有致命弱点，冷凝铜管直接与水接触，随着使用时间的增长，铜管表面会结一层致密的水垢，水垢的热阻很大，是铜管热阻的数百倍，相当于在铜管的外面盖了一层厚厚的棉被（如图1所示）。水垢的存在大大影响了冷媒与热水之间换热效果，导致热水不能被加热，而热泵系统也会因为热量散不出去而不能高效或正常工作。为了提高换热效率，需要定期对水箱中结垢进行清理。但是水箱内胆又是全封闭的，清洗难度非常大。

图1结垢的内置盘管

　　1.2外置盘管空气源热泵热水器

　　外置盘管空气源热泵热水器，盘管换热器是有规律地缠绕在水箱内胆的外壁，一般使用导热硅胶让盘管紧紧与水箱内胆紧密贴合。加热时，压缩机排出的高温冷媒先加热外置换热器（冷凝管），盘管加热内胆外壁，再通过内胆将冷水加热。目前市场上有3种材质形式：铜盘管、铝盘管和微通道（如图2所示）。

　　图2铜盘管、微通道以及铝盘管换热形式空气源搪瓷储热水箱

　　相对于内置盘管，外置盘管空气源热泵热水器有明显优势：第一，盘管换热器不与水直接接触，不存在盘管被腐蚀后冷媒泄漏对水质的污染，可靠性比较好，更不会对人体健康造成危害；第二，内置盘管使用时间一长就容易产生腐蚀和结垢现象，而外置艇则完全避免了这种现象，不管使用多少年，盘管依旧如新；第三，外置盘管由于受热均匀，所以外置的热水实际出水量能达到95%。因此同样的型号，外置盘管出水量要比内置的高出高多。第四，由于外置盘管不易泄露，所以在主机出现问题则维修主机或更换主机，水箱有问题则维修水箱或换水箱，无需整机报废，减少了经销商和用户的麻烦和经济负担。

　　2外置铜盘管、外置铝盘管和外置微通道

　　2.1外置铜盘管

　　外置铜盘管目前在市场上应用较为广泛，技术也比较成熟。铜盘管延展和导热性能较好，使用外置铜盘管的系统也更为稳定。外置铜盘管换热空气源搪瓷储热水箱内胆如图3所示。

　　图3外置铜盘管换热空气源搪瓷储热水箱内胆

　　2.2外置铝盘管

　　作为换热载体，铝盘管外置换热形式与铜盘管基本类似，只是在选用铝材有一定考究，不同牌号的铝材延展性和刚性较大，制作D型管形状也不一样。

　　通常在选型时，应采用刚性相对偏大，不易变型的铝管和D型管的有效长度适宜，由于铝管导热系数没有铜管导热系数高，约为同种规格铜管的2/3，因此在设计换热面积时应尽可能考虑铝管的长度，当然还要根据整个配置系统来分析，不能一味地加长长度，需要根据整个系统运行的压力、冷凝压力和过冷度等参数作为设计基础。外置铝盘管换热空气源搪瓷储热水箱内胆如图4所示。

　　图4外置铝盘管换热空气源搪瓷储热水箱内胆

　　2.3外置微通道

　　微通道基本选材也是铝为主要基材，形状是扁管，每根扁管中间通孔比较细小且数目众多，再由多根这样扁管组合而成，其最大的优势在于换热面积大，冷凝效果明显，制冷剂在流经数目众多的小孔时，容易产生较大的温差，强化换热，使得制冷剂很快达到需要的状态。在制冷领域中，有数据表明，冷凝时换热性能提高30%，制冷剂充注量可以减少8%，为此该结构可以适用于压力更高的系统。外置微通道换热空气源搪瓷储热水箱内胆如图5所示。

　　图5外置微通道换热空气源搪瓷储热水箱内胆

　　3如何改进盘管换热技术

　　针对外盘管加热存在的不足，GMO迈能的空气源热泵热水器储热水箱从以下几点加以改进和提高：

　　（1）在铜管或铝管在盘绕之前，对铜管或铝管的形状进行改变，将其挤压成“D”型管，并施加一定牵引力，使D型管紧密地缠绕在内胆的外表面；

　　（2）在绕管之前，对内胆外表面进行抛丸工艺的处理，去除因搪瓷后外表产生的氧化皮，降低传热过程中热阻；

　　（3）在绕管的同时，对“D”型管与内胆接触面之间注入导热硅脂，解决“D”型管与内胆之间可能存在的凹陷不平和出现的传热盲点。

　　通过GMO迈能试验测试，内胆外壁与内壁温差在3℃~5℃之间。通常情况下水垢的形成与加热面的温度有很大的关系。在加热表面低于60℃的情况下，加热表面可以在较长的运行时间内保持较轻的结垢程度；若加热面高于60℃，加热表面在短期内就容易出现结垢现象。由于采用外盘管方式使传热温差很小，只有3℃~5℃，当热水温度达到55℃时，加热面不会超过60℃，因此水罐加热面结垢的情况可以得到很大的缓解。从太阳能夹套水箱（类似热泵水箱）解剖观察，水罐内壁仅局部有少量的松散状物质，用手指一摸就可清除，并没有出现结构致密的水垢。

　　另外，由于铜和钢的膨胀系数比较接近（铜的膨胀系数：0.0000167米/℃，钢的膨胀系数：0.0000136米/℃），因此只要绕管工艺精湛，铜管或铝管一直受到机械牵引力的作用，铜管或铝管能与内胆紧密贴合。而且在热泵系统中，氟系统温度的变化通常在50℃左右，内胆的变化也差不多，因此就两种材料产生的间隙很小，这对整个内胆不会产生影响。

　　4结语

　　空气源热泵热水器内置盘管换热和外置盘管换热均具有优劣势，但相对于内盘管换热致命的腐蚀、结垢缺陷，外置盘管更具有优势。通过对各方面技术的改进，外置盘管目前已能够满足空气源热泵热水器系统性能的要求，而铜盘管、铝盘管以及微通道的应用更加丰富了外置盘管换热的选择性。