热泵热水器的应用目前存在的问题：（1）空气源热泵在冬季某些气象条件下会在蒸发器上产生结霜现象，霜层不仅增加了换热热阻，还堵塞肋片通道引起风机流量下降，导致热泵性能下降，严重时甚至不能正常工作；（2）空气源热泵要在一年四季不同的环境条件下工作，工况变化大，特别是在冬季环境温度较低或热水器出水温度较高时压缩机压比较大，甚至超出其允许工作范围。
季杰等人提出了一种可以有效利用冷凝热兼做热水器使用的空调/热水器一体机，并对其进行了理论与实验研究，结果表明，空调/热水器一体机可较大提高能源利用效率。Kim M等人对热泵热水器系统动态性能进行了数值模拟，对水箱体积进行了优化。这些研究并没有解决热泵应用中存在的问题。
为了解决热泵换热器结霜及压缩机安全工作问题，美国，澳大利亚等国的一些公司开发了户内热泵热水器，将压缩机、蒸发器等均放置在室内。
Morrison G L等人、余乐渊等人对这种机型进行了实验研究，结果表明，热泵换热器不存在结霜问题且系统工作稳定，但由于热泵系统蒸发器吸收室内空气热量，使得室内温度降低，特别在冬季户内热泵热水器对室内环境温度的影响可能给用户带来不便。Sakellari D等人数值模拟了利用建筑物集中排风余热通过热泵循环进行地板采暖的可行性，结果表明这种方法是可行的，但未进行相应的实验验证。
2排风余热回收型热泵热水器基本原理和特点为了解决室外换热器结霜及压缩机压比过大带来的热泵热水器的使用受地域限制的问题以及室内热泵热水器给浴室环境带来的影响，本文提出了一种利用室内排风余热的热回收型热泵热水器，其系统如所示，机组主要由水箱、压缩机、蒸发器、毛细管及干燥过滤器、气液分离器等附件组成；机组设计成分体式，蒸发器安装于浴室排风口，其风机兼做排风机和蒸发器风机之用，蒸发器吸收浴室排风的热量，经热泵循环加热水箱中的热水，降温后的浴室废气排出室外，热泵热水器不工作时蒸发器风机可单独作为排风机使用。
利用排风余热的热泵热水器具有以下特点：（1）避免了热泵室外换热器表面的结霜问题由于热泵蒸发器置于室内，且一般情况下浴室温度在18℃以上，因此蒸发器翅片表面不会产生结霜问题，克服了结霜/除霜带来的制冷系统性能下降和不稳定工作问题，热泵热水器可在任何外界气候条件下高效稳定工作。因此，余热回收至热水器可以不受地域限制，广泛应用于南、北方各种气候条件下，扩大了热泵热水器的使用地域范围，对推广热泵热水器的使用具有重要意义。
（2）避免了热泵在冬季工况下工作或出水温度较高时压缩机压比过大的问题用户要求的热水器出水温度一般为45～50℃，对于使用R22工质的热泵系统，其冷凝压力一般在2. 4MPa左右，当热泵热水器在冬季使用时，室外环境温度较低，相应的系统蒸发压力也较低，则造成压缩机的压比较大增加，一方面增加了压缩机耗功，降低了系统的COP，另外对于压缩机的安全工作极其不利，而利用室内排风余热的热泵热水器则避免了这个问题，室内排风常年稳定在18～28℃范围内不受季节的影响，且热泵系统蒸发温度较高，使得热泵系统压缩机在比较适宜的压比范围内工作，使其工作可靠性提高。
3热泵热水器的动态性能实验研究3. 1实验样机为了验证利用室内排风余热的热泵热水器动态性能，加工制造了实验样机并进行了测试。实验热泵热水器样机蒸发器采用双向条缝翅片管式换热器，其几何参数如所示；排风扇为前向多翼离心式风机，风量为650m 3 /h.压缩机选用转子式，其标准工况下的额定制冷量为2. 2 kW；节流元件采用内径为0. 5 mm的毛细管。水箱容积为0. 1m 3，实验中实际注水量为85. 3 kg；水箱中冷凝盘管由紫铜管盘绕而成，长度约为36 m.
3. 2实验装置实验在焓差法空调器性能试验室内进行，热泵系统及测点布置示意如所示。试验室分为室内、室外侧环境室，每个环境室内安装了一台空气处理机组，由计算机通过PID控制环境室温度、湿度稳定在设定值，达到实验所需要的温湿度条件。热泵系统蒸发器风机（排风机）流量由室内侧环境室变频风机控制，风量用标准喷嘴测量，系统制冷量可通过测量蒸发器进出风焓差来确定；热泵系统消耗功率及各测点制冷剂压力、过冷度、过热度等参数由实验台测控系统采集。
洗浴水进出口及水箱中的水温用热电偶测量，由于自然对流作用，水箱中存在水温分层现象，因此在水箱上、中、下层各布置了一对热电偶，位置分别在水箱上、中、下三层中点。热电偶均在恒温浴槽中经过标定，所有参数采用计算机数据采集和处理，测量仪器和传感器精度如所示。
实验中首先将室内外环境调控到要求的工况，其中室内侧环境控制在干球温度θa为18℃、相对湿度为60%，排风机风量控制在650m 3 /h，室外侧环境控制在干球温度18℃。待室内外环境稳定后开启被试热泵样机，每隔6s采集各测点数据，实验结果如～8所示。
4实验结果及分析所示为水箱中水的温升曲线，被试样机在开机约45min后上部水温达到50℃，可以满足洗浴用水要求。另外从图中可以看到，水箱中水温存在严重的分层现象，水箱底部水温随时间升高速度非常缓慢，在整个加热过程中仅升高约3℃。产生这种现象的原因是由于冷凝盘管外水的自然对流换热作用使热水集于上层，同时，热泵机组冷凝盘管为工质上进下出型式，在水箱底部盘管内的R22工质处于过冷状态，因此工质与盘管外水的热交换量较小，造成水箱底部水温升高很小。
给出了冷凝盘管出口处制冷剂温度及相应的过冷度，从图中可以看出，由于冷凝盘管外水温较低，冷凝器出口制冷剂具有较大的过冷度；随着上部水温的升高引起冷凝温度升高，而水箱底部水温变化不大，造成冷凝盘管出口处制冷剂温度随上部水温的升高缓慢增长，而制冷剂过冷度快速增加，加热过程结束时过冷度达到了约28℃，这对增大机组制热量及提高其性能系数是有益的。
所示为热泵系统冷凝压力、蒸发压力及高低压差随时间的变化，从图中可以看出热泵样机开机后迅速达到平衡状态；随着水箱中水温的升高，蒸发压力近似线性增加，而冷凝压力的增长速度则越来越快；当水箱出水温度达到50℃时，对应的冷凝温度约为56℃，系统高低压差约为1. 6MPa.
给出了压缩机吸、排汽温度随加热时间的变化曲线，随着水温及压缩机压比的增加，压缩机排汽温度逐渐升高；当水温度达到50℃时，压缩机排汽温度约为107℃。因此，对使用R22工质的实验热泵热水器样机，洗浴水出水温度50℃为其安全工作的极限，进一步提高出水温度将使压缩机压比和排汽温度超过安全范围，对热泵系统的安全工作不利。从还可以看出，加热过程前30min压缩机吸汽温度变化不大，加热过程后期压缩机吸汽温度下降速度加快，其原因是由于蒸发器内R22与空气的传热温差减小使得过热面积逐渐减小所致。
所示为热泵热水器制热量及COP随运行时间的变化规律，实验发现制热量随着水箱中水温的升高而增大，但其增长速度随加热时间的增加逐渐减小；性能系数COP随运行时间先升后降，在水箱出水温度为33～40℃范围内COP达到*大，其值约为3. 4，整个加热过程中平均COP约为3. 15.产生COP*大值的原因是在上述水箱出水温度范围内系统的冷凝温度、蒸发温度等工况条件使得热泵系统各部件达到了*佳匹配，因此系统COP较高。
随时间的变化制热量的增大得益于两个因素：（1）从排风中获取的余热（即热泵系统的制冷量）随着水箱出水温度的增加不断增大，其增长速度呈逐渐放慢的趋势。可以看出，热泵系统制冷量的增长是由于系统蒸发压力及过冷度增加所致；（2）由于随着水温的升高热泵系统高低压差不断增大，导致压缩机耗功率近似线性增长，导致热泵系统制热量随之增大。
5结语提出了一种利用室内排风余热的热泵热水器机组，避免了热泵室外换热器表面结霜及在冬季工况下压缩机工作条件恶化问题，且对浴室环境温度不产生影响。
实验结果表明：用户室温为18℃时实验热泵热水器样机可在45min内将85 kg水从18℃加热至出水温度50℃；当水箱出水温度在33～40℃范围内时热泵系统性能系数达到*大值，*大性能系数约为3. 4，整个加热过程中的平均性能系数为3. 15，平均耗功率为800 W.当水箱出水温度为50℃时，压缩机排汽温度约为107℃，热泵系统高低压差约为1.6，进一步提高出水温度将使压缩机压比和排汽温度超过安全范围，对热泵系统的安全工作是不利的，即对使用R22工质的实验热泵热水器样机，洗浴水出水温度50℃为其安全工作的极限。
同时，实验发现对于采用冷凝盘管型水箱的热泵热水器系统，制冷剂上进下出布置方式可使水箱中水温产生严重的分层效应，从而使得制冷剂在冷凝器出口具有较大的过冷度，且随着水箱出水温度的升高过冷度线性增长，对于实验样机加热过程结束时过冷度可达28℃。
