容积式热泵热水器的研究.doc

1、容 积 式 热 泵 热 水 器 的 研 究RESEARCH OF VOLUMETRIC HEAT PUMP WATER HEATER专 业：过程装备与控制工程摘 要热泵热水器借助外部能量，把不能直接利用的低位热源转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能的目的。阐述了热泵热水器的发展趋势与应用现状，分析了空气源热泵的工作原理和节能原理，并将空气源热泵热水机组与电热水器、燃气热水锅炉、太阳能热水器等热水供应系统的性能进行了比较。在此基础上，结合实验数据，指出了影响热泵技术发展的因素和解决的方法。关键词：热泵； 空气源； 热水器； 制约因素； 解决途径ABSTRACTHeat pump wa

2、ter heater can exchange the low-grade heat which can not be directly used to the high-grade heat, so as to achieve the purpose of high energy saving part. Expounds heat pump water heaters development tendency and application situation, analyses the working principle of air source heat pump, and comp

3、arison the energy-saving principle between air source heat pump water heater units and other water heaters,just like gas hot water boiler, solar water heaters hot water supply system. On this basis, the combined experimental data, pointed out the constraints of heat pump technology development and t

4、he solving methods.Key words： Heat Pump； Air source； Water heater； Constraints； Solutions目 录1. 绪论.11.1 热水制取技术简介11.2 热泵热水器的发展现状与分类 X1.3 容积式热泵热水器的特点及应用 X1.4 本文主要工作 X2. 容积式热泵热水器的组成分析 X2.1 容积式热泵热水器的基本流程 X2.2 容积式热泵热水器的典型结构 X2.3 容积式热泵热水器的冷凝器分析 X2.4 容积式热泵热水器的蒸发器分析 X3. 容积式热泵热水器的性能分析 X3.1 整体式空气源热泵热水器简介 X3.2

5、整体式空气源热泵热水器的主要性能指标 X3.3 整体式空气源热泵热水器的基本仿真模型 X3.4 整体式空气源热泵热水器的性能变化规律 X4. 整体式空气源热泵热水器的实验研究 X4.1 实验目的与实验设计 X4.2 实验装置简介 X4.3 实验结果及分析 X4.4 整体式空气源热泵热水器的改进分析 X5. 结论与建议 X致谢 X参考文献 X1 绪论1.1 热水制取方式简介本文中的热水一般是指常压下温度低于 100的热水。本文主要介绍热水在家庭、商业服务、工农业生产等领域的应用。1.1.1 热水的主要应用领域 （1）家庭使用主要包括：人的洗浴、餐具清洗、食物清 洗、洗涤衣物、室内卫生用水等领域。

6、一般用量：每人每天平均用量约为 40-60L。一般水温：大致 20-40。应用前景：科学研究表明，如果频繁或长时间接触温度较低的自来水，会对人的身体造成不良影响，如关节炎、皮肤粗糙、降低人体免疫力等。而我国家庭对热水的使用尚不十分普及，据有关部门估计，我国家庭热水、冷水的使用比例约为 1:9，而发达国家的这一比例平均为 9:1 左右，可见随着我国家庭生活水平的普遍提高，热水器的应用前景广阔。（2）商业服务领域使用主要包括：公共盥洗室、淋浴室、疗养院、餐饮单位、医院或诊疗所用水等。一般用量：每人每天平均用量约为 80-120L。一般水温：20-40。（3）工农业生产领域应用主要包括：热带鱼养殖、

7、果蔬种植、食品工业、生化工业、橡胶、纺织等领域。1.1.2 几种主要热水器的简介（1）燃气热水装置燃气热水装置具有初投资和热水制取费用较低、结构紧凑、易于实现较大负荷的热水供应等特点。主要分类：人工燃气式、液化石油型、天燃气型、沼气型四类。主要结构：贮水箱、加热元件、温度控制装置、安全保护装置、冷热水混合调温器等。（2）电加热热水装置由电能直接转变为热能来加热制取热水的装置称为电加热热水装置。电加热热水装置具有结构简单、使用方便等特点。适于中小规模热水应用领域（尤其是无燃气供应的场所） 。主要分类：电阻加热式、电磁加热式两类。主要结构：贮水箱、加热元件、温度控制装置、安全保护装置、水路系统等。

8、（3）太阳能热水装置太阳能热水装置也称太阳热水装置，是终端产品为热水的太阳能热利用装置。其基本原理是将太阳的辐射能吸收并转变为热能，再向水传递热量而获得热水。主要分类：顶水式、放水式两类。主要结构：集热器、贮水箱、辅助能源、循环管道、自动控制等。（4）热泵热水装置热泵热水装置是利用环境中蕴含的免费热能来制取热水的装置。主要分类：蒸汽压缩式、吸附式、吸收式、喷射式、热电式五类。主要结构：贮水箱（仅限于容积式热泵热水器） 、热泵、冷凝器、蒸发器。1.1.3 各种热水装置的比较（1）一般特性的比较对燃气式、电加热式、太阳能加热式和热泵式四种热水制取方法，就其基本特性的比较如下表所示：表 1-1 不同

9、热水制取方法的一般特性比较项目 燃气热水装置 电加热热水装置 太阳能热水装置 热泵热水装置初投资（含安装） 较低 较低 较高 较高制取热水的 能源费用 中 高 低 低使用寿命 较长 较长 长 长维护工作 中等 较少 中等 较少受天气影响 小 小 大 小安全性 较低 中等 中等 （电辅助加热） 较高安装条件要求 低 低 高（足够光照） 低（2）小型热水装置的典型数据比较以每天将 300L 水由 15加热到 55的小型热水装置为基准，就其典型数据比较如下表所示：表 1-2 小型热水装置的典型数据比较项目 天然气热水器 电热水器 太阳能热水器 热泵热水器所用热源 天然气 电 点(辅助加热) 电能源热

10、值/MJ 37 3.6 3.6 3.6热效率/% 80-95 90-98 200-300 250-450年能源消耗量 571 平米 5436Kwh 2044 Kwh 1460 Kwh能源单价/元 2.2 0.49 0.49 0.49年能源费用/元 1256 2664 1002 715使用寿命/年 6 至 10 6 至 10 10 至 12 约 15安装 室内壁挂式 室内落地式 室内落地式 室内落地式安全性 有中毒爆炸危险 有触漏电危险 有触漏电危险 无触漏电危险（3）中大型热水装置的典型数据比较表 1-3 日产 10t 热水装置的典型数据比较项目 燃油锅炉 燃气锅炉 电热锅炉 热泵热水装置所用

11、能源 柴油 天然气 电 电能源单位 Kg Kwh Kwh热效率 80-95 80-95 90-98 250-450年能源费用/元 109382 53483 138158 37105年人工费/元 20000 20000 0 0年总费用/元 129382 73483 138158 37105装置寿命/年 5 至 8 5 至 8 5 至 8 约 15其它 污染严重 安全要求高 受惠分时电价 受惠分时电价能源热值/Mj 42 37 3.6 3.61.2 热泵热水器的发展现状与分类1.2.1 热泵热水器的发展现状热泵热水器作为新型高效的节能产品其市场尚处于起步阶段，在技术研发、生产流程、市场开拓等各方面

12、仍需逐步完善。国际铜业协会曾在2006年成功举办了首届热泵热水器前景与发展论坛，2007年再次组织相关的单位和机构，在政策法规、市场发展、技术分析、渠道建设等方面展开广泛的交流和研讨，表明了相关部门和热水器市场对热泵热水器产品在国内健康发展的强烈意愿 1。热泵热水器具备节能和安全两大特性，相对于燃气热水器和电热水器而言，独特的设计形式使得热泵热水器的安全性能更高。现在大型的热泵热水器已逐步得到社会的认可和重视，但我们更希望推进空气源热泵热水器和家用型空气源热泵热水器市场的发展，因为通过对市场调查发现，空气源热泵热水器的市场需求非常旺盛，潜力无可估量。但当前消费者对于该产品的认知度和接受度还处于

13、萌芽状态，尤其是市场上的产品和宣传都比较少，使得这个产品的优点不为人所知，所以，制造企业除了需要给消费者提供质量过硬的产品外，有必要展开大规模的宣传工作。目前，在国家大力倡导节能减排的宏观环境下，尤其是节能减排已列入地方政府的政绩考核指标，因此十分有利于热泵热水器行业的发展。但是随着热泵热水器生产企业的增多，市场上产品的质量参差不齐，有些企业粗造滥制、低价抛售，虚标能效或虚标产水量等误导用户现象时有发生，给这个尚未成熟的市场带来了不良影响。可喜的是商用和类似用途热泵热水器国家标准已进入审核阶段，家用和类似用途热泵热水器国家标准将在短期内提交国标委审核，我们相信随着国家标准的出台，将有利于热泵热

14、水器行业健康、有序地发展。1.2.2 热泵热水器的分类热泵系统主要分为地源、水源和气源三类。其中地源和水源热泵近几年得到国家和地方政府的大力推广，如北京市2006 年出台的关于发展热泵系统的指导意见中规定：供热制冷系统选用热泵系统的，按建筑面积将得到一次性补助。沈阳市计划到2010 年底，全市实现地源热泵技术应用面积6500万平方米，占全市当期供热面积的32.5%。大连、成都、乌鲁木齐、宁波、南京、武汉、青岛等城市均纷纷将地源或水源热泵技术作为重点推广对象。但是地源和水源热泵的使用也有一些局限性，比如水源热泵系统受水源制约及当地水资源利用政策的影响且回灌问题仍未得到很好解决；地源热泵需要足够的

15、场地埋设土壤源换热器，工程成本较高。空气源热泵系统取用环境空气作为低温热源，不受水源和场地的限制，安装应用灵活，特别适合家庭这样的小型系统。在空气源热泵输出的有效能量中，约2/3取自大气（太阳能），1/3 来自电力，节能效果显著，另外，空气作为重要的可再生能源，使得空气源热水器的适用范围更加广泛，使用更加便捷，并且不对国土资源产生任何影响。空气源热泵热水器的水、电分离结构，大大加强了使用安全性，用较小的输入功率，能得到较大的输出热量，可以构成高档建筑使用的中央热水系统，其节能率可达年平均50%60%，故有人称空气源热水器为第四代热水器。但是空气源热泵热水器在低温环境下运行存在着两个主要技术难点

16、：一是制热量随环境温度的下降而急剧下降；另一个是制热效率随环境温度的下降而急剧下降。由于热泵热水器的冷凝温度比较高，在环境温度较低的情况下，蒸发温度低，结霜非常严重，同时能效也会非常低。在实际检测中的热泵产品的能效比常常仅稍高于1，在负温下能效比还会低于1。正是以上的两个原因无法满足北方消费者的热水需求，直接导致了空气源热泵热水器在北方地区始终打不开销路。热泵热水器作为节能环保产品具有巨大市场潜力，但能否有效地解决空气源热泵在低温运行的制热问题将决定其市场范围。针对这个问题目前主要有三种解决方案：其一是采用变频技术提高低温下的制热量；其二是通过补气增焓技术和改进压缩机来提高制热效率；其三是改进

17、现有的压缩机。解决制热量问题，除了改进压缩机外，还可以采用其他一些辅助手段，比如从提高低温热源的温度角度出发，将太阳能和热泵结合起来，用太阳能作为辅助的低温热源，或用热泵热水器作为辅助的加热方式等；提高低温环境下制热效率最行之有效的方法是补气增焓技术，这种技术有闪发器系统和过冷器系统两种方式，其核心技术在于补气压力的大小和制冷剂的分配决定了系统的制热量和制热效率。通过提高压缩机效率来改善制热效果是近两年的新技术，如谷轮针对低温制热问题新推出了一款低温数码涡旋压缩机，还有上海日立开发了一款变容量压缩机，这款双缸转子式压缩机的两个缸既可串联也可并联，而且串或并联运行时压缩机的压力比完全不一样，即制

18、冷（热）量也不同，比较适合热泵热水器在夏、冬使用工况不同的低温运行要求。1.3 容积式热泵热水器的特点及应用1.3.1容积式热泵热水装置特点容积式热水器是利用土壤中贮存的能量把热水缓慢加热，贮存后再供人们使用的系统装置：（1）优点：1）可充分利用低价电进行热水贮存而避免高峰用电, 从而降低了运行费用。2）其可建立中央热水供应系统, 能为用户多点、大量提供热水, 尤其适用于所需热水水温不同的场合。3）供热水量主要由容积大小来决定, 而不依赖于加热源的功率, 这样可以减小地上机组和地下换热部分的结构体积、初投资和噪音。4）采用温度控制方式,控制系统简单, 运行可靠, 故障率低, 对水压无特别要求。

19、5）冷热水混合龙头可同时开启冷热水阀门,任意调节水温,使用舒适。（2）缺点：1）必须提前存储所需热水, 加热时间长, 带来不便。2）须使用水箱, 增加了系统初投资和系统体积, 增大了占用机房的面积。3）其除了加热功能外, 还有储备热水的功能, 但由于其是闭式循环,其中总是充满热水不能用尽, 到晚间不断对外散热, 并且热水管路也存在对外散热, 造成一定地无效热损失, 增加了机组耗功。1.4 本文主要工作通过对热水在家庭、商业、工农业生产中作用的介绍，以及对各种热水技术和热水装置的综合分析、比较，本文将着重介绍容积式热泵热水器的各方面内容。主要包括容积式热泵热水器的结构分析、绘制机构流程图、整体式

20、结构的选用依据分析、热泵热水器各主要部件的布置、冷凝器结构分析、蒸发器结构分析、管路的流程分析、流动形式的选择以及选用依据、加热方式的选择以及选用依据、热泵热水器的性能参数分析、热水器水量分析、热水器水温分析、热水器升温速度以及制热系数分析、对影响热泵热水器核心指标的因素进行讨论、新型热泵热水器的市场前景展望等等。2 容积式热泵热水器的组成分析2.1 容积式热泵热水器的基本流程2.1.1 热泵热水技术的理论基础热泵热水器的工作过程应用逆卡诺循环（Diagram of the reverse Carnot cycle）。逆卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成(如图2)。假设低温热源(即被冷却物体)的温度为 ，高温热源(即环境介质)的温度为 ，则工质的温lThT度在吸热过程中为 ，在放热过程中为 。就是说，在吸热和放热过程中工质l h与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为：首先工质在 下从冷源(即lT被冷却物体)吸取热量 ，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其0q温度由 升高至环境介质的温度 ，再在 下进行等温压缩2-3，并向环境lThTh介质(即高温热源)放出热量 ，最后再进行绝热膨胀 3-4，使其温度由 降至k hT，即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。l