1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 2.5KW 复合能源空调热水系统学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 2.5KW 复合能源空调热水系统目 录中文摘要 .I英文摘要 .II1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 国内外热泵空调热水器技术研究与发展综述 .21.2.1 国外的研究与发展概况 .21.2.2 国内的研究概况 .31.3 本文研究内容 .42 复合能源空调热水器的原理及系统研究 .52.1 系统组成及原理 .52.1.1 热泵侧装置原理 .62.1.2 水侧装置原理: .72.2 实验装置 .72.3 热泵与水循环设备 .83
2、方案选择与论证 .103.1 压缩机 .103.1.1 压缩机概述 .103.1.2 压缩机的比较 .103.2 冷凝器 .143.2.1 冷凝器概述 .143.2.2 冷凝器的比较 .142.5KW 复合能源空调热水系统3.3 蒸发器 .163.3.1 蒸发器概述 .163.3.2 蒸发器的比较 .163.4 制冷剂 .173.4.1 制冷剂概述 .173.4.2 制冷剂的选择 .184 设计计算 .204.1 系统的热力计算 .204.2 压缩机的 选取 .244.3 室外换 热器的 设计计算 .254.4 室内换热器的设计计算 .305 节流机构的选择 .375.1 节流机构概述 .37
3、5.2 节流机构的分类 .375.3 电子膨胀阀的选择 .436 其他辅助设备的计算与选型 .456.1 气液分离器的计算与选型 .456.2 四通换向阀选取 .466.3 截止阀的选取 .486.4 电磁阀的选取 .506.5 分歧管的选取 .516.6 分流头的选择 .547 结论与展 望 .552.5KW 复合能源空调热水系统7.1 全文总结 .557.2 本文的不足与展 望 .56结束语 .58致 谢 .60参考文献 .612.5KW 复合能源空调热水系统I2.5KW 复合能源空调热水系统摘 要本文对多功能空调热水一体系统的原理及其在空气源热泵和地源热泵系统上的应用进行了详细的分析和研
4、究。同时介绍了空调热水系统的技术特点与工作原理，较为详细的介绍了空调热水的设计计算以及相关零部件选取。本设计的关键在于蒸发器和冷凝器的设计计算，以及其他零部件的选择。本文着重于在太阳能制冷的基础上，以空调热水系统为主进行设计，通过对题目的分析，选出合适的方案。然后进行冷负荷的计算，进行压缩机和辅助机构的选型；以及与压缩机相适配的冷凝器、蒸发器等进行设计计算，选取合理的风机，对空调室内机及室外机进行结构计算和形状设计，通过对装置的各部件设计后，对装置的整体布局进行设计，使装置整体结构布局合理，紧凑。本设计的关键在于蒸发器和冷凝器的设计计算，以及其他零部件的选择、制冷剂管道的布置。 关键词 多功能
5、、复合热水系统、空调、空气源热泵、系统模拟、节能2.5KW 复合能源空调热水系统IIThe system of 2.5KW Composite energyAir-conditioner with Water HeaterABSTRACTIn this paper, one of the principles of multi-functional air-conditioning water system and its application in the air source heat pump and ground -source heat pump system, carried o
6、ut a detailed analysis and research. At the same time introduces the technical characteristics and working principle of air conditioning hot water system , a more detailed description of the design and calculation of air conditioning and hot water related components selected. The key lies in the des
7、ign of the evaporator and condenser design and calculation , as well as select other components.This paper focuses on the basis of solar refrigeration , air conditioning hot water system to be designed mainly through analysis of the topic , select the appropriate option . Then cooling load calculati
8、ons, selection of the compressor and auxiliary organizations ; and condenser , evaporator and compressor adapted the design calculations , etc. , select a reasonable fan, air conditioner indoor unit and outdoor unit structure calculations and shape of the design, through the various components of th
9、e device design , the overall layout of the device is designed so that the overall structure of the device layout reasonable, compact.The key lies in the design of the evaporator and condenser design and calculation , as well as select other components , refrigerant piping arrangement .KEY WORDS : M
10、ultifunctional，hybrid water heating system，air conditioning，air source heat pump，experimental study，system simulation，energy saving2.5KW 复合能源空调热水系统11 绪论1.1 课题背景 18开发新能源、利用可再生能源、节约现有能源和提高能源的利用率已成为 21 世纪人类发展的重要课题之一。热泵技术是开发和强化高质能源利用率的重要手段，是获取可再生能源及维护生态平衡的有效途径之一。通过热泵，可以把热源中一般不能宜接利用的低温热量提升温度后向生活和生产提供有用的热
11、量，这就给人们提供了一条节约矿物燃料、合理利用能源、减轻环境污染的途径，因此热泵具有节能和环保的双重功效。从 1852 年威廉汤姆逊提出热泵的设想，热泵己经经过了 150 多年的发展，特别是二十世纪的后五十年中，由于能源危机的影响，热泵得到了快速的发展，在工业和民用的各各领域都有广泛的应用，热泵广泛的用于建筑物的供热，棉，纸张，农作物的较低温度下的干燥，工厂的工艺过程如造纸厂，化工厂等的废热的回收利用 18。在民用方面，热泵最主要的应用还是建筑物的供热.最近二十年年以来，很多的研究者注意到热泵在提供家用热水方面有非常明显的优势，热泵热水装置有很大的发展，特别是在美国和日本，蒸汽压缩式热泵热水装
12、置已经占有了一定的热水器的市场。在关国，热泵热水器自 1988 年问一世以来发展很快。目前己占据了热水器很大的市场份额。我国是一个常规能源并不富裕的国家，有着辽阔的采暖庆域。随着社会生产的发展和人民生活水平的提高，人们对舒适性的要求提高，空调广泛的使用.洗浴用的低温热水的使用也大大正加两者都消耗大量的高品味的电能和其他高品味的能源如煤气等，用于空调制冷，供热的能耗占能源总用量的比例越来越大，费用也快速增加。因此节约能源，提高空调制冷，热泵设备，热水装置的能源利用效率得到国家和民众的关注。目前国内的热水器主要有:电热水器、燃气热水器以及太阳能热水器。大型的热泵热水装置国内最近两年有厂家模仿国外的
13、产品开始生产，发展很快.但是家用装置还没有大规模的出现，但已经有一些研究机构、大学开始了试验性的研究和开发。热泵热水器比前三类热水器而言，可因地制宜地利用废热和自然能源，还有节约能源、运行费用低廉、使用区域广泛等优点。我国地处冬冷夏热的地区很广，国2.5KW 复合能源空调热水系统2内空调市场规模很大，采用压缩式热泵热水器，可以非常明显地提高能源利用效率热泵的 COP 一般可以达到 3);鉴于我国开始推广电峰、谷电价的实施.热泵在低电价时生产热水的节能和节约费用的效果更为凸现:用于替代燃气热水器可以减少高品位燃气的消耗，减少 CO2的排放，减少环境污染;可以和空调以及广泛关注的太阳能的利用相结合
14、。合理利用能源。进一步提高用能效率。另外，目前我国大多数家庭或商业使用的热泵空调装置，在夏季时实现制冷。冬季供热，但是在春秋过渡季节，机器闲置，没有被利用。而且在夏季使用时冷凝器中的热量排入环境、能量没有被利用。这些都是对能量与设备投资的一种极大浪费.综上所述，开发一种集空调一热泵一热水器于一体的多功能热泵空调热水器便成为社会与技术发展的一种必然趋势。1.2 国内外热泵空调热水器技术研究与发展综述1.2.1 国外的研究与发展概况 21国外对热泵热水器的研究起步较早，其最早出现在 20 世纪 50 年代，70 年代能源危机之后，家用热泵热水系统得到了较大发展，仅在美国就出现了三家生产热泵热水器的
15、公司，形成一定的市场规模。在另外一些国家、热泵热水器也得到了较好的发展，例如在南非，1998 年的统计数字表明，热泵热水器在商业热水器市场的销售份额达到 16%左右。近些年来，国外对热泵热水器的研究多集中在:1）新型制冷剂在热泵热水器中的应用研究CO2 具有绝对的环保优势(GWP=1,ODP=0)，在传热、流动、压缩、单位容积制冷量以及价格等方面具有显著优势:另外，CO 2跨临界单级压缩热泵循环最适合于在冷却介质进口温度低，温度提升大的情况下使用，这时节流损失相对较小，同时温度匹配很好，能够充分发挥旅跨临界热泵循环的优势，这种场合的最好应用就是热泵热水器。Fetter Neksa、Havard
16、 Rekstad37等人提出了 CO2跨临界循环空气源热泵热水器，,实验表明 23:蒸发温度 0的条件下.自来水温度由 9C 加热到 60C,系统CQP 值可达 4.3，全年运行平均供热 GDP 值可以达到 4.0，与传统电加热或燃煤系统比较，可节省一次能源 75%，而且最高供水温度可达 90C。2.5KW 复合能源空调热水系统32) 以太阳能作为辅助热源的热泵热水器的理论及试验研究国外对太阳能辅助热泵热水器的研究开展得比较早。并有商业化产品出售。太阳能辅助热泵热水器一般有三种系统组织形式:分体双循环式、分体单循环式、集成式。分休双循环式包含两个循环，即制冷剂循环和水循环。这种组织形式系统复杂
17、，安装不便，成本高，因而难以商业化推广。分体单循环式只有制冷剂循环，蒸发器与太阳能集热器集成，而冷凝器则为蓄水箱中的浸没式散热器。这种组织形式相对简单，而且效率高，已有产品出售，但需要安装现场灌注制冷剂，因而安装比较不便。Hawlader 等人提出的太阳能辅助热泵热水系统，对于新加坡的气候条件，当水箱水温为 30-50时，集热器效率为 40%一 70%，系统 COP 值为 4-9,经济分析表明投资回收期约为 2 年。集成型太阳能辅助热泵热水器将集热器/蒸发器、压缩机、冷凝器、蓄水箱等部件集中组合成一个紧揍的整体。系统结构紧凑，外型尺寸小，无循环水泵等附加功耗，所有部件在工厂一次性组装集成，安装
18、方便灵活。在阴雨天气则以空气源热泵模式运行，因而能全天候供应热水，而且性能平稳，但受结梅和采光面积的局限;系统 COP 值较分体式系统低。1.2.2 国内的研究概况 25相对来说，国内在这方面的研究不多.但也取得了一定的成果。中国科技大学季杰等研制出的空调一热水器一体机，并对其在制冷兼制热水模式下的性能进行数值摸拟和实验研究，系统能效比的平均值为 3.5.华中科技大学吴小平等也建立了家用热泵热水装置的实验平台!，并对热泵供热水装置进行了连续运行实验，得到了稳定负荷下一昼夜的温度曲线口还有天津大学的余乐渊等也做了大量的实验研究。中科院广州能源所在国内率先开发成功了高温地源热泵，最高输出温度达到
19、75 C ,该系统除提供冬季采暖、夏季制冷外，全年每大可提供 60C 的热水 80t。利用该技术制取热水水可比常规方法节能 80%以上。上海交通大学与青岛建筑丁程学院的旷玉辉、王如竹等建立了太阳能热泵供热系统实验台及实验台测试系统，实验表明，在整个供暖测试期内，室外平均温度为-1.56C，平均太阳辐射强度为 3278w/m2,热泵机组平均供热系数为 2.55,整个系统2.5KW 复合能源空调热水系统4平均供热系数为 2.19。1.3 本文研究内容文献查阅和分析印证了作者的思路，利用热泵提供日益增长的生活热水的需求是一种节能的热水生产方式，将热泵热水器与建筑物的夏季供冷和冬季供暖结合.实现一套装
20、置多种功能既提高设备的使用率，也提高能源利用率，是能源紧张的前提下，节能减排和减少环境污染的措施中一个重要方面；而且通过利用夏季空调冷凝热生产热水可以减少对环境的热污染，减弱城市热岛效应；对地源热泵而言将热泵热水器与地源热泵空调系统结合，利用热泵原理生产生活热水，在提高能源利用率，减少对大气环境热排放同时，还有效的起到减少对土壤排热，避免或者减弱我国冬冷夏热地区地源热泵空调系统向地下土壤吸热 l 热不平衡现象。针对以上的文献分析，作者希望对多功能空气源热泵空调热水系统和多功能地源热泵空调热水系统进行研究和分析。具体的工作内容为:1. 目前对整体系统的工作循环和优化设计方面还没有很大的突破，特别
21、是缺少实验对模型的验证，无法为系统的优化设计提供可靠的理论保障，本论文将建立的整体模型结合实验加以验证。2. 目前对热泵空调器和热泵热水器两个独立的系统研究很多，但是把两者放在一个独立的热泵空调热水器系统中研究还比较少，对实现两种功能的核心部件的匹配、联合运行特性研究就更少了，本文也将在此方面加以适当的探讨。3. 由于热泵空调热水器是集制冷、采暖和供应热水于一身，所以在不同季节，不同环境条件对整个系统的影响状况也是本文涉及的一项重要内容。4. 热泵空调热水器系统作为一种可以用于商用的设备，那么对此系统的运行调节这方面 l 的内容也是必须加以研究，特别是出水状态点、蒸发温度点调节等等都会影响到系统的稳定性运行，那么对在满足系统要求的同时，系统的运行参数如压缩机吸排气压力、温度，制取热水流量,换热性能等方面的内容也将加以探讨。
