1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 直膨式太阳能热泵热水器设计 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 直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 1目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 直膨式太阳能热泵热水器的工作原理及其特点 .11.1.1 直膨式太阳能热泵热水器的工作原理 .11.1.2 直膨式太阳能热泵热水器的特点 .21.2 直膨式太阳能热泵热水器的应用及其发展前景 .31.3 直膨式太阳能热泵热水器的设计要点 .42 方案选择与论证 .52.1 压缩机 .52.1.1 压缩机概述 .52.1.2 压缩
2、机的比较 .62.2 冷凝器 .92.2.1 冷凝器概述 .92.2.2 冷凝器的比较 .92.3 蒸发器 .112.3.1 蒸发器概述 .112.3.2 蒸发器的比较 .122.4 制冷剂 .123 设计 计算 .133.1 系统的热力计算 .133.1.1 空调系统的 热力计算 .14直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 23.1.2 房间的热力计算 .163.2 压缩机的选取 .173.3 冷 凝器 设计计算 .193.4 蒸发器设计 计算 .204 节流机 构 的 选择 .244.1 节流机构概述 .244.2 节流机构的分类 .254.3 毛细管的选择计算 .305
3、其他辅助设备 的计算与选型 .315.1 干燥过滤器计算与选型 .315.2 气液分离器的计算与选型 .325.3 截止阀的选取 .345.4 电磁阀的选取 .355.5 压力控制器选取 .365.6 压差控制器的选取 .375.7 温度控制器的选取 .376 制冷剂充注量计算 .38结束 语 .40致 谢 .41直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 2参考文献 .42直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 1直膨式太阳能热泵热水器设计摘 要多功能热泵空调热水一体系统是将建筑物夏季供冷，冬季供热功能与热泵热水功能集成为一体的建筑物小型综合能源系统。整个系统只是在普
4、通热泵空调的基础上增加水一制冷剂换热器和一些管道以及阀门等附件，是一种提高空调设备利用率和提高空调器整体能源利用率的系统。该系统在夏季的时候利用空调制冷时向环境排放的热量制取生活热水；过渡季节可以独立作为热泵热水器运行；冬季在制热和制热水间交替运行，利用不向建筑物供热的时间制取生活热水。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究。本文提出多功能空气源热泵空调热水一体系统，对系统构成和功能分析的基础上，设计和搭建了家用多功能热泵空调热水试验系统。在该试验系统上完成了夏季制冷兼制热水的试验和春秋季以及冬季单独制热水的试验。试验结果表明获得 40和
5、 50的生活热水，夏季制热水性能系数达到 2.54.0，春秋过渡季节在 2.92.2 之间变化。冬季的平均制热水性能系数可以达到 2.1。试验验证了系统可靠性和节能效果。根据多功能空气源热泵空调热水系统与太阳能热水系统联合运行的构想，完成了两者联合运行的初步试验，试验数据表明两者可以联合运行降低制热水的能耗，同等升温幅度的情况下先运行热泵比后运行热泵耗时少，耗能少。 关键词 多功能/复合热水系统/空调/太阳能热泵/系统模拟/节能Direct expansion solar-assisted heat pump water heaterABSTRACT直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02
6、 周喜乐 IIMultifunctional heat pump system is a kind of heat pump in which a heat pump air conditioner and heat pump water heater is integrated. The multifunctional heat pump is built up by installing a wafer tank, water cooled condenser and necessary valves and pipes. It improves the total energy effi
7、cient and also makes the most use of the heat pump equipment which does not run during Spring and Autumn. The multifunctional heat pump system performs in fours models; space cooling and water heating simultaneously in Summer; space cooling only in Summer, water healing in Spring and Autumn when spa
8、ce cooling and heating is not necessary; space heating only in Winter and water heating in Winter when space heating is not needed. This work presents the research df multifunctional heat pump system in both air source heat pump arid ground source heat pump system.A multifunctional air source heat p
9、ump system is introduced according to which a prototype equipment is manufactured in the laboratory and experiment of water beating and space cooling simultaneously in summer and experiment of water heating in Spring and winter were carried out. The summer experiment results shows that the multifunc
10、tional heat pump system supplied hot water with a temperature at 4050 and the performance coefficient EER ,ranged from 2.54.0. The Spring/Autumn experiment results shows that the performance coefficient EERW ranged from 2.92.2; And the winter the average performance coefficient is 2.1.Experiments of
11、 performance with combined heat pump water heater and solar water heater was also accomplished. The results shows that heat pump running before solar water heater results in both the less total heating time and higher heat pump performance coefficient.KEY WORDS : Multifunctional，hybrid water heating
12、 system，air conditioning，air source heat pump，experimental study，system simulation，energy saving直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 11 绪论通过将太阳能热水系统和空调热泵系统结合，设计出太阳能复合能源空调系统。太阳能复合能源空调热水系统是采用一种新型的系统结构将太阳能热水系统和热泵空调热水系统相结合，夏季通过室内的蒸发器降低室内温度和湿度，并可以同以利用冷凝器散热和太阳能提供生活热水。冬季不需要室内降温降湿的情况下，可以利用热泵与太阳能提供生活热水。系统主要通过太阳能系统提供热水
13、，由于太阳能辐射表现为夏季充足和冬季不足的特点，当太阳能辐射充足时，直接通过太阳能热水系统提供生活热水，当太阳能辐射不足时，启动热泵系统辅助制热，因此太阳能复合能源空调系统克服了单一太阳能热水系统的季节问题。本文主要介绍了太阳能复合能源空调热水系统的技术特点和工作原理，较为详细的介绍了 6KW 太阳能复合能源空调热水系统设计计算以及其相关零部件的选取。1.1直膨式太阳能热泵热水器系统的工作原理及其特点1.1.1 直膨式太阳能热泵热水器的工作原理太阳能复合能源空调系统由太阳能热水子系统，热泵空调热水子系统组成。太阳能子系统包括集热器、保温水箱等；热泵空调热水子系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流
14、装置，以及带有盘管换热器的保温水箱，循环水泵等（如图 1 所示） 。太阳能复合能源空调热水系统，是利用水冷冷凝器的形式回收空调冷凝热，并用于生活热水的初级加热，利用太阳能对生活热水进行二级加热供全年生活热水使用。直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 4图 1 系统热泵侧原理图该系统将太阳能热水器与传统蒸汽压缩式家用空调进行有机结合：在压缩机的排气侧，用一个“水-制冷剂”的排气换热器替代了原有的“空气-制冷剂”的换热器，提高进入太阳能集热器的用户侧回水温度。由于系统将传统空调系统的室外“空气- 制冷剂 ”换热器改为“水-制冷剂”的排气换热器。因此，在制冷过程中，原来制冷工质应与室
15、外空气进行热交换而向外界排出冷凝热，而现在该过程转换成与冷水进行热交换以加热家庭热水，从而将原来需排向室外空气的冷凝热加以利用，起到了热回收的作用，得到较高的系统能效比。该系统有如下几种模式：(1) 单独制冷模式原理：制冷剂通过室内换热器在室内蒸发吸热(提供冷量)，经压缩机压缩，通过水冷冷凝器在热泵水箱里冷凝放热给水，水再进过风冷水循环通过室外换热器将热量排放到室外。(2) 单独热水模式原理：制冷剂通过室外换热器吸收室外环境环境热量，经过压缩机压缩，通过水冷冷凝器在热泵水箱中放热给水从而提供生活热水。(3) 制冷兼热水模式原理：制冷剂通过室内换热器在室内蒸发吸热(提供冷量)，经压缩机压缩，同
16、通过水冷冷凝器在热泵水箱里冷凝放热给水来提供生活热水。1.1.2 直膨式太阳能热泵热水器系统的特点空调热水器的工作原理与空调原理有一定相似，应用了逆卡诺原理，通过吸收空气中大量的低温热能，经过压缩机的压缩变为高温热能，传递给水箱中，把水加热起来。整个过程是一种能量转移个过程（从空气中用转移到水中） ，不是能量转换的过程，没有通过电加热元件加热热水，或者燃烧可燃气体加热热水。 因而它相对其它热水器，具有以下特点： (1) 厨房制冷功能：这个是最大的优势，普通热水器（如电加热，燃气热水器，太阳能热水器等）根本不可能有制冷的功能。如果厨房要额外增加制冷功能，需要买一台厨房空调。由于厨房有油烟，是个特
17、殊的环境，所以厨房空调跟普通空调是不一样的，价格也要贵很多。(2) 卓越的安全性：由于它不是采用电热元件直接加热，故相对电热水器而言，杜绝了漏电的安全隐患；相对燃气热水器来讲，没有燃气泄露，或一氧化碳中毒之类的安全隐患，因而具有更卓越的安全性能。 直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 5(3) 无与伦比的舒适体验：空调热水器是蓄热式的，加热功能根据水箱内的温度自动启动，保证热水 24 小时充足供应，因此不会出现像燃气热水器那样无法同时满足多个水龙头用热水的问题，也不会出现电热水器容量小，多人洗澡需要等待的问题。即开即用热水，出水量大，出水温度稳定，满足你所有对热水的期望。 (4
18、) 绿色环保：冷气热水器之环保。燃气热水器通过燃烧可燃气体加热热水，同时排放大量的二氧化碳，二氧化硫等有害废气。空调热水器只是将周围空气中的热量转移到水中，完全做到零排放，对环境几乎不产生影响，是真正的环保热水器。 (5) 低碳时尚：在节能减排已经成为时代潮流的今天，节约能源，减少碳排放是最时尚的生活方式。前面已经提到，空调热水器采用的是逆卡诺原理，将空气中的能量转移到水中，不是直接用电热元件加热，因此其能效可达到电热水器的 4 倍，即加热等量的热水，耗电量相当于电热水器的四分之一，大大节约了电力的消耗。 (6) 省钱：由于其耗电量只有等量电热水器的四分之一，即相当于使用同样多的热水，使用空调
19、热水器，电费只需电加热的四分之一。以一个 4 口之家来计算，正常热水使用量在 200L/天左右，用电热水器加热，电费大约需要 4 元/ 天，而空调热水器则只需要约 1 元/天，一年可以节约 1000 元左右的电费。1.2 直膨式太阳能热泵热水器的应用及其发展前景在现代社会中，制冷技术的应用已涉及到国民经济的各个部门以及人们的日常生活，伴随着生产力、国民经济的迅速发展和人民生活水平的快速提高，太阳能复合能源空调热水器有着广大的发展空间和发展潜力。生活水平的提高使得人们对家居环境及办公场所的舒适性和健康性的要求越来越高，但是现在一般的家庭居住面积或者办公室的面积都不是特别大，室内负荷小，采用中央空
20、调会造成巨大的能源浪费。同时如果采用一套大型的中央空调系统，中央空调不容易计算费用的问题又随之而来，所以就目前中国的现状来说，像中央空调这种集中式的空调系统在我国还是无法广泛的应用。一般的家庭都会选择制冷量比较小，占地面积小的空调器。这样不仅能满足人们对舒适环境的需求，还能减少能源的浪费，又不会带来不必要的收费困难。现在小型家用空调也应该向着节能、直流变频、无氟和健康等方向发展。空调发展到现在，家用空调对节能型以及环保的要求也很高，目前，建筑能耗在社会总能耗中占的比重比较大，而空调的能耗在建筑能耗中占了非常大的比重。直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 6如何开发节能技术、空调
21、能耗，是行业内的重要课题。变频技术应用在空调领域可以降低电能的损耗，因而变频空调是时下比较引人注目的空调产品。随着哥本哈根气候大会之后，气候问题已经成为全球人共同关注的问题，因此发展无氟空调是大势所趋。臭氧层的破坏是当前全球面临的重大的环境问题之一，由于以前空调业所采取的传统制冷剂对臭氧层有破坏作用及温室效应，对大气造成破坏，因而无氟空调是众所期待的产品。尤其是欧盟及美国等发达国家已禁止有氟空调进入国内市场。从能源学的角度来看，不建议用电热水器，电是高品位的能源，热是低品位的能源，所有的能量最后都能转变成热。电应该做动力，譬如用在空气能热水器上作为压缩机的动力来源。作为一种节能的热水器，从国家
22、层面上来说，能取代电热水器是好事。日本花了十年，把电热水器替换掉。日本政府对空气能热水器进行了一系列补贴，用户花买电热水器的钱，买到空气能热水器。 而对于我国来说，目前还有许多基本的民生问题，如教育、医疗、养老等需解决，热水供应目前还不能像日本那样享受补贴。如果空气能热水器大批量生产，价格会降下来。相信总有一天，电热水器会被淘汰掉。空气能热泵热水器用于家庭，好处多多，严冬水温低，燃气热水器较难把水温烧到足够热；储水式电热水器烧水速度比较慢，储水量一般只有 80 升左右；太阳能热水器占用空间比较大，冬天阴冷天气多，日照时间短，较难保证水温，没有太阳照射的天气需要依靠电辅加热。相比之下，空气能热泵
23、热水器制热水量充足，还可按照多口之家的日常热水需求，灵活搭配 100 至 400 升的大容量水箱，实现多点同时供应热水，同时满足浴缸、淋浴、厨房、洗衣等多类用水；它的水温恒定，不会因为水龙头开多开少而忽冷忽热。据专家测算，如果用空气能热水器来代替电热水器，一年就可节省八百多度电，相当于一个普通家庭三个月的用电量。目前全国热水器保有量约 1.3 亿台套，其中电热水器保有量约 4000 万台，每年耗电约 670 亿度。全国只要有 10的电热水器被这样替代，一年就可以节约出 33 亿度电，折合约 129万吨标准煤，相当于两个中等煤矿全年的产量。空气能热泵热水器高效节能、环保、安全，所以成为当今世界上开拓利用能源最好的设备之一。据悉，国外同类产品已经相当成熟，在发达国家使用的比例高达
