ASHP-5HP户式三功能空气源 热泵机组样机的设计——毕业论文

家用三功能空气源热泵机组样机的设计4HP郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 ASHP-5HP户式三功能空气源热泵机组样机的设计 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 目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 概述11.2 空气源热泵系统的工作原理11.4 空气源热泵系统的优点31.5 空气源热泵应用及研究现状41.5.1 空气源热泵在国内的发展情况41.5.2 空气源热泵在国外的发展新情况81.6 空气源热泵系统经济性分析91.7 世界各国空气源热泵近期市场发展概况101.8 空气源热泵的应用前景142 方案的选择与论证162.1 制冷剂的论证162.1.1 制冷剂的分类162.1.2 制冷剂性质要求172.1.3 制冷剂的选用原则182.1.4 选择制冷剂192.1.5 制冷剂R22的性质192.2 压缩机的选择192.2.1 制冷压缩机的功能192.2.2 压缩机的种类202.2.3 各类压缩机的比较212.2.4 选择压缩机252.3 换热器的选择252.3.1冷凝器的选择252.3.2 蒸发器的选择253 设计计算273.1 热力计算及压缩机选型273.2 冷凝器的设计计算313.2.1 套管冷凝器313.2.2 翅片管冷凝器313.3 蒸发器的设计计算353.4 水箱的设计393.4.1 水箱相关参数计算393.4.2 水箱隔热层设计计算393.4.2 水箱内部结构设计计算404 辅助设备的选择设计414.1 节流阀的选用414.1.1 节流过程的特点414.1.2 节流阀414.1.3 热力膨胀阀的工作原理与特性424.2 水泵的选型464.2.1 水泵的简介464.2.2 水泵的设计与选择474.3 膨胀罐的选型484.4 水流开关的选型494.5 四通换向阀的选型504.6 干燥过滤器的选型524.7 气液分离器的选型534.8 高压保护开关的选型554.9 低压保护开关的选型554.10 单向阀的选型56结束语57致谢58参考文献59ASHP-5HP户式三功能空气源热泵机组样机的设计5HP户式三功能空气源热泵机组样机的设计摘 要随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，空调器和热水器已走进千家万户，成为现代生活必不可少的家用电器。由于人们对生活舒适性的要求逐步提高，对空调和热水器技术不断提出新的要求。因此空调和热水器的新品层出不穷，性能也越来越优良。空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术。空气源热泵系统通过自然能（空气蓄热）获取低温热能，经系统高效集热整合后成为高温热能，整个系统集热效率甚高。利用空气源热泵同时实现制冷、制热和制热水的功能符合当今社会对节能、环保、舒适、便捷的要求。关键词 空调 热水器 空气源热泵 节能ABSTRACTWith the rapid development of our national economy and the improvement of peoples living standards, Air conditioner and water heater has entered innumberable families, become indispensable household in modern life. Because of peoples life comfort requirements gradually improve , new requirements are proposed to air conditioner and water heater continuously. So, new commodities of air conditioner and water heater emerge in endlessly, whose performance are better and better. Air source heat pump technique is a kind of energy-saving and environment-friendly heating technique which based on the principle of reverse carnot cycle. Air source heat pump system obtain low temperature energy from air and transform it into high temperature energy. The hole system has a quite high heat-collecting efficiency. Using air source heat pump realize the function of cooling, heating and hot water at the same time fit the requirement of energy saving ,environmental protection, comfortable and convenient.KEY WORDS: air conditioner, water heater, air source pump, energy-saving -tankI1 绪论1.1 概述三功能空气源热泵机组由主机、水箱、循环泵组成，通过循环把主机产热带入水箱，对水箱的水逐渐升温加热，水系统的工作情况直接影响到整体效果，所以我们称之谓空气源热泵热水系统。常用的系统有直接大循环式和定温放水式两种不同形式。直接大循环又有一次加水加热放水和不间断使用补水两种。定温放水由加热水箱和储热水箱组成，加热水箱有不承压定温完全放水和承压不间断自动补水顶水放水式两种。这些系统各有优缺点，通过分析2T热泵热水小系统的特性，发现在加热的过程中，水温越低能效比COP值越高，随着水温的升高COP值在降低，相同外部工况下同等的水从20加热到50时段与50升高到60时段所耗用的能量接近。最后选用加热水箱定温全放水方式，控制系统虽然较复杂，但每加热一箱水都是从冷水初始温度到设定温度全过程加热充分发挥热泵输入功率随温升变化的特点COP值较高，节能效果明显。加之冬季机组间断工作不易结霜。 在实际生活中，人们的需求是多方面的，比如在夏天，人们需要空调制冷的同时又需要卫生热水；在冬天，人们既需要供暖也需要热水。这就为多功能热泵空调热水器的研发带来了市场依据。多功能热泵空调热水器是将热泵空调与热水器结合在一起，夏季通过室内蒸发器实现对室内空气的降温、降湿的同时利用冷凝器中的热量生产热水，在不需使用空调的春秋季节则可以作为热泵热水器使用；在冬季实现热泵空调器供暖目的的同时通过切换还可实现供应热水的目的。并以此系统搭建实验台，得出结论:将热泵热水器与空调联合的思路是合理的，并已实现了一套多种用途装置。试验的空气源热泵热水器样机已实现了初步的试验运行，夏季能效比最大可达到3.85，平均在3.0以上。冬季出水温度在50时制热水能效比平均在2.0左右即使接近60时仍可达到1.5左右。1.2 空气源热泵系统的工作原理1.2.1空气源热泵原理机组运行基本原理依据是逆卡循环原理，液态工质首先在蒸发器内吸收空气中的热量而蒸发形成蒸汽(汽化)，汽化潜热即为所回收热量，而后经压缩机压缩成高温高压气体，进入冷凝器内冷凝成液态(液化)把吸收的热量发给需要的加热的水中，液态工质经膨胀阀降压膨胀后重新回到膨胀阀内，吸收热量蒸发而完成一个循环，如此往复，不断吸收低温源的热而输出所加热的水中，直接达到预定温度。 空气源热泵组成：通常由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀4部分构成，传热工质在机组内封闭运行，并通过冷凝器和蒸发器与外部发生热交换。1.2.2 空气源热泵供暖原理在制热时，液态制冷剂在空气换热器中汽化，吸收空气中的热量，低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩后变为高温高压气体送至水换热器。由于制冷剂的温度高于水的温度。制冷剂从气态冷却为液态，液体制冷剂经膨胀阀节流后，在压力作用下进入空气换热器，低压气体制冷剂再次汽化，完成一次循环。在这个循环中，随着制冷剂状态的变动，实现了热量从空气侧向水侧的转移。图1-1 制热原理图1.2.3 空气源热泵制冷原理在制冷时，液态制冷剂在水换热器中汽化，使水温降低。低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩，变为高温高压气体，进入空气换热器，由于制冷剂温度高于空气温度，制冷剂向空气传热，制冷剂经气体冷凝为高压液体，高压液态制冷剂经膨胀阀节流后进入水换热器，低压液体制冷剂再次汽化，完成一个循环。在这个循环过程中，随着制冷剂状态的变动，实现了热量从水侧向空气侧的转移。图1-2 空气源热泵原理系统图1.4 空气源热泵系统的优点1.4.1 设计先进通过计算机仿真测试实验室，模拟各种恶劣环境的运行，调试评估出机组系统的最优化配置方案及机组最合理的COP值。运用现代计算机仿真技术结合设计风道系统，有效减少高频噪音。1.4.2 智能控制强大的微电脑控制功能，彻底解决系统运行的安全问题，能够智能化的向终端用户提供连续、稳定的卫生热水。1.4.3 高端配置热力膨胀阀本身具有很大的调节能力，从而更保证了更强的节流能力；管翅片热交换器采用内螺纹铜管，翅片采用亲水铝箔，具有高效的热交换性能，从而增大其换热量；机组冷凝器采用进口高效优质的螺旋铜管制作，换热能力充足，能效比更高；拥有专利的融霜控制技术，保证机组具有良好的制热性能，除霜更快更彻底；确保机组能够稳定运行。1.4.4 高效节能空气源热泵是通过大量获取空气中免费热能，消耗的电能仅仅是压缩机用来搬运空气能源所用的能量，因此热效率高达380%600%，制造相同的热水量，空气源热泵的使用成本只有电热水器的1/4，燃气热水器的1/3，太阳能热水器的1/2。高热效率是空气源热泵最大的特点和优势，在能源问题成为世界问题时，这是空气源热泵成为“第四代热水器”的最重要的法宝之一。图1-3 热泵原理图1.4.5 绿色环保、安全可靠空气源热泵独特的使用原理，实现其在工作过程中彻底水电分离，从根本上杜绝漏电事故；并且由于其在使用过程中无需任何燃料输送管道，没有燃料泄露等引起火灾、爆炸、中毒等危险；同时，空气源热泵在工作过程中没有任何有毒气体、温室气体和酸雨气体排放，也没有费热污染。这些也成为空气源快速发展铺垫了宽阔的道路。1.4.6 全天候方便使用空气源热泵由于体积相对较小，可以安装在浴室、阳台和外墙等处，实现使用的无限制性；并且空气源热泵由微电脑控制自动运行，无需专人职守，保证全天候热水供应，同时结合其定时开关功能实现低谷用电，实现更节约的使用效果。1.4.7 全方位保护机组有全方位的保护系统、各种参数查询、故障查询、系统参数查询等功能 ，动行安全可靠、方便 ，真正做到无需人员值守，节省开支。1.5 空气源热泵应用及研究现状1.5.1 空气源热泵在国内的发展情况早在上个世纪50年代，我国就已经开始空气源热泵方面的研究工作。空气源热泵应用于寒冷地区冬季制热时，系统制热量随着室外温度的降低而迅速下降。同时，随着吸气压力的降低，压缩机压力比迅速升高，导致排气温度急剧上升。解决空气源热泵的低温适应性，主要应从以下几方面着手研究：增加低温工况下系统工质循环量、控制机组排气温度、优化机组压缩机内部的工作过程、选用适用于大工况范围的制冷剂。通常在同一个低温空气源热泵系统中综合了多个解决途径。1.5.1.1 单级低温热泵系统在室外温度为-30，冷凝温度为60的工况下，采用专为低温制冷设计的压缩机的单级热泵系统仍然可以稳定运行。这种压缩机主要采用R507、R404为工质，在大压缩比下仍可稳定运行，不会因过热而停机。但是相对其他低温热泵系统来说，它的COP 相对较低。同时，由于压缩机专为低蒸发压力工况设计，在较高室外气温下其性能降低。随着室外温度的升高，系统的制热量逐渐增加，但是室内采暖热负荷减小，这使得热泵系统运行时间短，从而降低系统运行效率。单级低温热泵系统可以综合变频技术、并联压缩机或可替换压缩机方式、蓄热系统，但是这样会增加单级系统的投资，从而丢掉了其最大的优点低廉的安装费用。1.5.1.2 带油冷却的单级压缩热泵系统在压缩过程中使用在排气管路中分离出的大量的油来降低制冷剂温度是另一种降低排气温度的方法。冷却过程发生在冷凝器中，换热后的油回到压缩机油路进口。较低的排气温度使得压缩机输入功率减小，同时系统在较低的吸气压力下进行。但是油的温度高于蒸发温度，因而增加了系统过热度，从而增加压缩机功耗，同时降低了系统COP。总之，如果系统设计合理，在不用过多增加安装费用的情况下可以提高系统的运行效率，并且可以在较低室外温度下稳定运行。1.5.1.3 带中间冷却器的二级压缩热泵系统带中间冷却器的二级压缩热泵系统流程见下图2。这种系统主要是应用于蒸发温和冷凝温度相差较大的工况，并且在室外气温较高时可以单独使用一个压缩机，从而减少制热量。通过两级压缩之间对制冷剂的冷却，第二级压缩后的排气温度明显降低，这使得空气源热泵运行的温度适应性大大提高。但是由于中间冷却器是由循环热水来进行冷却，这样冷却器的温度较高，低压级压缩机的制冷剂不能被冷却至饱和状态，这样会使得系统运行不能达到最佳COP。图1-4 带二级压缩系统的热泵原理图1.5.1.4 带经济器的二级压缩热泵系统带经济器的二级压缩热泵系统流程见图3。在带经济器的二级压缩热泵系统高压级压缩机吸气处，一定量的两相制冷剂与低压级压缩机排出的高温气态制冷剂相混合。这样压缩机排气温度过高现象得以解决，同时，由于经济器中的换热，使得从冷凝器出来的制冷剂在进入膨胀阀之前过冷，从而提高系统的COP。但是该系统要准确控制好进入高压级压缩机制冷剂状态。带经济器的二级压缩热泵系统相对于其他低温热泵系统有较高的运行效率。但是它的安装费用较高，在逆运行除霜及空调用方面有一定的局限性。这种压缩机主要采用R507、R404为工质，在大压缩比下仍可稳定运行，不会因过热而停机。但是相对其他低温热泵系统来说，它的COP相对较低。同时，由于压缩机专为低蒸发压力工况设计，在较高室外气温下其性能降低。随着室外温度的升高，系统的制热量逐渐增加，但是室内采暖热负荷减小，这使得热泵系统运行时间短，从而降低系统运行效率。该系统完全可以取代双级压缩系统。但是螺杆机组容量一般较大，同时其相对于双级压缩系统的优点随蒸发温度的上升而不明显，长期以来它的研究仅仅局限于低温制热情况。带辅助进气口的涡旋压缩机实现带经济器的准二级压缩空气源热泵于2000 年被提出，用来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能。经济器系统分为过冷器系统和闪发器系统。该系统结构简单，无需对常规系统进行很大改造。冷过程发生在冷凝器中，换热后的油回到压缩机油路进口。较低的排气温度使得压缩机输入功率减小，同时系统在较低的吸气压力下进行。图1-5 系统和压焓图1.5.1.5 带经济器的准二级压缩热泵系统在80年代中期国内学者提出了带经济器的准二级压缩热泵系统，并在螺杆机组中得到成功应用。经研究，在-30工况下，该系统完全可以取代双级压缩系统。但是螺杆机组容量一般较大，同时其相对于双级压缩系统的优点随蒸发温度的上升而不明显，长期以来它的研究仅仅局限于低温制热情况。带辅助进气口的涡旋压缩机实现带经济器的准二级压缩空气源热泵于2000 年被提出，用来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能。经济器系统分为过冷器系统和闪发器系统。该系统结构简单，无需对常规系统进行很大改造。在较低环境温度时能够稳定运行，且制热量能够满足冬季采暖热负荷。通过启闭补气回路的截止阀来实现准二级压缩模式与单级压缩模式之间的转换，使系统在正常制热、制冷及低温制热工况下的经济性得到较好兼顾。1.5.1.6 双级耦合热泵系统双级耦合热泵系统由一级侧循环( 空气水热泵机组) 和二级侧循环( 水水热泵机组) 通过中间水环路耦合在一起，其流程见图6。该系统可根据室外气温进行单、双级交替运行，使其可以很好地适应室内负荷波动。在双级工况下，一级侧循环运行条件和供暖特性均得以有效改善，且中间水环路不存在回灌等技术难题。因此，双级耦合热泵系统也是一种适用于寒冷地区的新型供暖系统。图1-6 供暖系统图1.5.2 空气源热泵在国外的发展新情况据业内专家介绍，热泵热水器已经在海外发展多年，空气源热泵技术早在1924年就已在国外发明。然而在很长的一段时间里并没有被人们充分地认识和运用。直到20世纪60年代，世界能源危机爆发，热泵热水器才受到充分的重视，欧美发达国家的政府和企业都投入了大量的资金用于开发热泵热水器产品，目前，热泵热水器在欧美发达国家已经比较成熟。据记者了解，在大多数欧美发达国家，热泵产品已经进入了大多数家庭。澳大利亚Quantum公司，从上世纪70年代生产出家用空气源热泵产品至今，有的产品已正常运行了十几年，其性能得到了用户的肯定。现在，国外的空气能热泵热水器市场已经相当成熟，在有的发达国家使用的比例高达70%。而日本、新加坡、马来西亚等与中国毗邻的国家，热泵热水器使用也比较普遍。特别是日本，具备节能优势的热泵热水器近年来使用量急速上升。据了解，热泵热水器从2001年开始进入日本家庭，日本资源能源厅对热泵蓄热空调系统给予设备投资补助，到2005年4月，日本已经有2.1万座楼房使用了热泵热水器。在日本，这种产品进一步普及的主要困难是价格太贵，每台热泵热水器售价60万日元(1美元约合110日元)，即使有政府补助，也比一般热水器贵15万日元。目前，各制造厂家正在想方设法降低制造成本，使热泵热水器的价格更能让人接受。同时，政府也正在增加补贴，促进热泵式热水器市场的发展。据日本制冷工业协会(JRA)有关人员介绍，2006年，日本政府对热泵热水器的补贴预算高达125亿日元，比2004年增长了55亿日元。到2010年，日本计划全国热泵热水器的使用量要达到520万台。此外，三洋、三菱等企业已经配套开发了一系列适合热泵热水器的压缩机及其配套技术。1.6 空气源热泵系统经济性分析空气源热泵供热与燃煤锅炉供热相比无烟尘和煤灰污染，并可减少对环境的热污染、减轻城市的热岛效应，具有明显的环保效益。我国现有的生产水平和研制、开发能力与国外相比还有一定的差距，刚处于该项技术的起步阶段。改革开放加强了国内外的信息交流与技术交流，有关热泵产品的直接进口和技术引进以及独立自主的开发研制正在迅速缩短这种差距。用美国某空气-空气热泵针对北京地区(处于区)气象条件计算的最佳HSPF值为2.13。另有文献给出上海地区(处于区)使用的日本某空气源-水热泵其HSPF可达3.2，该热泵投资折合成空调器附加投资小于200元/kW。标定出力大的热泵其单位供热量的投资较小，性能系数也较高。综上所述，可得出以下结论：在我国目前的技术水平及经济条件下单纯采用空气源热泵进行供热与锅炉供热系统相比是不经济的。空气源热泵比电加热节能，且冷热两用时较电加热经济。因此需要冬季供热夏季空调的场所不应用电加热为供热手段，而应采用热泵型空调器。我国区及其以北地区气候较寒冷，对空气源热泵要求较高，且与锅炉供热系统相比节能效果不明显，冬季运行不经济。因此这些地区应仍以传统的燃煤供热系统为主，一般情况下不宜采用空气源热泵系统进行夏季空调冬季供热。在我国的、区空气源热泵的HSPF值一般较高，当各区的HSPF值相应大于2.9、2.7、2.5时，空气源热泵供热不仅要比锅炉系统节能，而且在经济上可以和锅炉系统竞争。小型窗式热泵因投资较低，其经济性优于锅炉系统。小型分体式热泵的经济性略比锅炉系统差。综合考虑节省空间和环保卫生效益，总体上小型空气源热泵冷热两用将优于燃煤锅炉系统。大中型空气源热泵的COP值较高，单位供热量投资较小，在区及其以南地区使用，其能耗及经济性均优于传统的供热系统，故在要求空调供热的场所，如宾馆、饭店等，应作为首选方案进行考虑。第区是具有应用空气源热泵潜力的地区。大中型空气源热泵冷热两用在能耗上要优于空调-锅炉系统，在经济上前者对后者有较强的竞争力。在要求空调供热的场所，大中型热泵方案要作为重要方案进行分析，随着小型空气源热泵性能及可靠性的提高，小型空气源热泵供热空调将在该地区形成一定市场。1.7 世界各国空气源热泵近期市场发展概况 1.7.1 欧洲直到最近，仅仅在地中海国家，如欧洲的西班牙，法国南部，意大利和希腊等都建立起热泵的稳定的市场。但由于热泵价格下降和性能改进，同时由于石油和电力价格的攀升以及与能源有关的税收增加和环境考虑的日益关切，热泵市场已经在最近开始在欧洲全面增长。在许多国家里，已经预测热泵市场将会在下一个十年中年增长超10%以上。在许多国家中热泵已被看成是节能和减低排放的一项重要措施，已经成为总能和环境规划以及政策制订的一项重要因素。在反应最强烈的国家里热泵市场预期的年增长率在20002010年间是在15至40%范围内。政策和法规：欧盟和一些欧洲国家，如挪威，法国和芬兰已经颁布一些法规和奖励政策，来推广热泵的应用。欧盟关于建筑用能的指令性文件已在2003年4月的官方杂志上发表。该文件的总目标是推进共同体内建筑用能的改进，不但要考虑室外气候和本地条件，也要考虑室内气候的要求和成本的有效性。文件中的第一章的5项关键条款规定了:所有新建筑的用能量最小化；进行重大更新的现有大型建筑的用能量最小化；所有建筑的用能要有批准的证明(提供公共服务的经常有人参观的建筑需在显著部位展示用能的证明);建筑内的锅炉和空调系统要进行定期的强制性检查;此外，对使用年限超过15年的老锅炉的取暖设备要进行评估和对建筑综合用能的计算方法提出总的准则。每个欧盟成员国都必须在2006年初将指令转变为法律，并允许有3年时间来达到各别条文的要求。该指令对欧洲的所有建筑(包括家用和非家用)的业主，经营者和开发商都具有深远的意义，且将对和建筑有关的能效的改变起到重大的作用。为了鼓励再生能源的开发，法国政府立法对那些使用再生能源的公司进行税收方面的奖励。从2006年开始，这些奖励已经增加了20%。由于政策的鼓励，热泵的销量获得巨大的增长，根据法国热泵协会提供的数据，多联式空调器的销售量在2007年的头4个月中增加了一倍。1.7.2 日本在日本，上世纪70年代就向市场提供冷热兼用的空调器，然后在80年代提供变频空调器、变频运行的出现可以达到高转速而在短时间内达到预定的温度，而转速降低时可以降低能耗。这就可具有较高的功率和显著的节能。在90年代初期房间空调器的性能效率COP已达到7，相当于燃烧式设备的效率。此外，在1999年生效的修订的节能法促进了制造商之间的竞争去努力开发高效率的家用器具。结果使效率COP达到接近7。因此，由于这种快速变化，加上热泵空调器功率下降至10年前大约一半左右使它能加热一个同样面积所耗费的费用相当与燃油或燃气的取暖设备费用的一半。表1-1 2005年日本家庭能耗分争制冷 2%制暖 27%家用热水 29% 厨房 8%动力 34%对日本空调器公司来说，将热泵应用于寒冷地区曾是一个大问题。有些公司已经开发成功用于寒冷地区的高性能的商用空气-空气热泵。该热泵采用直流变速驱动的涡旋式压缩机以提高效率。三菱重工上市的ZUBADAN系列作了很大的改进，使在室外温度下降至-15时也能维持额定制热量而且还能在-25时有很好的性能。它是采用一种液体喷射使这种制热运行成功可能。日立也上市IVX系列立柜空调器，能满负荷行于-15室外温度且能在-25室外温度时正常运行。大金最近和五家电力公司合作开发并在最近上市了在寒冷气候使用的VRV系统。三洋也推出寒冷气候用的商用空调器，采用他们自己开发的“超级热交换器”和关键技术如直流双滚动转子压缩机和变频控制，实现了在低室外温度下提供和煤油取暖器一样的制热量和稳定的制热运行。东芝推出“Super Power EcoDantaro”系列热泵空调器，用于商店和办公室，能在室外温度- 25下仍能正常工作。该产品采用高效直流双滚动转子压缩机和一称为“PowerHeat Eva”的技术，能从室外吸收更多热量。对于热水器市场， ECOCUTE系统的家用市场在2006年约为50万台，其中约一半是415kW产品，而910kW的产品最近成为更普遍了。政府已采以几项鼓励方法来扩大市场。预计至2010年将有累计520万台的销量。热水器的应用已经从家庭扩大至小型商店，咖啡厅，学校，医院和小旅馆。最近在日本举办的展览会上三菱重工，松下和大金都展示他们的商用ECOCUTE系统。东芝开利也开发成功大容量HFC系列热器。大金，松下，三菱重工，东芝和开利都也开发了他们自己的地板取暖产品。松下开发的热泵洗衣烘干机和三菱重工开发的融雪用的热泵道路加热器都是热泵新的应用成果。1.7.3 中国1.7.3.1 热泵空调器中国热泵空调器的市场容量约为1500万台/年，占总市场的70%。产量的增加导致成本下降，热泵房间空调器已接近单冷空调器，而热泵的性能也正大大提高了。因此热泵空调器即便在像华北和东北那样的寒冷地区也变得普遍起来了。为了促进节能，中国政府已经制定了房间空调器、冷水机组和单元式空调器的能效等级。对于柜式空调市场，像格力和美的那样的大型空调器制造商都已开发成功采用谷轮公司技术可以正常使用于寒冷地区的热泵空调器。许多推出变流量VRF系统产品的日本和中国的公司也是热泵机组。1.7.3.2 燃气热泵和其他近年来房地产市场有了迅速发展。每年新增建筑面积达15亿至20亿平方米。房间取暖约占建筑能耗的65%。在东北等寒冷地区每年需取暖的时间长达4到6个月。这些因素已为热泵提供非常好的机会。中国官方颁布的再生能源法在2006年起实施。许多城市也都出台一系列政策来鼓励采用热泵系统。例如北京政府为那些选择热泵系统的建筑，根据市政规划委员会测量的面积提供一些经济上的补助。对地表水源热泵系统提供每平方米35元的补助而对燃气热泵和利用再生水的热泵则提供每平方米的50元的补助。大连市已经被选定为海水源热泵的试点城市。该城市约有超过500万平方米的建筑将由海水源热泵提供取暖和制冷。国家将提供70%的资金。东北最大城市沈阳也已制定了推广燃气热泵的具体规划，几乎所有在2007年建成的新建筑采用燃气热泵来取暖。青岛市也开始大量推广海水源热泵。一些地方政府也出台鼓励蓄冷空调系统的政策。2006年中国约有400项大工程采用蓄冷技术。其中主要工程在浙江、北京、江苏、山东、上海等地。1.7.4 美国热泵是在上世纪50年代进入家庭取暖市场的。当时是从集中式空调器中增加了换向阀和一些工厂配件改制而成，可以在温和的气候下提供取暖。在美国单元式空调器中约有15%是热泵型，2006年热泵空调器销售量约190万台。至2007年由于气候和房地产市场的缓慢下降，会有20%的市场减退。在该国单冷空调器仍主导着空调器的市场。但是，在那些至今尚未使用空调器的地区会有热泵的市场机遇的。一个很好的例子是，在餐馆的候餐室安装一台无风管的分体热泵可以提供制冷和取暖的。日本的空调器制热泵空调器造商已经开始注意到美国的多联式热泵市场了。三菱重工已经尝试在美国市场推广其产品有多年了。该公司的多联式机组已经开始为美国所认可了。公司也正在改进其ZUBADAN系列产品使其更适合美国的气候。大金这个最大的多联式制造商已经从2005年11月份开始在美国销售多联式机组。该公司在2007年美国展览会上展示了其水2空气多联式热泵空调机组(VRVWII)，说明该公司正强化其在美国的市场开发。富士通正在美国市场开发方面采取积极行动。该公司正销售其无风管空调器并取得显著成功。由于美国在2006年实施了更严格的效率法规(SEER从10升至13)，其高性能的小型分体“Halcyon”系列已获得更大的推广。此外，该公司销往美国的5种型号的产品获得了“节能星级标志”。三洋考虑到多联式业务能对日本制造商带来商机，正小心地观察中。该公司2007年在亚特兰大市设立了技术中心。1.7.5 澳大利亚澳大利亚北部是热带气候，在南部则有着寒冷的冬季和暖和的夏季的干燥气候。在北方主要使用单冷空调器而在南方则使用热泵空调器。因为北方人口稀少，这个国家的主要产品是热泵空调器。在2006年空调器市场估计约80万台。有着市场87%的份额的无风管分体空调器独占着市场，其中80%则是热泵空调器。美国式样的带风管分体机市场不如日本的用于家庭和商用带风管的小型分体机那样的快速增长。在过去5年里热泵机组和单冷机组的差价下降。业内人士估计会使美国式样的大型的带风管分体热泵机组的总销售量升至95%。只有北方有少量单冷机组的销售量。富士通在市场容量上居首位而大金则是在销售金额上第一。竞争愈来愈激烈，富士通、大金、LG、松下、三菱重工和其他厂商之间正竭力竞争中。中国的品牌已经在市场上多年了，估计占市场的15%左右。中国产品和生产成本的上升已经使所有竞争者感到吃力。由于能耗的增长和对环境的考虑，已经出台了能耗标识和最低能耗标准等以鼓励开发高效率热泵产品。 1.8 空气源热泵的应用前景随着能源紧缺的进一步扩大，全民的节能意识也得到了很大的提高。节能不再只是作为一种宣传口号被传播，而是切实地被各地的政府等相关职能部门提上了日程。从长江三角洲的“电荒”到涉及东北、华东、华南、西南等地区的“煤荒”与“缺油”，传统能源紧缺的“红灯笼”挂遍中国大地。能源危机的警钟唤起了人们对能源战略应用的重新思考，同时也将人们的目光引向了新型能源的开发及利用。伴随着能源紧缺的影响，一些标榜节能、环保的产品应运而生，特别是夏季来临时各个行业对电能的严重依赖，“电荒”的影响对一些耗电大的产品的节能性提出了更高的要求，诸如空调、电热水器等产品。近两年来，一种更新型的节能热水器产品空气源热泵热水器，在全国市场都吹响了号角。空气源热泵与目前常用的电热水器不同，它不是用电热管在水中直接加热，而是通过热泵集热器从自然空气中收集热源，传热工质吸热自然汽化，经压缩后形成高温高压气体，再通过冷凝盘管 “搬运”到水中释放热量。冷凝后工质变成液体经膨胀阀回到终端，周而复始，闭合循环。空 气源热泵热水器具有太阳能热水器节能、环保、安全的优点，又解决了太阳能热水器依靠阳光采热和安装不便的缺点。由于高安全、高节能、寿命长、不排放毒气等诸多优点，以及可以有效的解决目前国内有关部门对节约能源、环保、安全等各方面较棘手问题，而日益受到社会各方面的广泛关注。从政府职能部门来看，各级市府部门都在大力推广节能环保产品，并且在政策上也予以一定的扶持。今年2月16日，旨在限制温室气体排放、遏制全球变暖的京都议定书生效，大力鼓励、推广绿色环保新能源及其应用产品成为各国必然的选择。而能源紧张、拉闸限电、燃气涨价等问题的凸现，正促使传统的、高能耗的家电产品加速退出市场。国家建设部建筑节能“十五”计划和2010年规划提出，到2015年全国家庭太阳能热水器普及率要达到20%-30%。中国科学院广州能源研究所专家李凡提出，节能型热水器产品并不能把眼睛只盯在传统的热水器之上，空气能热泵热水器将是继电热水器、燃气热水器及太阳能热水器之后的第四大种类热水器，并且安装不受建筑物或楼层限制，使用上也不受气候条件限制。由于热泵具有较好的节能效果，节能法的颁布实施促进了热泵事业的发展，减少二氧化碳的排放量和限期停用CFCS工质的环境保护政策。实施民用建筑节能设计标准后，建筑采暖能耗降低，降低了热泵采暖方式的运行费用，增加了热泵与集中供热采暖方式的竞争能力。要解决大中城市能源消耗量大、污染严重的问题，必须改善能源结构，这就为热泵的应用创造了条件。我国节能政策和环境保护政策、巨大的建筑市场、丰富的工业余热资源等因素将会极大地促进空气源热泵热水器市场的发展。对于房地产开发商来说，随着农村城镇化建设进一步加速以及缄区旧城改造的开展，新建住宅几乎全部安装了热水器；同时在八十年代中期、九十年代初期安装的热水器均面临使用期已到须更新的高峰期。在今后的十年，中国将有33的家庭迁入新居，意味着平均每年有260万个以上的家庭需要热水器，热水器的市场容量将以两位数增长。新型节能环保热水器在建筑行业的推广应用也给他们带来了新的利润增长点，增加了楼盘的品质。对业主而言，可以24小时使用热水，且相比电热水器而言，可以节省大量的运行开支。在空气源热泵制造行业中，以芬尼克兹节能设备有限公司为首的部分企业，在经过了几年时间的努力后，从目前市场对热泵的接受程度及反响来看，无论从经销商层面还是终端用户，其认知程度都在大大提高，一些报刊、媒体也在大肆报道空气能热泵热水器在业内创造的种种神话；并且在过去一段时间，我们在全国市场所做的热泵工程反映来看，空气能热泵热水器确实是节能、环保的热水产品，在为客户创造价值的同时，用户对热泵的好评度也越来越高。随着农村城镇化建设进一步加速以及城区旧城改造的开展，新建住宅几乎全部安装了热水器；同时在八十年代中期、九十年代初期安装的热水器均面临使用期已到须更新的高峰期。有关专家预测，在今后的十年，中国将有33的家庭迁入新居，意味着平均每年有260万个以上的家庭需要热水器，家用热水器的市场容量将以两位数增长。热泵还可替代部分锅炉（太阳能大面积热水系统跟其是无法比较的）供生活热水，根据一些媒体、杂志得出的初步估算数据来看，当热泵热水器进入市场成长期和成熟期时，应有400亿以上的蛋糕等着分割。现在，国内生产热泵的企业接近100家，单纯从热泵的竞争来看，并不是很激烈。当前热泵市场最主要的问题就是产品知名度的问题，一万个人中，可能只有两三个人知道热泵热水器。从国际上来看，热泵热水器已经是一个很成熟的技术了，但在国内来讲热泵热水器的确还处于起步阶段，犹如初生的婴儿，因此就需要有更多本着对行业负责的生产厂家投入其中，为这一阳光产业的更进一步发展做出不懈努力，给予更多的呵护与关爱。同时我们也呼吁相关的政府职能部门给予更多的政策支持，让热泵产业在健康的道路上长足发展。2 方案的选择与论证2.1 制冷剂的论证2.1.1 制冷剂的分类 制冷剂又称制冷工质，是制冷循环的工作介质，利用制冷剂的相变来传递热量，既制冷剂在蒸发器中汽化时吸热，在冷凝器中凝结时放热。当前能用作制冷剂的物质有80多种，最常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。制冷剂主要有以下分类：在压缩式制冷剂中广泛使用的制冷剂是氨、氟里昂和烃类。按照化学成分，制冷剂可分为五类：无机化合物制冷剂、氟里昂、饱和碳氢化合物制冷剂、不饱和碳氢化合物制冷剂和共沸混合物制冷剂。根据冷凝压力，制冷剂可分为三类：高温（低压）制冷剂、中温（中压）制冷剂和低温（高压）制冷剂。 无机化合物制冷剂：这类制冷剂使用得比较早，如氨（NH3）、水（H2O）、空气、二氧化碳（CO2）和二氧化硫（SO2）等。对于无机化合物制冷剂，国际上规定的代号为R及后面的三位数字，其中第一位为“7”后两位数字为分子量。如水R718等。 氟里昂（卤碳化合物制冷剂）：氟里昂是饱和碳氢化合物中全部或部分氢元素（CL）、氟（F）和溴（Br）代替后衍生物的总称。国际规定用“R”作为这类制冷剂的代号，如R22等。饱和碳氢化合物：这类制冷剂中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和环状有机化合物等。代号与氟里昂一样采用“R”，这类制冷剂易燃易爆，安全性很差。如R50、R170、R290 等。不饱和碳氢化合物制冷剂：这类制冷剂中主要是乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）和它们的卤族元素衍生物，它们的R后的数字多为“1”，如R113、R1150等。共沸混合物制冷剂：这类制冷剂是由两种以上不同制冷剂以一定比例混合而成的共沸混合物，这类制冷剂在一定压力下能保持一定的蒸发温度，其气相或液相始终保持组成比例不变，但它们的热力性质却不同于混合前的物质，利用共沸混合物可以改善制冷剂的特性。如R500、R502等。2.1.2 制冷剂性质要求2.1.2.1 热力学性质的要求在大气压力下，制冷剂的蒸发温度(沸点)要低。这是一个很重要的性能指标。蒸发温度愈低，则不仅可以制取较低的温度，而且还可以在一定的蒸发温度下，使其蒸发压力Po高于大气压力。以避免空气进入制冷系统，发生泄漏时较容易发现。 要求制冷剂在常温下的冷凝压力Pc应尽量低些，以免处于高压下工作的压缩机、冷凝器及排气管道等设备的强度要求过高。并且，冷凝压力过高也有导致制冷剂向外渗漏的可能和引起消耗功的增大。对于大型活塞式压缩机来说，制冷剂的单位容积制冷量要求尽可能大，这样可以缩小压缩机尺寸和减少制冷工质的循环量；而对于小型或微型压缩机，单位容积制冷量可小一些；对于小型离心式压缩机亦要求制冷剂要小，以扩大离心式压缩机的使用范围，并避免小尺寸叶轮制造之困难。制冷剂的临界温度要高些、冷凝温度要低些。临界温度的高低确定了制冷剂在常温或普通低温范围内能否液化。凝固温度是制冷剂使用范围的下限，冷凝温度越低制冷剂的适用范围愈大。2.1.2.1 物理化学性质的要求制冷剂的粘度应尽可能小，以减少管道流动阻力、提换热设备的传热强度。制冷剂的导热系数应当高，以提高换热设备的效率，减少传热面积。制冷剂与油的互溶性质：制冷剂溶解于润滑油的性质应从两个方面来分析。如果制冷剂与润滑油能任意互溶，其优点是润滑油能与制冷剂一起渗到压缩机的各个部件，为机体润滑创造良好条件；且在蒸发器和冷凝器的热换热面上不易形成油膜阻碍传热。其缺点是从压缩机带出的油量过多，并且能使蒸发器中的蒸发温度升高。部分或微溶于油的制冷剂，其优点是从压缩机带出的油量少，故蒸发器中蒸发温度较稳定。其缺点是在蒸发器和冷凝器换热面上形成很难清除的油膜，影响了传热。2.1.3 制冷剂的选用原则 在蒸气压缩式制冷机中，对制冷剂共性要求主要有以下几点：（1）应是环境可接受物质，即应对环境无破坏作用或破坏作用轻微。（2）临界温度要高。（3）有合适的饱和蒸气压。（4）化学稳定性和热稳定性好。不燃烧、不爆炸、无毒；不腐蚀常用工程材料、与润滑油不起化学反应；在使用温度下不分解、不变性。（5）凝固温度要低，以免制冷剂在蒸发温度下凝固。（6）粘度和密度要小，目的是减小制冷剂的流动阻力。（7）导热系数要高，这样可提高换热器的传热系数，减小传热面积，降低材料消耗。（8）绝热指数要小，可使压缩过程耗功减少，降低压缩终温。（9）液体比热要小，这样在节流时液体降温放出的热量少，节流产生的闪发蒸气量小，节流损失较小。（10）气化潜热要大，可获得较大的单位制冷量，同时节流后的干度较小。（11）价廉易得。完全满足上述各种要求的制冷剂并不存在，各种制冷剂都是某些方面较优，而另一些方面不足。应根据工程实际要求，在满足特定要求的前提下，权衡取舍，找出最佳方案。2.1.4 选择制冷剂本设计中仍采用制冷剂R22。2.1.5 制冷剂R22的性质R22也是常用制冷剂，在相同的蒸发温度和冷凝温度下，R22的压力比R12要高65%左右，在常温下的冷凝压力和单位容积制冷量与氨差不多，而比R12大。R22无色、无味，不燃烧、不爆炸，毒性比R12略大，但仍是安全的制冷剂。传热性能与R12相近，溶水性比R12稍大，但仍属不溶水的工质，含水量仍然控制在0.0025%以内，同时系统内也应装设干燥器。R22的综合性能极佳，具有良好的热力性能。如：运行压力适中；单位容积制冷量大仅次于氨；等熵指数较小；而且无毒、无燃烧及无爆炸等优点。2.2 压缩机的选择2.2.1各类型压缩机比较 (1)往复式活塞式压缩机往复式制冷压缩机迄今还是应用最广泛的一种机型，广泛应用于中、小型制冷装置中，按其结构分为滑管式和连杆式压缩机两类。滑管式压缩机产生于20世纪60年代，它是往复活塞式压缩机的一种类型。其特点是结构简单，工艺性好，成本较低，对零部件的加工精度要求不高，制造和装配都比较容易，所以发展较快。目前这类压缩机在国内外的电冰箱等小型制冷设备生产中应用比较普遍。缺点是活塞与缸壁间的侧力较大、磨擦功耗大、能效比偏低，因此目前滑管式压缩机正在进入衰退期，将逐渐被连杆式压缩机或旋转式压缩机所取代。连杆式压缩机也属往复活塞式，是制冷设备中采用时间较早的一种。其特点是运转比较平稳、噪声低、磨损小、使用寿命长、能效比较高、工作可靠、综合性能优良。但由于零部件形状复杂，加工精度要求较高，工艺难度较大，因此其发展一度受到限制，在电冰箱及其它小型制冷设备中被滑管式和旋转式压缩机所取代。近几年来随着机械工业的不断发展，对其结构进行了多方面的技术改进。目前连杆式压缩机已成为电冰箱压缩机的主导产品，总需求是有较大的提高。(2)滚动转子式压缩机滚动转子式压缩机是家用空调压缩机结构型式之一。滚动转子式压缩机比往复式压缩机结构简单得多，而且体积小、重量轻、零部件少，尤其易损件少，比同样制冷量的往复式压缩机体积可减少60%，重量减少35%，零件减少50%。这种压缩机只进行旋转运动，不需将旋转运动转变为活塞往复运动，所以运转平稳、振动小、噪声低、质量稳定、可靠性高。在结构上，可把余隙容积做得很小，基本上没有膨胀气体的干扰。此外无吸气阀，使流动阻力小，导致容积效率高、性能好、能效比高。但这种压缩机