（制冷及低温工程专业论文）相变储热热泵热水器及其关键技术研究.pdf

浙江大学博 学位论文 摘要 随着经济的发展和人民生活水平的提高，居民能源消费量迅速增长，其中，生活热水占 有很大比重。目前，生活热水通常是用消耗燃气、电力等高品位能源的热水器来获得，对产 生生活热水的热水器进行新能研究，对于促进居民生活能源的合理利用与开发以及整个社会 的1 声能与环保有着重要的意义。本文以相变储热热泵热水器为研究对象。开展了理论与实验 研究。 改进了以石蜡为相变材料的储热式热泵热水装置试验台，并对此试验系统在不同的迸风 温度、水流量等工作条件下的性能进行了系统的实验及分析，得到了大量的系统运行特性实 验数据，为该系统的进一步改进研究提供了基础数据。 由f 相变储热热泵热水器的冷凝设备( 储热装置和加热换热器) 在工作过程中，储、放 热过程并存，集多种换熟形式于一体，且换热过程非常复杂，迄今还没有看到有针对此类换 热器特性进行研究的文献报导本文在对其换热机理进行分析研究基础上，建立了该类冷凝 设备的数学物理模型，并进行了数值求解。与实验结果比较表明，所提出的模型能够较好地 反映该类设备的运行特性。 强化相变材料的传热特性是改进储热式热泵热水器的关键技术。为此，本文重点进行了 一系列强化相变材料传热特性的研究，提出了用添加剂的方法来实现强化传热的目的。分别 用平板稳态法和热线非稳态法对不同组成的石蜡一气相s i 0 2 体系和石蜡有机膨润土体系的 同态和液态导热系数进行了实验研究。实验结果表明，随着添加物百分含最的增加，体系的 液、固导热系数都会有较大的提高。在实验成果的基础上，根据悬浮有毫米级或微米级固体 离子的液同体系导热系数的理论公式，通过改进的l ua n dl i n 数学方程，将添加气相s j 0 2 体系的导热系数实验值进行回归拟合，得到了适用于纳米级固体离子的液固体系导热系数 的数学模型。 本文还尝试在相变储热材料石蜡中加入不同种类的金属圆环来强化石蜡储热和放热性 能。研究结果表明，在石蜡体系中加入镀锌铁环对石蜡储、放热时的传热性能改善不大。而 加入金属铜环或者同时加入铜环和纳米材料后会对石蜡的传热性能有较大的改善，储、放热 时间分别明显减少，相变储热或放热速率明显提高。 在总结现有研究基础上，本文还对将来可以进行的研究内容提出了展望 关键词：相变，储热材料，热泵，热水器，储热装置，传热 浙江大学博七学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i v i n gq u a l i t y , t h ee n e r g y c o n s u m p t i o no fr e s i d e n t si n c r e a s e sr a p i d l y , a m o n gw h i c h ，h o tw a t e rf o re v e r y d a yl i f eo c c u p i e sa v e r yg r e a tp r o p o r t i o n a tp r e s e n t ，h o tw a t e rf o rd o m e s t i cp u r p o s e si su s u a l l yg e n e r a t e db yaw a t e r h e a t e rt h a tc o u s b m e sh i g i lg r a d es 0 0 1 c e so fe n e r g ys u c ha sn a t u r a lg a sa n de l e c t r i c i t y t h e r e f o r e , t h es t u d yo fe n e r g yc o n s e r v a t i o no ft h ed o m e s t i cw a t e rh e a t e rw i l ld i r e c t l yf a c i l i t a t et h ep r o p e r u t i l i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to f e n e r g yf o rd o m e s t i cu s e s , w h i c hi so f g r e a ts i g n i f i c a n c et oe n e r g y c o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o no ft h ew h o l es o c i e t y t ot h i se n d ，t h et h e s i sf o c u s e so n t h ep e r f o r m a n c eo f ah e a tp u m pw a t e rh e a t e rw i t hap h a s c c h a n g i n gl a t e n th e a ts t o r a g ea p p a r a t u s b o t hi nt h e o r i e sa n de x p e r i m e n t s i nt h i st h e s i s , e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rh e a tp u m pw a t e rh e a t e ru s i n gp a r a 侬nw a xa st h e p h a s e - c h a n g i n gh e a ts t o r a g em a t e r i a li si m p r o v e da n dt h es y s t e m a t i ct e s t i n ga n da n a l y s i so ft h e p e r f o r m a n c e so f t h eh e a tp a m ps y s t e mu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s 玳c o n d u c t e d al a r g e q u a n t i t yo fe x p e r i m e n t a ld a t ah a sb e e no b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nd a t af o rf u r t h e r i m p r o v e m e n tr e s e a r c ho f t h i sh e a tp u m ps y s t e m i nt h ec o u r s eo f i t sr u n n i n g , i th a sb e e ns h o w nt h a tt h ec o n d e n s i n gd e v i c e ( t h et h e r m a ls t o r a g e d e v i c ea n dt h eh e a t i n gh e a te x c h a n g e r ) o ft h i sh e a tp u m ps y s t e mn o to n l yc o e x i s tb e a tc h a r g i n g a n dd i s c h a r g i n gw i t hp h a s ec h a n g i n gp r o c e s sb u ta l s oi n t e g r a t i n gm u l t i p l eh e a tt r a n s f e rt y p e si n o n ec o n t a i n e r , w h i c hr e s u l t si nav e r yc o m p l e xh e a tt r a n s f e rp r o c e s so fi t t h e r ei sn or e l a t e d r e s e a r c hl i t e r a t u r e sh a v eb e e nf o u n du nt h i st o p i c o nt h eb a s i so ft h ei n v e s t i g a t i o no fh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m s , t h i st h e s i ss e tu pa m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs u c hac o n d e n s i n ge q u i p m e n ta n ds o l v e di tn u m e r i c a l l y c o m p a r i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t ht h e o r e t i c a lo n e s , i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o p o s e dm o d e lc a l lb eu s e d t od e s c r i b et h er u n n i n gc h a r a c t e r s t co f s u c ha 1e q u l p a m e r a h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti np h a 5 ec h a n g em a t e r i a li st h ek e yt e c h n o l o g yt h a tc a ni m p r o v e p e r f o r m a n c eo f t h eh e a tp u m pw a t e rh e a t e r t h e r e f o r e ，as e r i e so f s t u d i e si sc a r r i e do u tf o c u s i n go n h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ce n h a n c e m e n ti np h a s ec h a n g em a t e r i a la n dp u tf o r w a r dam e t h o do f u s i n ga d d i t i v e sf o rt h i sp u r p o s e h e a tc o n d u c t i v i t y i ns o l i da n dl i q u i ds t a t e so fd i f f e r e n t c o m p o s i t i o n so fp a r a f f i na n dg a s i f i e ds i 0 2a n dd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n so fp a m 胁a n do r g a n i c 浙江大学博士学位论文 b e n t o n i t e8 r e s e p a r a t e l y t e s t e d b yt h ep l a t e s t a b i l i z a t i o nm e t h o d a n dt h e r m a lt h r e a d n o n - s t a b i l i z a t i o nm e t h o d t h ef i n d i n g ss h o wt h a t , w i t ht h ei n c r e a s eo f p e r c e n t a g eo f a d d i t i v e s 。t h e h e a tc o n d u c t i v i t yo f t h ec o m p o s i t i o n si ns o l i da n dl i q u i ds t a t e si n c r e a s e s b a s e do ne x p e r i m e n t a l r e s u l t s a n d t h e t h e o r e t i c a l f o r m u l a o f b e a t c o n d u c t i v i t y o f l i q u i d - s o l i d c o m p o s i t i o n s w i t h s o l i d i o n s o f m i l l i m e t e ro rm i c r o m e t e ro r d e r s 。b yr e g r e s s i n gt h ep a r a m e t e r so f t h el i ua n dl i ne q u a t i o n sw i t h t h eh e a tc o n d u c t i v i t yo fc o m p o s i t i o n sw i t hg a s i f i e ds i o z , am a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a t c o n d u c t i v i t yo fl i q u i d s o l i dc o m p o s i t i o n sw i t hs o l i di o n so fn a n o m e t e ro r d e ri s o b t a i n e da n d v e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a ld a t a e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e dt om e a b m l et h eb e a tc o n d u c t i v i t yw h e nd i f f e r e n tt y p e so fm e t a l r i n g sa p u ti n t op a r a f f i nt oi m p r o v et h eh e a tc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp e r f o r m a n c e so ft h e p a r a f f i n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea d d i t i o no fc o o p e rr i n g s o rc o o p e rr i n g sw i t hn a n o m e t e r m m e r i a l si a t op a r a f f i ng r 哪l yi m p r o v e st h eh e a tc o n d u c t i v i t yo fp a r a f f i nw i t hm u c hd e c r e a s e so f h e a tc h a f g i n ga n dd i s c h a r g i n gp e r i o oo f t i m ea n di n c r e a s eo f h e a tt r a n s f e rr a t ew h i l et h ea d d i t i o n o f z i n c - c o a t e di r o nr i n g sd o e sn o ta f f e c tt h eh e a tc o n d u c t i v i t yo f p a r a f f i nv e r ym u c h k e y w o r d s ：p h a s ec h a n g e ，h e a ts t o r a g em a t e r i a l , h e a tp u m p , w a t e r h e a t e r , t h e r m a ls t o r a g ed e v i c e s , h e a tt r a n s f e r i 浙江丈学博士学位论文 主要符号表 拉丁字母re 西 制冷剂营内截面积( m 2 ) r 。 c o p性能系数 足二 c制冷剂比热( j k g k )耳 c -制冷剂管罐比热( j k g k ) c 一 石蜡比热( j k g k )乙 碣， 制冷剂管内径( m ) 正 以 加热换热器水流道当量尺寸( m ) 乙 4石蜡环形通道内环管径( m )咒 吒 石蜡环形通道外环管径( m 乙 盔， 水侧管内径( m ) 瓦 ，制冷剂与管畦之间的摩擦系数0 f换热面积( o )v p m g 制冷荆的质量流量( k 舻) ” 以 制冷剂的比焓( j ，k ) “， 趣 微元段水侧焓升( j ，k g ) a x k 传热系数w ，( m 2 k ) ) x 计算微元长度( m ) 。 以水质量流量( k g s ) 希腊字母 f 删， 微元段内同相及液相石蜡的质量 乃 n u努谢尔特数 力 p 制冷剂压力f p a ) 五h p r 普朗特数 如 q 计算微元段换热量( j ) 以 r 苴单位管长制冷剥与石蜡侧换热热阻五随复 1 v 雷诺数 制冷荆侧单位营长热阻 单位长度右蜡侧导热热阻 微元断内制冷剂温度( k ) 时间( s ) 微元断面管内壁温度( k ) 徽元段水温( k ) i 微元断内制冷剂温度( k ) i 微元段水温( k ) i 微元断面管内壁温度( k ) 制冷剂饱和温度( k ) 制冷剂管内断面周长( m ) 相变材料体积份额 制冷剂比容( m 3 俺) 制冷剂流速( m s ) 徽元段的干度变化 制冷剂干度 长度( m ) 介质液体的导热系数( w m k ) 有效导热系数( w ，m k ) 石蜡导热系数( w ，m k ) 翅片导热系数( w m k ) 连续粒子相的导热系数( w m k ) 复合材科导热系数( w ，m k ) 浙扛大学博士学位论文 水导热系数( w m k )下标 石蜡相变潜热( k j & g ) ， 制冷剂运动粘度( m 2 i s )， 制冷剂对流换熟系教w “m 2 k ) 。 水的对流换热系数( w “m 2 k ) ) w 制冷剂的密度( k g ，m 3 ) v 制冷剂 液态 同态，水 管肇 五， 啡 坼 q b 浙江大学博十学位论文 第一章绪论 1 1 前言 人类的进步，社会的发展，人们生活方式的变革，无一不是靠科学技术来推动。 在我国当前社会经济发展战略中，能源与环境问题是一个首要的问题，它关系着我国国 民经济的可持续发展我国2 0 0 3 年以来出现多次丈面积“电荒”现象，长江三角洲和珠江 三角洲成了“电荒”最大的受害者。2 0 0 3 年我国全年用电量达1 8 8 4 4 亿千瓦时，比上年增 长1 5 ；2 0 0 4 年达2 0 9 1 0 亿千瓦时，比上年净增1 1 ；2 0 0 5 年更是达到了2 2 6 8 2 亿千瓦时， 比上年增长8 5 ，人均生活用电量以及社会用电量将长期呈现增长趋势，所以我国面临长 期而巨大的能源需求和供应压力【l 】。预计2 0 5 0 年我国能源消费将达到3 0 3 7 5 亿吨标准 煤，占届时世界能源需求总量的2 0 左右能源成本在国内产品的生产成本中占有重要的 比重，仅就技术节能潜力而言，我国能源利用效率每提高1 个百分点，即可产生1 0 0 亿元的 直接经济敲益【2 1 。 人类在利用能源的过程中，引发了严重的生态环境问题，全球气候的变暖增加了灾害性 气候发生的频率，近百年来全球气候的确在不断变化。2 0 世纪舯年代的平均气温比1 9 世 纪8 0 年代的平均气温上升了0 5 8 c ，海平面上升了1 4 厘米【3 ，4 】。这种后果的主要原因是 人类使用能源的活动造成温室效应气体浓度上升。温室效应的产生，其本质原因实际上仍然 是对能源的不合理利用。 我国丈规模的能源消费还导致了二氧化硫等大气污染物的大量排放，由此形成的酸雨已 经对我国农业、林业和生态植被产生了严重的负面影响；能源环境问题的国际化将使我国承 担保护全球环境的义务，全球大规模的能源消费所产生的二氧化碳等温室气体对全球气候变 化的潜在威胁，已成为国际社会关注的焦点目前我国年二氧化碳排放已占全球总排放量的 1 3 ，仅次丁二美国而居于第二位【5 】我国的能源环境问题，已经成为国际能源环境问题的一 个重要组成部分。 煤炭、石油等化石燃料燃烧是造成气候变暖与环境恶化的重要因素，因此，自2 0 世纪 9 0 年代以来，国际上已经出现了能源结构调整和优质化的趋势，以节约资源、环保和可持 续发展理念的新能源革命正在兴起【融1 3 】坚持节约与开发并举，高效利用常规能源，逐步 提高优质能源消费比重，积极开发利用可再生能源，逐步建立起多元化的能源供应体系，是 当前能源领域发展的一个基本趋势。受资源条件的限制，我国未来能源结构中煤炭仍将是其 浙江大学博士学位论文 主要能源，因此，我国的能源发展必须坚持可持续发展的节能战略 1 4 1 。 居民能源消费鼍随着其生活质量的提高而迅速增长，居民生活用能的范围包括照明、家 电、炊事、采暖、空调和生活热水等。其中生活热水的耗能约占居民能源用量的1 5 2 5 1 5 ， 1 6 1 。生活热水通常是通过消耗燃气和电力等高品位能源的热水器来获得的，因此对产生生 活热水的热水器进行爷能研究，对居民生活能源的合理利用与开发有着直接的促进作用，对 整个社会的节能与环保也有着重要意义。 1 2 热泵技术 1 2 1 热泵与环保、节能 自2 0 世纪7 0 年代以来，世界能源形势趋于严峻，能源的广泛，大量使用所带来的环境 问题也日益加剧。人们普遍开始关注够约能源、有效利用能源、开发能源供应新途径等问题。 在各种解决能源紧缺和加强环境保护的措施中，热泵技术得到了相当程度的重视。 热泵是靠高品位能量驱动，迫使热量由低位热源流向商位热源的装置，在能量品位上“损 不足以朴有余”，使之很适合于人们利用。也就是说热泵可以高效率地把不能直接利用的低 品位能如在空气、土壤、水中的热能、太阳能、工业废热等转换为可以利用的高品位能，从 而达到节约部分高品位能源，如煤炭，石油、天然气、电力等的目的。热泵系统通常是双向 的，即它们能够实现加热或冷却，或者有时同时加热和冷却。其： 作原理与制冷机相同，都 是从低温热源吸取热量并向高温热源排放，在此过程中消耗一定的功。研究资料分析表明， 在各种能量消耗的最后物理形态中，以热消耗最大，且以温度低于1 0 0 c 的热量消耗最多。 通过热力学分析可知，在温度低于1 0 0 1 2 的热量消耗领域内，热泵节能技术有很好的应用前 景。热泵早在1 8 世纪初即已出现，其发展受制于能源价格和技术条件，其历史较为曲折。 但由于热泵能够实现把低温位热能输送至高温位的功能，能丈最利用自然资源和余热资源中 的热量，有效减少了输入能，因而可以节省采暖、空调、供热水和【业加热所需的一次能源， 有广阔的发展前景。上个世纪，美、日、西欧等国是热泵发展和戍用的主要国家，他们几乎 占领了全部的热泵市场t 1 7 1 。美国热泵的发展是以单元式热泵空调为先导，主要生产以空气 为低位热源的单元式热泵空调机组，同时在空气空气单元式热泵空调机组的基础上又开发 了适用于商业建筑的空气水热泵和水环热泵系统。日本由于国内一次能源十分贫乏，他们 主要集中在小型空气源热泵的研究。与美国和日本不同的是，西欧各国致力丁二大型热泵装置 的研发，生产出的大型热泵主要应用于集中供热或区域供热。如瑞典现有3 5 万户住宅用热 泵供热，在各种类型供热方式中使用热泵供热占家庭总数的2 8 5 【1 8 1 。 2 浙江大学博士学位论丈 这些热泵中，除大多数用于供热外，还有部分用于区域集中加热和供冷、工业加热、食 品加，亡、化学原料生产、干燥除湿、蒸发浓缩等。由于它对环境的污染远低于燃媒锅炉，而 同时又具有制冷空调能力，因此在大城市的丈型建筑物中大量应用；此外，热泵用作小范围 的局部采暖和空调，更有其独特的优点。热泵的使用从综合的经济效益和社会效益看都非常 理想 2 0 世纪舯年代初开始，我国掀起了一股“热泵热”。9 0 年代以来，空调用热泵在我国 长江中下游等地( 中国气候分区的i i i 区和i v 区) 得到广泛应用，效果良好【1 9 ，2 0 】。房间 空调器在北京、上海、广州和深圳四大城市居民普及率高达4 2 8 ，其中l 3 为热泵型【2 l 】。 近年来，随着经济发展和城市规模扩大，黄河流域、华北等寒冷地区( 中国气候分区的i i 区和i 区南部) 传统的燃煤、燃油供热除能量利用效率低外，还严重污染城市环境。因此， 政府有关部门积极倡导用电采暖。各种热泵主要是空气源热泵，效率高，使用方便，对使 用地不产生污染，正逐渐成为用电供热的首选技术。 燃煤锅炉产生蒸汽供热的效率为7 0 左右，直接用电加热，则还要考虑发电机组的效 率。采用热泵，无论是从低温热源吸取的热量，还是消耗的机械功，都能转化为有用能量， 因此供热效率大大提高。尽管热泵装置本身结构相对复杂，但为了提高一次能源利用率，保 护人类环境，大力发展热泵技术是十分必要的。 1 2 2 热泵的发展情况【2 2 q 9 1 欧洲在上个世纪初晟早使用热泵这个词，实际上压缩式热泵理论可以追溯到1 8 2 4 年，由科学家卡诺提出了著名的卡诺循环。十九世纪初，科学界开始对热能是否可泵送至较 高温度发生了兴趣。英国物理学家焦耳论证了改变气体的压力能引起温度变化的原理。开尔 文首先提出并描述了关于热泵的设想，但当时的技术基础使他没有可能设计出现代这样的热 泵装置。 直至上个世纪2 0 - - 3 0 年代，热泵才有了较快发展。一方面，在这之前的- 【业技术特别 是制冷机的发展为热泵的制造奠定了良好的基础，另一方面社会上出现了对热泵的需求，有 代表性的是英国的h a l d a 鹏于1 9 3 0 年在他的著作中报道了1 9 2 7 年苏格兰试验安装的一台家 用热泵。用氨作工质，外界空气为热源。用来作为采暖及加热水。这是英国安装的第一台热 泵。当时h a l d e 已能认识到通过简单的循环切换来实现冬季供热、夏季制冷的可能性。他 还研究了利用废水热晕，廉价的低谷电力，用低温热源制冰等问题。 在这之后r 美国开始对热泵进行了不少设计与研究，但能进行成功实验的很少。至1 9 3 l 3 浙江大学博七学位论文 年左右，美国南加利福尼亚安迪生公司的洛杉机办公楼，将制冷设备用于供热，这是大容量 热泵的最早应用，供热鼍达1 0 5 0 k w ，制热系数达2 5 。 欧洲第一台较大的热泵在1 9 3 8 1 9 3 9 年闻，安装于瑞士苏黎世。以河水作低温热源，采 用离心式压缩机，r 1 2 作 质，向市政厅供热1 7 5 k w ，制热系数为2 0 ，输出水温6 0 ，有 蓄热系统，在高峰负荷时采用电加热作为辅助加热，该装置夏季也能用来制冷。 在美国，各种空调与热泵机组于战后开始发展起来至1 9 5 0 年。已有2 0 个厂商及十余 所大学和研究单位从事热泵的研究。当时拥有的6 0 0 台热泵中，约5 0 用f 房屋取暖，4 5 为商用建筑空调，5 用于工业，通用公司生产的以空气为热源，制热与制冷可自动切换 的机组打开了局面，使空调用热泵作为一种全年运行空调机组而进入了空调商品市场。1 9 5 7 年美国军事当局决定在建造大批住房项目中用热泵来代替原先设想的大批燃气供热方案，这 又使热泵的发展形成了一个高潮。至6 0 年代初，在美国安装的热泵机组已达近万台，然而， 由丁二过快的产品增长速度造成产品制造质量较差，设计安装水平低，维修及运行费用过高， 形成了美国热泵发展史上的一个重大挫折，大大影响了热泵的声誉，使热泵产业进入十年左 右的调整期，直至7 0 年代中期才重新有了快速增长。这一方面是由于热泵技术的发展，机 组可靠性的提高；另一方面是1 9 7 3 年能源危机的推动。至1 9 7 8 年美国的热泵产量接近6 0 万台，而至1 9 8 8 年，美国包括热泵在内的房闻空调器和单元式空调机的年产量己分别达4 6 3 万台和3 2 1 万台。至1 9 9 6 年单元式空条机年产量达5 6 7 万台，而空气源热泵年产量达1 1 4 万台。 与美国早期的迅速发展相比，欧洲一些国家热泵的发展较为缓慢，直到1 9 7 3 年能源危 机时。才又一次推动了世界范围内热泵的发展。 瑞士被称为是传统的热泵国家，瑞典、挪威等北欧国家对取暖的需求明显超过对夏季空 调的要求，故在热泵理论及技术上均有许多研究。还有象德国、法国、前苏联等国家对热泵 的研究也十分重视。而热泵用于区域供暖则以瑞典为最多。斯德哥尔摩市区供暖的容鼍约有 5 0 由大型热泵提供 热泵系统在亚洲的发展，以日本的热泵发展进程最具代表性。日本最早进行热泵试验是 在1 9 3 0 年。其发展大致可分以下几个时期： l 、开创期( 1 9 3 0 1 9 4 9 ) 当时热泵是用进口部件组装的。 2 、重建期( 1 9 5 0 1 9 6 4 ) 首先发展了从海水中制盐的电力热泵。6 0 年代后，热泵才逐 渐由上业应用向空调应用发展。 3 、起飞期( 1 9 6 5 1 9 7 0 ) 6 0 年代日本【业的发展造成了大城市空气污染严重，政府颁 4 浙江大学博士学位论文 发了一些强制性环保法规，促进了热泵的应用与发展。 4 、快速增长期( 1 9 7 1 1 9 8 5 ) 日本是一次能源短缺的国家，1 9 7 3 年的能源危机影响很 大。在政府的鼓励f ，大大促进了各类型热泵的发展。1 9 8 5 年房间空调器年产罱约为3 5 0 万台( 其中热泵型约占2 2 0 万台) ，商用空调器约5 5 万台( 其中热泵约3 7 万台) 。 5 、成熟期( 1 9 8 5 年以后) 8 0 年代后期，各种空调年产最为5 6 5 万台，热泵型占6 5 。 到1 9 9 6 年，房间空调器的年产晕达8 0 0 万台，其中热泵型约7 0 0 万台，商用空调器产量达 9 2 万台( 其中热泵约7 5 万台) 。热泵在空调器中的比例也上升至8 7 左右8 0 年代末，在政 府资助下开展高性能的超级热泵项目研究。 1 9 9 2 1 9 9 4 年，国际能源机构的热泵中心在国际制冷学会的合作下进行了国际热泵状 况与政策调研，对于2 5 个国家在热泵方面的技术和市场状况、有关政策和国际合作等进行 了调查和分析。全世界当时已经安装运行的热泵已超过5 5 0 0 万台，除住宅熟泵外，世界已 有7 0 0 0 台工业热泵在使用，近4 0 0 套区域集中供热系统在供热。 我国的热泵工业相对于世界上工业发达国家的热泵发展与戍用说来，有一段明显的滞后 期。1 9 6 5 年，原上海空调器厂研制成功我国第一台制热晕为3 7 2 0 w 的热泵型空调器，但因 换向阀的工作可靠性问题，长期未有发展相比之下，我国的学术界比较活跃，早在5 0 年 代，天津大学的一些学者已开始从事热泵研究。7 0 年代后期，由于能源危机所推动的世界 性热泵发展也影响了我国学术界。中国制冷学会、中国建筑科学研究院空调研究所、广州能 源研究所等组织了有关热泵及低势能利用方面的学术会议。当时学术界的普遍看法是我国的 热泵发展首先应从工业应用开始，然后才有可能用于空调并逐步进入家庭。实际情况的发展 也确是如此，这也与日本及其他国家的热泵发展过程相似。 在年代，我国热泵在各种场合的应用研究有许多发展。国内第一台自行设计的较大 容量的空气水热泵是1 9 8 0 年由上海手工业局设计，上海冷气机厂协作安装的，以r 1 2 为 工质，压缩机功率为5 5 k w 。1 9 8 4 年由上海7 0 4 研究所、开封通用机器厂和无锡第四织布厂 联合试制了双效型第一类吸收式热泵天津大学，西安交通大学、浙江大学等对非共沸混合 物作为热泵工质进行了许多研究，哈尔滨建工学院对空气空气热泵的制热季节性能经行了 研究。1 9 8 5 年上海机械学院与浙江农业大学协作对用于干燥茶叶的热泵进行了实验与研究， 同年上海空调器厂与上海冷气机厂试制成功国内生产的第一批热泵璎立柜式空调机组系列。 上海能源研究所从1 9 8 7 年开始研究将熟泵技术用于木材干燥中1 9 8 9 年青岛建筑工程学院 建立了地源热泵试验室，已运行多年。1 9 9 0 年上海市通用机械研究所首次进行了第二类吸 收式热泵的模拟试验，同年上海交通大学、上海第一冷冻机厂j 二海溶剂厂联合研制了3 5 0 k w j 浙江大学博士学位论文 第二类吸收式热泵。 值得回顾的是我国改革开放政策所带来的经济飞速发展，人们生活水平的显著提高，住 宅条件的改善，电力供应的增长，特别是城市商场、高层住宅的兴建，大大促进了空调与热 泵工业。以包括热泵在内的房间空调器年产量的增长为例，1 9 9 1 年的产景仅5 9 6 万台，2 0 0 5 年空调产罩已达7 4 6 9 万台，这种发展速度是空前的。图1 1 给出了我国房间空调器自1 9 9 1 年以来的产量变化情况。 此外，单元式热泵机组及热泵犁冷水机组也有相应发展。就我国目前空调用各种热泵的 产量而言，大致相当于美国或日本9 0 年代的水平数量上已步入世界空调用热泵产量的大 图1 1 房何空调器的年产量增长变化 国。产品在质量上也与美国、日本等相差不远。但新品种特别是压缩机的开发能力与国际先 进水平差距还较大 1 2 3 热泵的分类 热泵的种类多种多样，关于热泵的分类方法，迄今为止尚未有统一的标准，不同的文献， 所指对象往往有所差别。就目前相关文献分析【4 0 ，4 1 1 ，热泵的分类多数按f 述两种方法分 类： 一、按工作原理分类 1 ) 蒸汽压缩式热泵 蒸汽压缩式热泵是热泵中最为普遍而广为应用的一种热泵形式。在这类热泵中，热泵工 质通常在由压缩机、冷凝器、节流装置及蒸发器等部件组成的系统中进行循环，并通过工质 6 浙江大学博士学位论文 的状态变化及相变来实现将低品位能“泵”送至高品位的温度区。 2 ) 气体压缩式热泵 气体压缩式热泵和蒸汽压缩式热泵相似只是气体压缩式热泵中工质始终以气态进行循 环而不发生相态的改变。 3 1 蒸汽喷射式热泵 蒸汽喷射式热泵是以蒸汽喷射泵代替机械压缩机，其余的工作原理和蒸器压缩式热泵相 同。 4 ) 吸收式热泵 吸收式热泵是一种消耗较高品位热能来实现将低品位热能向高品位热能传送的热泵。它 通常由发生器、冷凝器、吸收器、蒸发器及节流装置等组成。吸收式热泵的工质常见的有水 一溴化锂、氨冰等。 5 1 热电式热泵 当直流电通过由两种不同导体组成的回路时，会在回路的两个连结端产生温差，这就是 帕尔帖( p e l t i e r ) 效应。利用帕尔帖效应将回路连结端的低温端置于环境中。而在另一端获得 高温，这就形成了热电式热泵。 6 ) 化学热泵 利用化学反应吸收、吸附、浓度差等现象或化学反应等原理制成的热泵称为化学热泵 二，按热源种类分类 1 ) 空气源热泵，从室外或环境空气中吸取( 放出) 热量的热泵 2 ) 水源热泵，从江河、湖泊水或地f 水中吸取( 放出獭量的热泵。 3 ) 土壤源热泵，在地表4 f 土壤中利用换热器或直埋管从土壤中吸取( 放出) 热毒的热泵。 4 ) 太阳能热泵，利用吸收太阳能作为热量供给的热泵。 1 3 热水器的现状 1 3 1 热水器的分类及特点 4 2 4 4 由丁：人们生活质量的提高，国内家庭日常生活热水以及小型的商业洗浴用热水的需求星 愈来愈大，目前主要通过专门的热水器来获取市场上热水器按其所使用能源方式可以分为 燃气热水器、电热水器、太阳能热水器和热泵热水器四大种类，其分类图见图1 2 。 一，燃气热水器 燃气热水器有三种： 浙江大学博士学位论文 i 、人工煤气热水器，人工煤气用煤炼制而成，主要成分是氢、甲烷和一氧化碳。 2 、天然气热水器。天然气是蕴藏在地层中天然生成的可燃气体，主要成分是甲烷，送 往用户时也加入特殊臭味。 圈1 2 热水器分类图 3 、液化石油气热水器，液化石油气是石油炼制过程中的一种产品，在常温下施加一定 的压力，变成液体，它的主要成分为丙烷和丁烷。 这些燃气热水器共同的优点：热容量大，水流量大，升温快，使用方便。共同的缺点： 使用不安全，不符合环保原则，使用过程中会排出有毒气体，事故较频繁。直排燃气热水器 在市场中已开始逐步淘汰，即使强排式也难免溢漏、爆炸，安装不方便，需按摊气扇，起动 水压高，甚至住4 、5 楼的用户，如不装增压泵就无法起动。 二、电热水器 直接利用电能将水加热可采用电阻加热、电磁加热、微波加热等方式与此相对应有五 种电热水器： 8 浙江大学博士学位论文 1 、贮水式电热水器 贮水式电热水器利用低功率加热方式，提前将一桶水进行预热，在使用时可大量快速提 供热水；可根据使用人数选择热水器容量大小，同时很多厂家提供了夜电加热功能 优点：功率小，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可达大流量热水；适应于任何天 气变化。缺点：预热时间长，体积庞大，易结水垢，对电能浪费大，因保温需要浪费丈_ 蕈电 能；由于需要更长时间提高水温，而一家人洗澡的时间不定，往往需要通电数小时应付一家 人的需求；在用水量大的情况下不能连续供应热水，应用受到限制；体积大、笨重、安装不 便，家庭装修与维修均十分麻烦。 2 、即热式电热水器 即热式热水器又称快熟式热水嚣、洗用流动式电热水器等，这种热水器没有贮水箱，采 用大功率加热器，当水流过时迅速将水加热至所需温度。它具有体积小，加热迅速，升温快， 少结水垢，使用方便等优点。这类热水器控制、安装与维修均十分方便，使用安全，不用预 热，不受使用时间限制，想用多久就用多久，通过加大功率可以适应任何天气变化，解决了 其他热水器不能连续使用的弊病。无能源损耗，是最节能的一类电热水器。缺点：功率较大， 安装受电线容量限制；若旧房改造，电线费用较高；出水量相对较小，在冬天加热比较困难。 3 ，等温式电热水器 优点：具备即热式电热水器和贮水式电热水器的双重优点，夏天可作为即热式电热水器 使用，冬天可作为贮水式电热水器使用；体积小，升温快，少结水垢，只需通水通电，即可 直接使用；如需使用大量热水时，只需通电几分钟便可获得，适应于任何天气变化；对电线 要求不高，普通家庭可直接安装使用。 4 ，电磁电热水器 电磁热水器利用电子高频技术，将2 2 0 v 5 0 h z 的交流电转换成高频电流，流经线圈产 生磁场，能量通过磁场传递。作用在金属水胆上，在磁场作用下金属水胆产生涡流发热，水胆 被迅速加热，产生的热能被水吸收，从而达到加热水的目的。优点：真正做到水电分离，不 必再担心电热管漏电可能出现的伤人事故；高频加热有自动除垢的作用。缺点：磁化水的保 健功效还尚有待定论，而医学研究表明高频电磁场的辐射会对人体的健康产生不利的影响。 5 、微波电热水器 用微波加热取代传统的电热管加热，磁控管电热元件完全与内胆中的水隔离，无需加热 管，从根本上杜绝了内胆中水带电的可能性，实现了从“被动防电”到“主动防电”的成功 跨越。无水垢问题，有效延长了热水器的寿命，内胆中水温加热均匀，使出水时刻保持恒温 9 浙江大学博士学位论文 状态。缺点：高频微波辐射会对人体的健康产生不利的影响。 除电磁和微波电热水器外。电热水器均采用电热丝加热，其安装均采用水电隔离技术， 即将电热丝放入金属管中，中间以导热的绝缘粉末进行隔离，通电时，电热丝发热通过绝缘 粉末将热量传至金属管。通过金属管的传热对水进行加热，其特点是保证了水电的分离，但 加热速度慢，效率低。目前，市场上出现过如p t c ，电磁、晶体管等加热方式，他们最大 的缺点就是加热效率不够高。无论如何对电热水器来讲，采用各种电热管放在水中加热是一 种安全隐患极大的加热方式。 三，太阳能热水器 太阳能热水器通过利用太阳能辐射来获取热水。优点：利用太阳能，节约能源，清沾环 保。水流量大，可实现多用途供水。缺点：机器价格高，安装受场地限制，靠天吃饭，而且 不同地区存在巨大差别，冬冷夏热，冬天需配合电加热才能使用，维护费用高。 由于城市建筑中的高层或小高层越来越多，坡形屋顶也越来越多，再加上日益强调城市 景观的苛刻要求，都使现在正大量生产、并被无序安装的“自由落水”式太阳能热水器感到 无所适从。一些城市明令拆除已经安装的太阳能热水器，更多的一些城市小区公开禁止安装 太阳能热水器。设计部门和房地产开发企业对太阳能缺乏热情，太阳能热水器在城市特别是 大中城市，似乎已经走入困境，北京三环以内已经几乎没有楼顶太阳能热水器的踪影，兰州 所有的高层和近7 0 的小区在禁止安装太阳能热水器，这些预示太阳能热水器当今己遇到 了诸多的发展障碍。 四、热泵热水器 l 、半导体热电热泵热水器 半导体热电热泵热水器所使用半导体芯片价格昂贵，且使用直流供电，需专门的交直流 转换设备，中间存在一定的电能损耗。 2 、燃气驱动热泵热水器 燃气热泵热水器的工作原理与电动热泵的工作原理类似，以氟利昂或其替代品为工质， 以燃气发动机作为动力进行压缩式制热。燃气驱动热泵热水器的应用极少，对其优缺点还有 待人们逐步认识 3 ，电力驱动热泵热水器 空气源热泵热水器是当前最为常见的电力驱动的热泵热水器，具有风冷热泵空调器的基 本技术特点，具育节能省电、供水量大，安全可靠等优点。无论何时何地都可以从周围环境 ( 低温空气源) 取得热量，通过压缩机将其输送至冷凝器释放给高温热源。其热效率可达3 1 0 浙江大学博t 学位论文 以上，远高于高效型电热水器的o 9 5 ，因此其运行费用大大降低。此外，由于其电力只用来 驱动压缩机而不是直接加热生活用水，不存在水的漏电问题，因此绝无安全隐患。与其他类 型热水器，尤其是与电热水器和燃气热水器相比较而言，安全，节能，具有领军未来家用热 水器市场的潜力。 1 3 2 热泵热水器的发展 热泵热水器是利用热泵原理，从周围环境介质中吸收