（制冷及低温工程专业论文）地源热泵热水器运行特性研究.pdf

摘要 摘要 随着人类生活水平的提高，人们对人居环境的要求逐步提高。特别是在卫生热水方面，城镇居民对 于卫生热水的需求以及生活卫生热水的能耗都日益加大。在当今能源短缺的年代，如何既能满足人们日 益增加的熟水需求又能降低热水系统的能耗是一个值得认真探讨的问题。在能源价格上涨的趋势下 将热泵技术应用于热水系统，代替传统制热方式，具有很好的节能、环保优势。本文针对北方寒冷地区 并结合太阳能热泵热水器、空气源热泵热水器的在此的使用局限性，提出了地源热泵热水器系统。目前。 地源热泵热水器在国外已处于成熟发展阶段，但在国内还处于初级研究阶段，其还需要更多的研发来解 决其在应用中所出现的问题并促使其完善发展等。 本文首先对某一建筑的热水供应设计了地源热泵热水器系统，并对直流式地源热泵热水器系统、容积式 地源热泵热水器系统以及空气源热泵热水器系统作了运行特性及经济性方面的比较与分析，指出了各自的优 缺点：其次综述r 国内外埋地换热器的传热理论。建立了地下埋管仿真模型并进行了编程，对土壤热 物性进行了模拟与研究，对埋地换热器在土壤中传热过程进行了计算，得到埋地换热器传热量及附近土 壤温度场的变化规律，并分析了不同埋管深度、u 型埋管进口水温和流速以及u 型埋管两支管中心间距 等冈索对u 型埋管换熟器传热量、钻孔壁温及土壤温度的影响。并分析了机组连续运行与间歇运行对土 壤温度及钻孔壁温的影响，得出了合理有效的结论，有利于解决土壤的热平衡问题：其次，对系统的压 缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀以及水箱等地上部件分别建立了数学模型。并根据仿真结果总结了各部 件性能参数随工况条件的变化，使地源熟泵热水器系统的各部件之间得到了有效的耦合：其次，在部件 模型的基础上建立了系统模型并通过系统模拟仿真，对上述为某别墅所设计的直流式地源热泵热水器 系统和容积式地源热泵热水器系统分别进行了系统性能参数模拟仿真，且对仿真结果进行了分析，总结 了系统性能参数( c o p 、系统制热量、系统耗功及土壤温度) 随水箱出水温度的变化规律，归纳了系统 的良好运行工况，使系统性能得到了优化与完善。并对直流式和容积式两系统的运行性能作了比较，借此 对系统的间歇运行规律及水箱出水温度等方面的内容加以探讨以为解决土壤热平衡问题提供参考。 关键词：地源熟泵，熟水器，直流式，容积式，模拟仿真 尔幽人学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ，t h er e q u i r e m e n t so fl i v i n ge n v i r o n m e n ti n c r e a s eg r a d u a l l y , a n d e s p e c i a l l yt h ei n c r e a s i n gh o tw a t e rn e e d ，w h i c hc a u s e sar i s ei nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n i nt o d a y se r aw h e n t h ee n e r g yi ss h o r t 。h o wt om e e tp e o p l e si n c r e a s i n gd e m a n df o rh o tw a t e ra n dr e d u c et h ee n e r g yc o n s u r 盯l p t i o n o fh o tw a t e rs y s t e mh a sb e c o m eav i t a lp r o b l e m i nt h et r e n do fe n e r g yp r i c e sr i s i n g ，t h em e t h o dw h i c hi s a p p l y i n gb e a tp u m pt e c h n o l o g yr e p l a c i n gt h et r a d i t i o n a lh e a t i n gm e t h o d st oh o tw a t e rs y s t e mh a st h eg o o d a d v a n t a g e so fs a v i n ge n e r g ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r ，f o rt h en o r t h e mc o l dr e g i o n so fc h i n a w h e r es o l a rh e a tp u m pw a t e rh e a t e ra n da i r s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rh a v es o m eu s a g el i m i t a t i o n ，t h e g r o u n d s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e mi sb r o u l g h tf o r t h a tp r e s e n t 。g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m pw a t e r h e a t e rh a sb e e na tam a t u r ed e v e l o p m e n ts t a g ei nf o r e i g nc o u n t i e s ，b u ti ss t i l la tt h ei n i t i a lr e s e a r c hs t a g ei n c h i n a ，s oi tn e e d sm o r er e s e a r c ht os o l v ep r o b l e m sh a p p e n i n gi ni t sa p p l i c a t i o np r o c e s sa n dt op r o m o t ei t s p r o f e c t i o na n dd e v e l o p m e n ti nc h i n a f i r s t l y ，i nt h i sp a p e r ，t h r e eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e m sa r ed e s i g n e df o rt h eh o tw a t e rs u p p l yo fa v i l l a ，w h i c hi n c l u d ed i r e c tt y p eg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e m ，s t o r a g et y p eg r o u n d s o u r c eh e a t p u m pw a t e rh e a t e rs y s t e ma n da i r - s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e m ，a n dt h et h r e es y s t e m sh a v eb e e n c o m p r i s e da n da n a l y z e do nt h ea s p e c t so fo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n de c o n o m y ，a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa r ep o i n t e do u tr e s p e c t i v l y ；s e c o n d l y ，i nt h i sp a p e r 。t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nh e a tt r a n s f e r t h e o r i e sa b o u tb u r i e dh e a te x c h a n g e ra r es u m m a r i z e d ，a n dt h es i m u l a t i o nm o d e l so fu n d e r g r o u n dp i p ea l e e s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e d ，a n dt h es o i lt h e r m a lp r o p e r t i e sa r er e s e a r c h e d ，a n dt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s e so ft h e h e a te x c h a n g e r sb u r i e di nt h es o i la g ec a l c u l a t e dt og e tt h ec h a n g el a w so ft h eh e a tt r a n s f e ro ft h eh e a t e x c h a n g e r sa n dt h es o ilt e m p e r a t u r e ，a n dt h ei m p a c t so nt h eu - t u b eg r o u n dh e a te x c h a n g e r s ，t h eb o r e h o l ew a l l t e m p e r a t u r ea n ds o i lt e m p e r a t u r em a d eb yt h ed i f f e r e n tp i p ed e p t h ，t e m p e r a t u r ea n df l o wo f t h ei m p o r tw a t e ro f t h eu - t y p ep i p ea sw e l la ss p a c eb e t w e e nt h ec e n t e r so ft h et w op i p e so ft h eu - t y p ep i p ea n do t h e rf a c t o r sa r e a n a l y z e d ，a n dt h ei m p a c t so nt h es o i lt e m p e r a t u r ea n dt h eb o r e h o l ew a l lt e m p e r a t u r em a d eb yt h ec o n t i n u o u s o p e r a t i o na n dt h ei n t e r m i t t e n to p e r a t i o no ft h eu n i ta r ea n a l y z e dt og e tr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v ec o n c l u s i o n s a n ds o l v et h eh e a tb a l a n c ep r o b l e m so fu n d e r g r o u n ds o i l ；t h i r d l y ，i nt h i sp a p e r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f t h ec o m p r e s s o r ，t h ec o n d e n s e r ，t h ee v a p o r a t o r ，t h ee x p a n s i o nv a l v ea sw e i la st h ew a t e rt a n ko ft h e g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e ma r ee s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y ，a n da c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t st h ec h a n g el a w so ft h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t sw i t hd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n sa r es u m m a r i z e d ，s ot h a tt h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es y s t e mc a nb ec o u p l e de f f e c t i v e l y ； f o u r t h l y ，i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so f t h ec o m p o n e n tm o d e l s ，t h es y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dt h r o u i g ht h e s y s t e ms i m u l a t i o n ，t h es y s t e m a t i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ed i r e c tt y p ea n ds t o r a g et y p eg r o u n d s o u r c e h e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e m sd e s i g n e df o rt h ev i l l aa b o v ea r es t u d i e da n ds i m u l a t e d ，a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sa r ea n a l y z e dt os u m m e du pt h ec h a n g el a w s o ft h es y s t e mp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ( c o p ，h e a t i n g c a p a c i t yo ft h es y s t e m ，p o w e rc o n s u m p t i o no ft h es y s t e ma n ds o i lt e m p e r a t u r e ) w i t ht h el e a v i n gw a t e r t e m p e r a t u r eo ft h ew a t e rt a n ka n dt h eg o o ds y s t e mw o r k i n gc o n d i t i o n s ，s ot h a tt h es y s t e mp e r f o r m a n c eh a s b e e no p t i m i z e da n dp e r f e c t e d ，a n dt h ep r o p e r t i e so ft h et w os y s t e m sa r ec o m p a r e dt oe x p l o r et h el a wo ft h e i n t e r m i t t e n to p e r a t i o no ft h eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e ma n dt h el e a v i n gw a t e rt e m p e r a t u r eo ft h et a n k w a t e r ，a n dt op r o v i d er e f e r e n c e st or e s o l v et h eh e a tb a l a n c ep r o b l e m so fu n d e r g r o u n ds o i l k e yw o r d s ：g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ，w a t e rh e a t e r - s t o r a g et y p e d i r e c tt y p e ，s i m u l a t i o n + 婴符号表 名称 睬) l 升氏温度 掇氏温度 焓 压缩机耗功 动力粘度 导热系数 输7c 系数 质流密度 蒂水量 卣径 时间 干度 绝热指数 比热窬 质晕含晕 体积含量 川深 i ：壤导温系数 努塞尔数 宙诺数 普朗特数 弗劳德数 沸腾特钲数 对流特征数 导热系数 钻孔个数 过余温度 对流换热系数 半径 定压比热存 质量 流奄 热阻 密度 换热量 漏热系数 长度 而积 吸气比容 效率 性能系数 主要符号表 单位 k p a k k j k g k j k g p a s m w ( m k ) k g ( m l s ) k g m s m k j ( k g ) g g m m 2 s m r e p r f r b o c o w ( m ) 变量名称 f c 冷凝温度 s 修i 卜系数 9 热流密度 可 强化系数 q 设计小时耗热量 卸瓜j j 筹 4 f温度差 雕蒸发出力 胞 蒸发温度 p c 冷凝址力 下标： l l l 单位 w m 2 j h k p a o c k p a k p a 名称 初始时刻 出u 进口 质链 竹材 内 外 蒸发 冷凝 吸气 理论 压绵机 液 土壤 矿物质 有机质 水 空乒c i 口l 填材料 u 型管材料 流体 制冷剂 理论 输入 吸气 等熵压缩 排。l 两相区 热水 冷水 姐d肌所p，：c晋l、j：g p厂：折j耐如卵： 泖m艄吣吵删“u娜m秆帆 帆m吣吵删w u耶m秆帆 妞p，五工g m d ，j 肘c r r片口m胎n n肋【3五n死，印卅v尺户q，彳v刁鲫 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文巾作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 日期：红簦拉 关于学位论文使用授权的说明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档可以采用影印、缩印或其他复制手段保存沦文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查i ) 1 6 口借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 签名： 第一章绪论 1 1 选题背景 i 1 1 热水需求状况及趋势 第一章绪论 随着人类生产生活水平的提升人们对人居环境的要求逐步增高，与此同时对能源的需求也逐步增 加。在发达国家中，建筑物的能耗约占一个国家总能耗的3 0 - - - 5 0 ，而其中用于暖通空调的则要占 到一半以上l l j ；在我国，建筑能耗占全国总能耗近3 0 2 1 ，且将随着我国经济的飞速发展而不断增长。 随着经济的发展和“城镇化”进程的加快，人们生活的方式呈现日益多样化的趋势，卫生热水能耗在建 筑能耗中的比例越来越大。根据2 0 0 0 年商业建筑的能耗调杳统计，我国商业建筑每年的能耗总费用已 高达2 2 5 亿元人民币能耗费用已成为主要经营成本之一，其中卫生热水能耗是其重要部分之一。调 查表明。在各类商业建筑能耗中，卫牛热水能耗比重分别为：写字楼2 7 ，商场1 0 7 ，饭店3 l ， 医院4 1 8 l j j 。在城市民用建筑热水能耗中，仅洗澡热水用能就接近2 0 的比重1 4 j 。且随着“城镇化” 进程的加快，我国城镇人口已达5 亿左右，城镇家庭热水器普及率已达7 0 以上，富裕地区的农村也 有相当一部分家庭开始使用热水器。国外有调查研究得出，对于4 2 的卫生热水，7 4 的家庭年人均 耗量小于4 0 l d ，“的家庭年人均耗量小于3 5 l d ，总体上年人均耗量为2 5 - - - 3 5 l d ，4 人家庭规模年 人均耗量最大p j 。我国目前有3 5 亿家庭，按较低标准计算每日每户供应6 0 热水1 0 0 l ，从1 5 - - 6 0 共需4 5 1 0 3 1 0 3 卡热量。按平均电价计算电费约为1 1 4 0 元年全国加起来就是3 9 9 0 亿元左右【6 j 由此可见。人类在生活和工作中将越来越重视热水这一基本需求，对其要求也越来越高，建筑空调、 热水的能耗将会因此而不断增加。因此，在以节能为主题的当今社会，为实现以高效节能的方式利用热 源为人们提供日常生活所需的热量以及热水制备的目标。加强对热水器的研究与开发已是追在眉睫。 1 1 2 能源与环境发展现状及利用要求【7 】 我国是世界上最大的发展中国家长期以来坚持“能源开发与节约并重，把节约放在首位”的能源 方针以及“建绿色和谐生态、保护绿色环境”的环保方针，并取得了显著成绩。在我国当前的能源消费 结构中，煤炭仍然占全国能耗总量的7 5 以上，火电占全国总发电量的7 0 以上，而全国一次能源的 总热效率只有不到4 0 ，比发达国家低l o 左右，能源利用率低。据预测，地球上现有的常规能源储 藏量只够人类消费几十年预计到2 0 1 0 年中国缺能约8 ，到2 0 4 0 年将缺2 4 左右，能源安全问题日 益突出。中国政府决心将煤炭在能源消费结构中的比重降低，将天然气、水电、太阳能、核能、地热能 等新能源的比重提高。 目前建筑热水系统采用的燃料和热源有矿物能源( 煤、石油、天然气) 、城市热力网、电力及太阳能、 地熟能。1 ) 矿物能源：矿物能源包括煤、石油、天然气( 或煤气、液化石油气) ，由于其储量有限以及 环保的要求，必须节约用量，提高能源的利用率并减少污染。2 ) 电力；电力是一种用途广、利用效率 高、清洁卫生的高质量能源。用电能代替其它能源，是提高能源利用、节约能源的重要措施。我国是水 利资源大国。随着长江三峡工程的建设，年发电量将达8 4 0 亿k w h ，每年能替代4 0 0 0 - - 5 0 0 0 万吨煤， 因而能减少摔放s 0 2 7 0 0 - 一2 0 0 万吨，c 0 2 1 亿吨。但随着日益增长的能源需求，发电量还有待增加3 ) 热力网；城市集中供热是现代化城市不可缺少的基础设施，是节约能源、改善城市环境的有力措施，也 是改善居民生活的重要条件。我国北方地区的集中供热发展迅速，南方的许多城市也逐步开始重视集中 供热，如上海、杭州、成都、武汉等地，这些城市集中供热主要用户是工厂城市集中供热方式主要有 两类一是热电厂( 包括供热厂) ，= 是区域集中锅炉房。4 ) 太阳能：太阳能是一种清洁、资源丰富的 可再生能源，地面上每年接收到的太阳能量大约有6 1 0 9 k w h ，为目前全世界能量消耗的几万倍，在中 国6 0 0 万i ( r n 2 的国土面积上，太阳能年辐射总量每平方厘米超过6 0 0 k j ，开发利用前景广阔。5 ) 地热 东南大学硕士学位论文 能；据估计，地球上的地热能资源储量是全部煤炭资源储量的1 7 0 0 0 万倍。我国地域辽阔，四个全球性 的地热带中就有两个通过我国，已知天然出露的地热泉达2 0 0 0 处以上，已探明的地热储量约为3 1 0 9 t 标准煤，现已利用的相当于3 1 0 5 t 标准煤。地热能的利用不仅符合环境保护的大前提，而且随着勘探和 利用技术的提高，已具有市场竞争性，有广阔的开发利用前景。 由此可见，在地热能刚刚启用的今天，地球上的地热能资源储量较其他能源是极其丰富的，我国尤 其如此。地热能蕴藏着巨大的开发力和很高的利用率。在天然气、石油及电力开采使用受限的今天，利 用地热能来制取供应热水是解决能源危机与生态维护问题的有效途径，是符合我国能源方针和环保方针 的。 1 1 3 地源热泵热水器的提出及研究意义 目前，我国热水供应市场上的主流产品包括电热水器、燃气热水器和太阳能热水器等【s - l i 。它们虽有各 自的优点，但在热水需求越来越高、电价和天然气价格高涨、能源紧缺、环境污染日益严重的今天其运用 已存在很大的局限性。据报道，国家法改委决定逐步提高石油天然气等价格，以加快资源价格与国际接轨的 步伐。2 0 0 6 年，根据不同油田供气情况不同，各油气田供气工业和城市燃气用天然气出厂价格每千立方 米提高5 0 1 5 0 元；全国销售电价平均提高2 4 9 4 元千千瓦时，相当于销售电价每度上调2 4 9 4 分钱。 因此，价格的持续上涨引起了传统热水器使用费用的提高，导致燃气热水器、电热水器使用率的下降。 另外常规的太阳能热水器存在冬季冻管、受天气和季节性影响，以及安装位置要受到建筑结构和建筑外观限 制的缺点，在热水需要量大的场合只能作为辅助热源。这就促使了新型热水器的开发与利用，现热泵热水 器正以其高效节能、安伞环保、全天候运行、运行费用低廉及使用区域广泛等优点出现在我国市场上其符 合我国能源经济社会可持续发展的战略方针，是一项极具开发和应用潜力的节能技术，是解决我国日益增长 的热水需求的有效途径将成为我国最具竞争力的新一代热水器产品。 目前，我国热泵热水器的理论研究主要集中在太阳能热泵热水器和空气源热泵热水器方而1 1 2 - 1 4 。太阳能 热泵热水器优点是：太阳能是地球上最丰富的清洁能源资源，处处皆是，无需输送，可就地使用。缺点是： 由于各地区的太阳辐射强度不同，因此太阳能热泵只适用于一定的地区。且太阳辐射能的大小随着季节与昼 夜而有规律的变化，同时还受到天气因素( 阴晴云雨) 的强烈影响因此，太阳辐射热具有间歇性和很大的不 稳定性，要利用太阳能，就必须解决其间断性与不可靠性问题这就需要设置一大容量的储能装置或其它的 辅助热源：空气源热泵热水器优点是：空气到处皆是，取之不尽，用之不竭。设备安装和使用比较方便。缺 点是：室外空气的状态参数随地区与季节的不同而变化，这对热泵的容量和制热系数影响较大，尤其对北方 寒冷地区更不利。冬季室外温度低时。换热器表面会结霜不但影响蒸发器传热，而且增加丫融霜损失。空 气热容量小，需要空气量较大，风机容量大。因此空气源热泵热水器比较适用于我国长江以南地区，对于全 年平均气温在l o 左右而且冬季气温一般为1 0 的长江以北地区，其很难达到应有的节能效果i i 副。针对以 上情况。对于我国北方地区的热水供应需求以及我国广阔的可利用的地热资源。提出了地源热泵热水器 系统。 地源热泵热水器是通过热力循环把土壤中贮存的能量提升品位利用，用来生产热水的系统装置。其 能充分、有效地利用地热能来制取人们所需热水并具有节能环保、无安全隐患、不受室外气象和气温 制约、无需除霜、性能稳定及运行可靠等优点是解决热水需求、能源危机与生态维护问题的有效途径。 同时，若促进地源热泵热水器优化、发展和广泛应用，必须走走技术研发的道路。而新型热泵热水器的 研发工作需要经过系统设计和性能验证两个阶段，如何在设计系统时对各个部件及整个系统进行充分优化， 寻找最佳匹配点，实现热泵热水器设计方法的现代化以达到提高热泵热水器装置效率和节能降耗和推广使 用的目的以及对其在应用过程中出现的问题所进行的分析处理，是一项重要的研究课题。因此，本课题在理 论探讨分析的基础上，针对某一建筑的热水供应提出设计了一种地源热泵热水器系统，通过对系统性能进 行的模拟仿真以及对仿真结果的分析总结了地源热泵热水器系统的运行特性，并结合实际推测预见了 在应用过程中将可能出现的问题且进行了分析处理，以促进地源热泵热水器在设计、优化和仿真方面的发 展以及广泛的市场应用。 2 第一一章绪论 1 2 热水器的主要种类及其特点 1 2 1 热水器的发展历程 早期我国商业建筑热水供应主要是燃煤、燃油、燃气、电锅炉等形式，城镇民用建筑热水供应主要采 取电热水器、燃气热水器形式，太阳能热水器城镇用户率不足5 ，可见常规热水技术需要消耗许多高品质的 能量。随着热水需求的增加，热水技术得到了研究和发展。热泵技术越来越多的用到热水供应上。热水供应 一般只需要较低的温度，这种较低的温度可以借助于热泵来供应，此时只要消耗少量的高品位能量，便可以 得到足以满足要求的温度。因此，在建筑热水耗能方面，热泵可以做出重要的贡献。目前，利用热泵对家庭 供热水已经是越来越多的国家和地区采取的一种解决热水需求的方式，其中美国和日本是最大的家用热泵市 场，多采用可电驱动的可逆式空气一水类型热泵进行房间供热水。中欧与北欧的热水供应多采用水源和土壤源 家用热泵。而在奥地利、比利时、德国和荷兰等国。8 0 的家用热泵用于供应生活用热水。在挪威和丹麦， 热泵式热水器分别占家用热泵总数的3 0 和5 0 。在德国和挪威，供热水和为房间供热的集中式热泵系统的 市场占有率接近1 5 。随着近年的经济发展，中国热泵市场的占有率急剧扩大，尤其是在长江以南地区，城 镇地区家用热泵的占有率可达到5 0 ，多为空气一水类型的热泵向建筑供热水i i 州，同时地源热泵热水器还未 得到发展与应用。 1 2 2 不同热源热水器及其供热水特剧7 】 热水器包括常规传统用热水器以及新近发展起来的热泵热水器，前者主要包括热水锅炉、电热水器、 燃气热水器以及太阳能热水器后者主要包括太阳能热泵热水器、空气源热泵热水器以及地源热泵热水 器。 1 2 2 1 热水锅炉 热水锅炉可以四季供热水，但其锅炉房占地面积大，燃料选择困难。且燃煤在市区禁用，燃油燃气 费用高。排放物污染环境，并需设专人管理。 1 2 2 2 燃气热水器 燃气热水器以燃烧天然气或管道煤气作为热源来供应热水。优点为：其可即开即用使用方便。不 受时间限制。缺点为：其能耗较高，热效率差，而且有时出水不太稳定：使用非管道煤气用户，存在着 “换气”等不便问题，尤其是在农村地区不适合使用；由于燃气燃烧时消耗室内氧气，并且如果通风不 当会有一氧化碳中中毒事件发生，故存在着较大的安全隐患：燃气燃烧时会对环境造成一定污染 1 2 2 3 电热水器 电热水器就是由电能通过电热丝或陶瓷管来加热供应热水。优点为：加热管直接浸于水箱中电能 将百分百地转换为热能。在目前使用的热水器中是热效率最高的一种热水器。缺点为：快热式电热水器 由于要大功率供电一般居民难以承受。并且由于加热时水电不分离，存在着较大安全隐患，使用率较 低目前市场上大部分电热水器是贮水式。而贮水式，需要长时间预热，并且受容积限制出水量小l 同时还要考虑到水箱保温性能的影响，存在着一定安全隐患。 1 2 2 4 太阳能热水器 太阳能热水器以取之不竭、用之不尽的洁净太阳能作为能源来供应热水。优点为：其基本不消耗能 源能源效益高，经济性好。缺点为：初投资大，体积庞大。安装位置受到限制。另外受外界气候环境 影响严重当阴雨天时不可用，特别是冬季，人们卫生热水需求最较大时给人们生活带来了极大的不便， 往往还需要附加其它加热设备。在太阳能热水箱中加装电辅助加热设施是通常采用的一种办法。 1 2 2 5 太阳能热泵热水器 太阳能热泵热水器是利用太阳能和热泵系统来加热供应热水优点为：太阳能是地球上最丰富的清 洁能源资源，处处皆是，无需输送可就地使用。缺点为：由于各地区的太阳辐射强度不同，因此太阳 能热泵热水器只适用于一定的地区：太阳辐射能的大小随着季节与昼夜而有规律的变化。同时还收到天 3 东南大学硕士学位论文 气因素( 阴晴云雨) 的强烈影响。因此，太阳能热泵热水器运行具有间歇性和很大的不稳定性，需辅助 热源和蓄热装置。 1 2 2 6 空气源热泵热水器 空气源热泵热水器采用逆卡诺循环原理，以极少的电能通过热泵工质把空气中的低温热能吸收进 来，经过压缩机压缩后成为高温热能，传至水中，加热热水，是一项极具开发和应用潜力的节能、环保 新技术。优点为：高效节能，使用费用比传统的太阳能热水器( 带辅助电加热器) 更省，是电热水器的 ! 4 ，燃气热水器的l 3 消耗少量电力。获得4 倍热量：适用性强，任意位置安装，解决了太阳能只能 安装在顶层的不足，而且建筑朝向没有影响；寿命长，制冷剂作为工作介质，不存在夜间冻管及管路腐 蚀等问题。系统寿命一般可达1 5 - - - 2 0 年：安全可靠，勿需大电流的电气连接，运行安全可靠，噪音小， 安全环保，热能来源于空气，水箱内无电热管，水电完全分离，绝对安全；方便舒适，承压出水，自来 水压沐浴。全自动运行，快速加热。超大容量：蓄热运行，“移峰填谷”，充分利用晚间低谷电价运行。 缺点为：热泵的工作效率受环境气候的影响阴雨天、夜间空气温度较低时制取热水的效率较低，季节 运行性能波动很大。在一特定充注量或者热力阀静态开度下，系统可能会存在不稳定以及效率高低的变 化和波动，这极大的影响了系统的运行稳定性和寿命。 1 2 2 7 地源热泵热水器l i z l 地源热泵热水器是以地下土壤或地表与地下水作为低位热源，利用地下土壤或水作为热泵机组的吸 热场所来制取热水的装置。已有研究表明：在地下5 米以下的土壤温度基本上不随外界环境及季节变化 而改变且约等于当地年均气温。可以分别在冬夏两季提供较高的蒸发温度和较低的冷凝温度，同时地 下水温度一般也比较稳定。因此，土壤或地下水是一种比空气更为理想的热泵热源。 l 地源热泵的分类 根据地下换热盘管在地下敷设形式的不同及是否有辅助冷热源，地源热泵可分为闭式系统、开式系 统、直接膨胀式系统及混合式系统。其中闭式系统是通过水或防冻液在预埋于地下的塑料管中进行循环 流动来传递热量的地下换热系统，其研究和应用的比较广泛。根据埋管在地下的布置形式及位置的不同 其主要分为垂直环路、水平环路、螺旋型环路、池塘湖泊环路及桩埋环路五种形式。 ( 1 ) 垂直环路 适合于3 0 - l o o m 埋深的垂直单u 型或多u 型埋管及套管。采用垂直环路的优点是占地面积小， 深层土壤的全年温度比较稳定、热泵运行稳定：缺点是钻孔、土建及埋管等费用交高( 一般占到系统总 投资的5 0 左右) 。该形式目前应用比较多，是当前地下埋管的主流形式。如图1 1 所示 ( 2 ) 水平环路 适合于有足够空闲场地的地方，其埋管深度通常在1 2 - - - 3 o m ，常采用单层或双层串、并联水平平 铺埋管。采用水平环路的优点是施工方便、造价低：缺点是换热器传热效果差、受地面温度波动影响较 大、热泵运行不稳定，同时占地面积也较大( 一般为采暖面积的2 倍左右) 目前应用比较少。如图1 2 所示。 ( 3 ) 螺旋型环路 结合了水平与垂直环路的优点，占地面积少、安装费用低；但其管道系统结构复杂、管道加工困难 而且系统运行阻力大，能耗偏高。该系统通常适用于供热量较小的情况，如果工程设计恰当，将与垂直 和水平环路一样有效。如图1 3 所示 ( 4 ) 池塘湖泊环路 用地表水作为热泵热源。适用于附近有江河湖泊等水域的地方。为使系统运行良好，水域大小最好 在4 0 0 0 盯以上，深度超过4 6 m ；管环根据用户需要及具体地形可采用水平、垂直、螺旋及混合环路等。 该系统安装费用不高，即使水面结冰。仍能正常工作。 ( 5 ) 桩埋环路 是指利用建筑地桩或在混凝土构件中充满液体的管路系统的取热来进行制取热水，是一种很好的能 源系统建筑一体化技术。在土地匮乏的当今。该技术日益受到重视，有着很广阔的利用前景。 2 地源热泵热水器的主要技术优点 ( 1 ) 地下土壤温度一年四季相对稳定，约等于当地年均气温。因此，土壤源热泵热水器的性能系数较 4 第。章绪论 高。系统运行性能较稳定，具有明显的节能效果。 ( 2 ) 土壤具有较好的蓄能特性，冬季从土壤中取出的热量在夏季可通过地面向地下的热传导或在制冷 工况下向土壤中释放的热量得到补充，也可以通过间歇运行使土壤温度得到一定程度上的恢复，土壤热 泵“冬取夏灌”或“间歇运行”的能量利用方式在一定程度上实现了土壤能源资源的内部平衡。 ( 3 ) 土壤源热泵热水器利用地下土壤作为冷热源，既没有燃烧、排烟。也没有空气源热泵的噪音和热 污染，同时也不需要堆放燃料和废弃物的场所，埋地换热器在地下土壤中静态的吸热、放热，且埋地换 热器可布置存花园、草坪甚至建筑物的地基下不占用地上空间，因此，具有很好的环保效益。 ( 4 ) 埋地盘管无需除霜，减少了融霜、除霜的能量损失。 ( 5 ) - 十壤温度相对于室外气温具有延迟和衰减性，因此。在室外空气温度处于极端状态，用户对能源 的需求量处于高峰期时，土壤的温度并不处于极端状态而仍能提供较高的蒸发温度。从而可获得较高 的热泵性能系数，提供较多的热量。 3 地源热泵热水器的主要技术缺点 ( 1 ) 由于r 十壤的导热系数较小换热强度弱。在相同的负荷情况下所需的换热面积较大因此盘管用 量多占地面积大。系统初投资大。 ( 2 ) 土壤源热泵在连续运行时会因埋地盘管在土壤中的连续吸热或放热而导致盘管周围土壤温度的逐 渐降低或升高，从而引起热泵蒸发温度和冷凝温度的变化。因此，土壤源热泵i 日j 歇运行时的效果比连续 运行要好。当需求供热量的大时，需配置辅助加热设备。 c 3 ) 埋地换热器在土壤中的换热过程是一个比较复杂的动态传热传质过程，给其设计、计算及模拟研 究带来了很大的团难。 综上所述可知：空气源热泵热水器受室外气温波动影响而使其运行很不稳定且存在着建筑物需热 率与所要求室外空气温度不一致的致命弱点：水源热泵热水器因各地水资源的不同而使得其大面积的推 广应用受到限制，尤其对于北方缺水地区更加如此：太阳能热泵热水器因太阳辐射照度随季节与昼夜的 变化而使得其运行很不稳定因此针对于我国北方地区的热水供应需求，提出了地源热泉热水器系统。 图1 1 垂直环路图图1 2 水平环路图 1 3 本课题的国内外研究状况 1 3 1 热泵热水器 图1 3 螺旋型环路图 i 3 1 1 国外 上世纪7 0 年代以来，世界能源形势变得比较严峻，能量大量而又广泛的应用带来的环境问题已日 5 东南大学硕士学位论文 益加剧。许多国家加大了对能源技术，特别是可再生能源技术的政策支持力度。上世纪9 0 年代，澳大 利亚、以色列等国通过法令，要求新建住宅必须配备太阳能热水器：1 9 9 4 年日本实施“日光计划”；1 9 9 7 年，美国实施“1 0 0 万太阳能屋顶发电计划”；1 9 9 9 年德国实施“l o 万套屋顶光伏电计划”等等。发达 工业化国家在上世纪9 0 年代初开始也加大了对热泵技术的支持力度。热泵热水器已占相当的市场份额 1 l b l 9 。 国内外学者对热泵热水系统进行了全面的研究，旨在进一步提高系统的运行性能。研究方向多集 中在高效压缩机的设计与选用、太阳能热泵热水系统的研究、热泵热水系统中制冷丁质的替代、特殊形 式热泵热水器的研究、热泵热水器可接受性的综合研究、除霜研究以及热泵热水系统中水箱的研究与设 计等方面。 ( 1 ) 高效压缩机的设计与选用i i j p h e y l 等设计的膨胀压缩机像自由活塞器一样运行。它包括两个双效活塞、通过活塞秆连接起来， 两个气缸构成了四个工作容积、分为两个压缩容积和两个膨胀容积。每个活塞将气缸分为压缩和膨胀容 积。这项设计转换简单、损失小、原理简单、经济性好而又结构紧凑，制冷剂带少量润滑油即可运行。 f a g e r l i 等设计的单缸小封闭式压缩机部分地采用了传统的r 2 2 压缩机的结构，其等熵效率比r 2 2 压缩机 低9 1 5 。容积效率要低5 。s u z a i 等开发了双级封闭式活塞压缩机，其容量为7 5 0 w ，在相同壁 厚的情况下使用高强度钢能承受2 5 m p a 的压力。日本松下公司在r 4 1 0 a 涡旋压缩机的基础上开发了 c 0 2 压缩机。排气容积为7 1 2 3 c m 3 。可是压缩机的制冷量达到2 1 5 - - 5 1 0 k w ，压缩机容积效率可达7 0 - - - 8 0 ，而压缩机效率只有4 5 左右。h a s e g a w a 等人对涡旋压缩机( 制冷量4 3 k w ) 进行了研究， 结果表明能效不高。仅为4 7 ，单容积效率却达8 7 。h a s e g a w a 等人提出了两级复叠压缩式热泵热水 系统，对于6 5 的供水温度，系统c o p 值为3 7 3 u 。 ( 2 ) 太阳能热泵热水系统的研究 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。分体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，安装刁i 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。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凑的整体。 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，但受结构和采光面积的 局限，系统c o p 值较分体式系统