（工程热物理专业论文）多功能热泵热水器与新型冷凝换热器性能的研究.pdf

摘要 摘要 热泵技术是一种行之有效的节能方法，广泛用于采暖和加热生活热水，节 约大量高品位的电能、天然气和燃油等，减少c 0 2 的排放，因此既有很大的经 济效益，也有很大的社会效益，符合目前我国能源、环保的基本政策。热泵循 环与制冷循环一样，只是前者利用冷凝器的排放热加热水，后者用蒸发器吸收 室内空气显热来降温。目前市售的空气源热泵热水机和空调机都是独立使用， 全年中两种设备都有大量闲置时间，因此研究开发四季都可用的具有冷暖空调 热水三用的多功能热泵热水器，不仅可提高热泵设备利用率，而且在夏天冷热 两用可以提高能效比，具有广阔的应用前景。但是，多功能热泵热水器在多路 循环的组织，不同工况的整机和关键部件的性能都与空调机有很大区别，因此， 本论文针对多功能热泵热水器系统开展了研究。 由于热泵热水器的出水温度相对一定在5 5 左右，而环境气温变动很大， 因此，本文首先对热泵热水器单独制热水和制冷制热水模态进行了热力学分析， 揭示了热泵热水器的性能系数随环境温度、冷凝温度和蒸发温度的变化规律； 在此基础上，与其它热水制取系统作了综合比较，分析了运用热泵技术制取热 水的节能性和社会效益。 其次，本文提出一种多回路分立循环的多功能热泵热水器，在循环回路的 组织上，仅仅在原有空调器上增加了较少的零部件，用最少的切换阀自动切换， 组织了四种独立循环，实现了空调器和热水器的有机结合。夏天可以制热水兼 制冷、单独制冷和单独制热水功能，春秋天可以热泵制热水功能，冬天可以供 热水和供暖功能，提高了电器的利用率和充分发挥了热泵的节能效果。 再次，因为热水一冷凝换热器是实现热泵制热水的关键部件，传统的换热 器不能满足热泵热水器的使用要求，所以本文提出了带导流套筒换热器和带肋 盘管式紧凑换热器，并建立基本模型，利用f l u e n t 软件对带导流套筒的热水换 热器在零出水储水加热期和2 4 0 l h 流量供水加热期的情况下的温度分布和水 箱内部速度分布，并与普通的盘管浸泡式换热器进行了比较，结果表明本文方 案的传热性能远优于后者，有关数据和分析为此类换热器的结构改进和优化提 供了基础。对带肋盘状螺旋管双旋流逆流式换热器进行了相关的实验研究，获 得其换热性能和流动阻力特性，并通过回归的方法获得此换热器的准则关联式， 为该类型换热器性能的计算和设计提供了理论依据。 最后，将一台空调器改制成多功能的热泵热水器，并采用了带导流套筒换 热器作为热水一冷凝热泵热水器，并建立了一套热泵热水器的性能测试装置， 测试研究了多功能热泵热水器在多个模态及其转换运行时系统中的压力分布及 摘要 其变化，实验结果显示，随着进入带导流套筒换热器水量的增加，总的传热系 数也加大，由水量为1 2 0 l h 时的4 3 0w m 2 k 提高到2 4 0 l h 时的6 2 5w m 2 k ， 考虑到套筒内水流速度很小，总的传热系数能达到此值表明这种水冷冷凝器是 有效的。此外在冬季恶劣气候条件下该热泵热水器仍具有较高的性能系数，因 此冬季使用仍可获得较好的节能效果；而夏季制冷气时在不影响冷气效果的同 时还可免费获得热量，节能效果更明显。整套实验系统运行平稳，功能切换自 如。 文末，在总结理论和实验研究结果的基础上，对热泵热水器进一步的研究 工作提出了一些设想和建议。 关键词：热泵热水器热水一冷凝换热器性能系数节能多功能 i i a b s t r a c t h e a tp u m pi so n eo ft h ee f f e c t i v ee n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g i e s ，a n dh a sb e e n w i d e l yu s e di nt h eh e a t i n gs u p p l ya n dd o m e s t i ch o tw a t e rp r o d u c t i o n i tc a n s a v ea c o n s i d e r a b l ea m o u n to fh i g hq u a l i t ye n e r g y , s u c ha se l e c t r i c i t y , n a t u r a lg a s ，o i la n d e t c w h i c hc a l lr e d u c et h ec a r b o ne m i s s i o n s t h e r e f o r e ，h e a tp u m pt e c h n o l o g yn o t o n l yh a se c o n o m i cb e n e f i t s ，b u ta l s oh a ss o c i e t yb e n e f i t s i tm a t c h e st h ep o l i c i e so f t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g y - s a v i n g t h ec y c l eo fh e a tp u m pw a t e r h e a t e r ( h p w h ) i st h es a m ea st h ec y c l eo fr e f r i g e r a t i o n ，e x c e p th p w h u s i n gt h e h e a tr e l e a s e df r o mt h ec o n d e n s e rf o rw a t e rh e a t i n g ，w h i l et h el a t t e ru s i n gt h ec o l d e n e r g yo ft h ee v a p o r a t o rf o rs p a c ec o o l i n g n o w a d a y s ，a i r - s o u r c eh p w ha n da i r c o n d i t i o n e ra r es e p a r a t es y s t e m s ，a n da r eo f t e ni nv a c a n tc o n d i t i o n t h u s ，s t u d y i n g a n dd e v e l o p i n gt h em u l t i f u n c t i o n a lh p w h ，w h i c hc a np r o d u c eh o tw a t e rw i t h f u n c t i o n so fa i r - c o n d i t i o n e r , c a ni m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t i oa n di n c r e a s et h es y s t e m p e r f o r m a n c e ，a n dh a v ee x t e n s i v ep r o s p e c t s i n c et h ef l o wo r g a n i z a t i o na n d t h e p e r f o r m a n c eo ft h ee q u i p m e n ta n dk e yc o m p o n e n t si nm u l t i f u n c t i o n a lh p w h a l e d i 虢r e n t 劬mt h a ti na i r - c o n d i t i o n e r , t h et h e s i si sf o c u so nt h er e l a t e de x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h em u l t i - f u n c t i o n a lh p w hs y s t e m t h eo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r eo fh p w hi so f t e nf i x e da ta b o u t5 5 c ，b u tt h e e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ef l u c t u a t e sw i d e l yf r o ms u m m e rt ow i n t e r t h e r e f o r e ，t h e t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so fh p w h u n d e rm o d e so fp r o d u c i n gh o tw a t e ra n ds p a c e c o o l i n gc o u p l e dw i t hp r o d u c i n gh o t w a t e rw e r ef i r s t l yc a r r i e do u t t h er e l a t i o n so f t h es y s t e mp e r f o r m a n c ev a r y i n gw i t ht h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e ，c o n d e n s i n g t e m p e r a t u r e a n de v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r ew e r er e v e a l e d a n dd i s c u s s e d t h e c o m p a r i s o no fm u l t i f u n c t i o n a lh p w h w i t ht h eo t h e rw a t e rh e a t e r sw a sm a d ea n d t h ee n e r g y - s a v i n ga n dt h es o c i a lb e n e f i t so fm u l t i f u n c t i o n a lh p w h w e r ea n a l y z e d s e c o n d l y am u l t i f u n c t i o n a lh p w hw i t hm u l t i l o o pw a sd e v e l o p e d t h i s s y s t e mh a sf o u ri n d e p e n d e n tc y c l e sb ya d d i n g f e wp a n st ot h eo r d i n a r y a i r - c o n d i t i o n e ra n du s i n gt h el e a s to fv a l v e st oc o n t r o lt h ec y c l e - s w i t c h i ta c h i e v e d t h ei n t e g r a t i o no fa i r - c o n d i t i o n e ra n dw a t e rh e a t e r i ns u m m e r , i tc a nb eo p e r a t e da t t h r e em o d e s ，n a m e l ys i n g l eh o tw a t e rp r o d u c t i o n ，s i n g l ec o o l i n g ，c o o l i n ga n dh o t w a t e rp r o d u c t i o n i ns p r i n ga n da u t u n l n ，i tc a nb eo p e r a t e da ts i n g l eh o tw a t e r p r o d u c t i o nm o d e i nw i n t e r , i tc a np r o v i d eh e a t i n ga n dh o tw a t e rs i m u l t a n e o u s t h e i a b s t r a c t u t i l i z a t i o nr a t i oo fs u c hp r o d u c t i o nc a nb ei m p r o v e da n dt h ee n e r g y s a v i n ge f f e c to f h e a tp u m pc a nb ef u l l yf u l f i l l e d 。 t h eh o tw a t e r - c o n d e n s e ri sak e yh e a te x c h a n g e rc o m p o n e n to f h p w h ，b u tt h e t r a d i t i o n a li m m e r s i o nc o i lh e a te x c h a n g e rc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fh p w h i nt h i st h e s i s ，t h eh e a te x c h a n g e rw i t l ld r a rt u b ea n dt h ec o m p a c tc o i lf i n n e dt u b e h e a te x c h a n g e rw e r ep r o p o s e d n em o d e lo ft h eh e a te x c h a n g e rw i t hd r a f tt u b ew a s d e v e l o p e d t h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n s u n d e rt h ec o n d i t i o n so f h e a t i n gw i t h o u tw a t e rs u p p l ya n dw i t ht h ew a t e rs u p p l yo f2 4 0 l hw e r ec a l c u l a t e d b yu s i n gf l u e n t c o m p a r e d 、析t ht h eo r d i n a r yi m m e r s i o nc o i lh e a te x c h a n g e r ，t h e n e wh e a te x c h a n g e rh a sh i g h e rh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e t h er e l a t e dr e s u l t sa n dt h e a n a l y s i sm e t h o dc a nb ec o n s i d e r e da st h eb a s i sf o r t h em o d i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o n o fs u c hh e a te x c h a n g e rt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n df l o wr e s i s t a n c eo ft h e c o m p a c tc o i lf i n n e dt u b eh e a te x c h a n g e rw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fe x p e r i m e n t s ， a n dt h er e l a t e de x p e r i m e n t a lc o r r e l a t i o n sw e r eo b t a i n e db yu s i n gt h er e g r e s s i o n m e t h o d t h er e s u l t sc a np r a c t i c a l l yb eu s e df o rc a l c u l a t i o na n dd e s i g n i n gt h i st y p e h e a te x c h a n g e r f i n a l l y , am u l t i f u n c t i o n a lh p w hs y s t e mw a se s t a b l i s h e db yu s i n ga na i r c o n d i t i o n e r t h eh e a t e x c h a n g e r 、i t h d r a f tt u b ew a s e m p l o y e d a st h eh o t w a t e r - c o n d e n s e ri nt h es y s t e m n ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n sa n dv a r i a t i o n su n d e r s e v e r a lr u n n i n gm o d e sw e r ei n v e s t i g a t e d 。乃pr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o e f f i c i e n to f h e a tt r a n s f e rv a r i e df r o m4 3 0w m 2 kt o6 2 5w m 2 kw i t ht h ew a t e rf l o wr a t ef r o m 12 0 l ht o2 4 0 l h s i n c et h ev e l o c i t yo fw a t e ri nt h eh e a te x c h a n g e rw a sv e r yl o w , s u c hh i g hc o e f f i c i e n to fh e a tt r a n s f e rc a l lp r o v et h a tt h eh e a te x c h a n g e r 、析md r a f t t u b ei ss u i t a b l ef o rt h eh p w h t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si nw i n t e rc o n d i t i o ns h o wt h a t t h em u l t i f u n c t i o n a lh p w hs t i l lh a sh i g hc o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ，a n di tc a np l a y ai m p o r t a n tr o l e i ne n e r g y s a v i n g t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mr u n ss t e a d ya n dt h e f u n c t i o n sc a nb es w i t c h e ds m o o t h l y a tt h ee n do ft h et h e s i s ，s o m ea d v i c e sa r ep u tf o r w a r df o rf u r t h e rr e s e a r c ho n t h eh p w ho nt h eb a s i so ft h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：h e a tp u m pw a t e rh e a t e r , h o tw a t e r - c o n d e n s e r , c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ( c o p ) ，e n e r g y - s a v i n g ，m u l t i - f u n c t i o n i v 图表目录 图表目录 图1 1蒸气压缩式热泵工作原理图2 图1 2 热水冷凝换热器的两种串接式方案8 图1 3 浸泡式盘管换热器的结构简图9 图1 4 缠绕式换热器结构示意图1 l 图2 1热机循环的几种方式1 5 图2 2 基本型热泵流程示意图1 6 图2 3 实际制冷循环分析示意图。2 3 图2 4 热泵系数的曲线2 5 图2 5 单位容积制热量的曲线2 5 图2 6 单位容积压缩功的曲线2 7 图2 7 变工况下的压比曲线2 6 图2 8 单位容积制热量随环境及冷凝温度的变化关系2 7 图2 9 热泵系数随环境温度及冷凝温度的变化关系一2 8 图2 1 0 单位容积压缩功随环境温度及冷凝温度的变化关系2 8 图2 1 1温差为2 0 。c 时热泵系数的变化关系2 8 图2 1 2 温差为2 0 c 时单位容积制热量的变化关系2 9 图2 1 3 温差为2 0 c 时单位容积压缩功的变化关系2 9 图3 1 家庭冷需求和热水需求全年曲线示意图3 4 图3 2 某运动场馆全年负荷曲线3 4 图3 3 水冷式冷凝器的两种串接式方案3 6 图3 4四季节能冷暖空调热水三用机结构简化示意图3 7 图3 5 多功能热泵热水器循环示意图3 8 图3 6 一种热泵热水三用机的电路控制图4 l 图3 7 制冷制热水综合性能系数的曲线4 3 图4 1带导流套筒水冷冷凝器结构示意图4 6 图4 2 螺旋管结构示意图4 7 图4 3 热水换热器计算模型网格图4 9 图表目录 图4 4 分离求解方法概述5 0 图4 5 热水换热器实验装置简图5 l 图4 6 零出水末期水箱内部温度等值线图”5 2 图4 7 零出水末期水箱内部速度等值线图5 2 图4 8 零出水末期水箱项部一侧速度矢量图5 3 图4 9 零出水末期水箱底部一侧速度矢量图5 3 图4 1 02 4 0 l h 稳定时水箱内部温度等值线图5 4 图4 1 l2 4 0 l h 稳定时水箱内部速度等值线图5 4 图4 1 22 4 0 l h 稳定时水箱项部一侧速度矢量图5 5 图4 1 32 4 0 l h 稳定时水箱底部一侧速度矢量图5 5 图4 。1 4 水箱下部外壁温度值的比较( 零出水) 5 6 图4 1 5 水箱中部外壁温度值的比较( 零出水) 5 6 图4 1 6 水箱上部外壁温度值的比较( 零出水) 5 7 图4 1 7 水箱下部外壁温度值的比较( 2 2 0 l 1 1 ) 5 7 图4 1 8 水箱中部外壁温度值的比较( 2 2 0 l h ) 5 8 图4 1 9 水箱上部外壁温度值的比较( 2 2 0 l 1 1 ) 5 8 图4 2 0 零出水量时加热量模拟值与实验值的比较5 9 图4 2 12 4 0 l h 水量时加热量模拟值与实验值的比较5 9 图4 2 2 动态工况时出水温度的比较5 9 图4 2 3 传统浸泡式换热器的模型图6 0 图4 2 4两种换热器零出水量时加热功率的比较“6 0 图4 2 5 两种换热器在2 4 0 l h 下加热功率的比较6 1 图4 2 6 盘状换热器结构示意图6 2 图4 2 7 换热器扁管截面6 3 图4 2 8 换热器传热系数测量装置6 4 图4 2 9 传热系数的实验结果6 5 图4 3 0 流动阻力的实验结果6 6 图5 1热泵热水器性能实验装置原理图7 0 图5 2 数据采集和处理软件运行截屏图7 l 图5 3 单制热水模态时系统压力7 2 图表目录 图5 4 制热气模态时系统压力7 3 图5 5 制热气模态转变为制热水模态的压力变化曲线7 4 图5 6 单制热水模态转变为制热气模态的压力变化曲线7 4 图5 7 制冷模态转变为制冷制热水模态的压力变化曲线7 5 图5 8 制冷模态转变为制冷制热水模态的水箱水温变化曲线7 6 图5 9 制冷模态转变为制冷制热水模态的室内换热器空气进出口温度曲线7 6 图5 1 0 制冷模态转变为制冷制热水模态的水冷冷凝器进出水温度曲线7 6 图5 1 1水箱侧壁不同位置温度随时间的变化趋势7 7 图5 1 2 加热功率随水箱内温度变化曲线一7 8 图5 1 3 传热温差随时问的变化关系7 8 图5 1 4 冷凝温度随时间的变化关系图7 9 图5 1 5 不同流量时换热量、热水温度和冷凝温度关系一7 9 图5 1 6 总的换热系数随流量变化图8 0 图5 1 7 定温出水工况下水冷冷凝器进出水温度曲线8 1 图5 1 8 定温出水工况下水箱外壁面温度曲线8 1 图5 1 9 定温出水工况下水箱内对称轴处温度曲线8 1 图5 2 0c o p 与进出口水的温差的关系8 2 图5 2 l水流速与进出口水的温差的关系8 3 表2 1一些制冷剂理论饱和循环特性比较2 4 表2 2 各种热源的热值3 0 表2 3 生产1 吨热水的费用3 0 表2 4 各种家用热水器的综合比较3 l 表3 1电器件电路的开关设置状态4 0 表3 2 不同模态下换热器工作状态4 0 表3 3 夏季气候条件下模态转变4 0 表4 1主要流量对应的流速和雷诺数6 5 表5 1多功能热泵热水器在不同环境下的测试结果8 2 x 主要符号表 么 c ，c d e g h k 肋 n 慨 p p r g q r a r e s f 丁 甜 v 矿 w 矽 x 主要符号表 拉丁字母 换热面积，m 2 比热容，j ( k g k ) 直径，m 能量，j 摩擦系数 质量流速，k g ( m 2 s ) 焓值，k j k g ：对流换热表面换热系数，w ( m 2 k ) 传热系数，w ( m 2 k ) 长度，m 质量流率，k g s 功率，w 努塞尔特数 压力，p a 普朗特数 单位质量换热量，k j k g 换热量，j ：热流密度，w 瑞利数 雷诺数 熵，j ( k g k ) 温度，；时间，s 温度，k 流速，m s 比容，m 3 l ( g 压缩机输气量，m 3 s 单位质量输入功，k j k g 输入功，j 制冷剂干度 希腊字母 热膨胀系数，1 k 主要符号表 增量，变化量 效能 压缩机电效率：热效率 压缩机容积效率 动力粘度，p a s 密度，k g m 3 析湿系数 下标 环境态 空气 冷凝器 毛细管 压缩机 蒸发器 高温热源 进口；内侧 低温热源 机械效率；平均值 压缩机电机 出口，外侧 定压 制冷剂 吸气 理论计算值 单位体积 占 可a p p 孝 n p 阱 基 p m ； 3 o c o a c 唧湖 e h l ， m 啪 仉 p r 言| m v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：江斌 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ， 目公开口保密( 年) 作者签名：江斌 导师签名：里奎兰：l 丝 签字日期： 麴k i 圣华签字日期_ 二塑塑刍业： 第一章绪论 第一章绪论 1 1研究背景 社会的发展和人们生活水平的提高，对能源的需求也不断地增加。矿物燃料 日趋短缺，油价突飞猛涨曾突破1 4 0 美元一桶，我国能源利用效率低，节约能源 和有效利用能源是我国长期的国策，在温家宝总理的连续几年工作报告中都把节 能减排放在重要地位。2 0 0 7 年政府工作报告中提到要“更加重视节能环保工作。 完善节能降耗、污染减排政策，普遍建立节能减排目标责任制。”2 0 0 8 年政府工 作报告则提出“要把节能和减排作为约束性目标。 节约能源是减少温室气体排 放、遏制气候变暖最快的方法。 随着我国人民生活水平不断提高，空调器和热水器已成为家用必需品，但也 使能耗急剧增加。许多城市夏季供电紧张，出现拉闸限电情况。在提供生活热水 中，虽然有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器和燃油热水器可供选择，但在 高层楼房中太阳能热水器使用有局限，燃油热水器油价太贵，燃气热水器的不安 全性也制约了它应用范围，电热水器由于不受阴雨天的影响，又不消耗室内氧气， 制作相对简单仍然占主导地位。电热水器2 0 0 7 年全国年产量达1 0 0 0 多万台，社 会保有量达4 0 0 0 万台，年耗电量量超过5 0 0 亿度电。空调器和电热水器是耗电 量最大的家用电器，为了全面实现小康，为了用有限的能源尽可能让更多的人都 能享受文明的生活，需要研制和生产节能的空调器和热水器( 崔兴强，2 0 0 0 ) 。 空调器是较贵的家电产品，春秋季大都闲置，设备利用率不高。 另外随着治理环境污染的力度加大，从中央到地方，各级政府制定了一系列 取消燃煤锅炉采暖的措施。对于采用电热锅炉、燃油燃气锅炉等方式生产所需热 水的宾馆酒楼、学校医院、桑拿、泳池等消耗热水大户来说，他们的用水成本很 高。这些都要求寻找到投资回收期短、运行费用低的方式进行改造。 热泵技术就是节能技术中一种行之有效的方法。通过消耗少量的辅助能量 ( 如电能) ，利用热泵技术将低温热能( 如周围环境的自然空气、地下水、河水、 海水、污水等) 转换为高温热能，高温热能所具有的能量等于低温热能和消耗能 量之和。热泵技术广泛用于生活采暖和生活水加热等需要的能源消耗，属于绿色 环保技术和装置，符合目前我国能源和环保的基本政策。 第一章绪论 1 2 热泵技术发展与现状 1 2 1 热泵技术的发展 把热量从低温处提升到较高温处，并且高处获得的热量大于从低温处吸收的 热量的设备叫热泵，从空气中吸收能量的热泵叫空气源热泵。热泵一定要消耗高 品位的能量，以电能为动力的热泵通常为蒸气压缩式热泵，系统内循环有制冷工 质；以高温热能为动力的热泵有吸收式热泵和吸附式热泵两类，吸收式热泵典型 的是以溴化锂一水溶液为工质，吸附式热泵是以多孔介质一水蒸汽为工质。无论何 种热泵都包含有吸收低温热量的器件，通常称为蒸发器，和放出较高温度热量的 器件，通常称为冷凝器。蒸气压缩式热泵的主要部件和工作原理见图1 1 。 热水器 节流阀 图1 1 蒸气压缩式热泵工作原理图 以供应生活热水为目的的热泵称热泵热水器。热泵热水器，主要是指蒸气压 缩式热泵热水器。热泵热水器以热源的形式来划分，有空气热源、水热源和土壤 热源热泵；以热源数量来分，有单热源和多热源热泵。以下分别介绍不同热泵的 基本特点和优缺点。 l 、单空气热源热泵热水器 空气源热泵是目前研究的主流技术。通过工质气化不断从空气中吸收热量。 空气的资源丰富，流动性好，无需特别处理，使用便捷。主要牵涉蒸发器在冬季 结霜问题，这是冷暖空调机共性问题，有多种解决方案，非热泵所特有问题。大 气所蕴含的热能是可再生的自然能源，与水源和地源热泵相比，空气源熟泵使用 范围更广泛，有空气的地方就能取到热量，使用更加便捷、系统维护简单，并且 不会对国土资源产生任何的不良影响。 目前真正投入市场使用的此类热泵实际是将现有空调器的风冷冷凝器改为 水冷冷凝器，把原先排放到空气中的热量释放给水而制取热水；而蒸发器也置于 室外，从室外的空气中吸取热量。 2 第一章绪论 “小型空气源热泵热水器( 单建锡，2 0 0 4 ) 、“空气能热水器 ( 孙光斌，2 0 0 4 ) 、 “热泵热水器 ( 王智勇、肖安江，2 0 0 5 ) 、“热泵热水器”( 松下电器产业株式会 社，2 0 0 5 ) 、“一种空气源热泵热水器”( 扬州市华扬新能源有限公司，2 0 0 5 ) 、“热 泵热水机 ( 日立家用电器公司，2 0 0 5 ) 、“分体式空气源热泵热水器”( 山东康特 姆新能源有限公司，2 0 0 6 ) 、“一种空气源贮水式热泵热水器 ( 广东美的电器股 份有限公司，2 0 0 6 ) 、“分体移动式空气源热泵热水机”( 江苏天舒电器有限公司， 2 0 0 7 ) 等专利技术都属于这种类型。这类技术虽利用了热泵技术制热水，但热水 器在夏季未能将冷源侧得到的冷量加以综合利用，还是不完美的。 2 、水热源热泵热水器 水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源( 如地下水、河流和湖泊) ，或者 是人工再生水源( 工业废水、地热尾水等) 而形成的低温低品位热能资源。使用 这一技术的关键前提是当地是否有适合的水源供给，需要考虑水源满足一定的温 度、水量和甲方能够承担的开采利用成本。水源热泵利用方式中，闭式系统一般 成本较高，而开式系统要求寻找到合适的水源，使水源热泵的应用受到限制，即 水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。除此之外，还需要考虑当地水文、 地质、气象条件等基础资料决定着水源热泵系统能否成功的关键，但是令人遗憾 的是，这些重要工作在以往的工程实践过程中往往被忽略，由此造成系统失败或 效率大打折扣的例子并非罕见。 “热泵热水供应装置”( 广州市热源环保节能设备有限公司，2 0 0 4 ) 、“生活 污水源热泵热水器 ( 程暄，2 0 0 6 ) 从废弃的热水中吸取热量进行热回收，但使 用起来同样受到废水量及废水温度等因素的影响，而且污水或废水换热器的设计 与维护相对复杂，使用起来不方便。 3 、土壤热源热泵热水器 土壤热源热泵热水器是利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通 过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部进行热交换的装置。与地面上的环 境空气相比，地热源温度较为恒定，可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温 度和较高的蒸发温度。如何完善地下换热器的传热模型、土壤的传热储热，确定 最佳地下埋管换热器的尺寸将是发展地源热泵工程应用的关键内容，土壤热源热 泵非主流热泵。 4 、其它热源热泵热水器 其它热源有太阳能、余热能等，例如“直膨式太阳能热泵热水器”( 上海交 通大学，2 0 0 2 ) ，“太阳能空调热水器 ( 耿玉顺，2 0 0 3 ) 、“太阳能空调热水设备 ( 青岛光和阳光环保节能科技有限公司，2 0 0 6 ) 和“一种太阳能热泵热水器”( 丹 阳市绿洲热能科技有限公司，2 0 0 7 ) 都属于此类热泵热水器。 第一章绪论 它们的关键点是热源供热量必须稳定、足量，否则会制约热泵的效率。以太 阳能的集热器直接作为热泵蒸发器的方案不可取，其单位面积的太阳辐射能不如 从空气中以对流方式吸收的热量大，而用太阳能热水器作为热泵辅助热源的方 案，有一定合理性。 5 、双热源热泵热水器 单一热源由于受到各种条件的限制，采用多种热源设计可以弥补不足，比单 种热源的热泵热水器更具灵活性和有效性。“采暖空调热水用太阳空气电热复合 热泵系统”( 大连冰山集团有限公司，2 0 0 1 ) 、“太阳能空气热泵热水器 ( 上海交 通大学，2 0 0 4 ) 、“太阳能地源热泵空调热水设备( 广西大学，2 0 0 5 ) 等专利技 术均属于这种型式。芬尼克兹集团的直热双热源整体式热泵热水机组( 芬尼克兹， 2 0 0 9 ) ，夏季采用水( 水冷机组的冷却水、生活废水) 作为热源，冬季采用水( 生活 废水、泳池桑拿废水) 或空气作为热源。 1 2 2 空气热源热泵热水器的主要研究问题 l 、工质替代 h c f c - 2 2 ，具有较好的热力性质和热物理性质。单位容积制冷量大，广泛应 用在家用空调器以及中型冷水机组和热泵热水器中；由于对大气臭氧层有一定的 破坏作用和造成温室效应，在世界范围内将逐步遭到禁用。随着对环境保护的进 一步认识，世界各国均加快了替代h c f c 物质，德国规定2 0 0 0 年禁用h c f c 一2 2 ，美 国、加拿大、瑞典规定2 0 1 0 年禁用h c f c 一2 2 ，欧共体规定为2 0 1 5 年。虽然中国距 离蒙特利尔议定书规定的禁用日期还有较长时间，但鉴于环保已成为国际主流， h c f c 类物质替代的最后期限必将会进一步提前，况且随着国产制冷空调热泵产品 的大量出口，必须满足使用国的替代要求，因此制冷空调及热泵中的制冷剂替代 工作也需全面开始。 近年来，有不少学者进行了专门针对热泵热水器的进行了工质替代方面的研 究。m e iv i n c ec e ta l ( 2 0 0 1 ) 研究了用r 4 0 7 c 代替r 2 2 在热泵热水器中应用，结 果发现，在相同设计运行能力的热泵系统中，r 4 0 7 c 热泵热水器的热水加热能力 明显高于r 2 2 系统，但是，r 4 0 7 c 系统的耗能也有所增加，使得它在高水温时的c o p 低于r 2 2 系统。如果使用专门为r 4 0 7 c 设计的蒸发器，c o p 就会比r 2 2 系统明显提高 2 0 ，水加热功率也会提高4 。但其传热特性较差，需用酯类润滑油更换r 2 2 的 润滑油。 l e o nl i e b e n b e r ge ta l ( 1 9 9 7 ) 将r 2 2 r 1 4 2 b 用作热水热泵的工质来提供6 0 。c 热水；k a z on a k a t a n ie ta l ( 1 9 8 9 ) 对以r 2 2 1 3 4 a ，r 2 2 r 1 5 2 a ，r 2 2 r 1 4 2 b 和 r 2 2 r 1 2 3 做工质，冷凝温度为7 0 c 的热泵性能进行了测试。他们普遍认为，在 高温工况时传统的热泵工质不能满足要求，认为非共沸混合物是较为理想的选 4 第一章绪论 择。王凯( 2 0 0 7 ) 对几种中高温热泵工质进行热力计算和比较，计算中蒸发器的进 水温度为3 0 - - - 5 0 c ，冷凝器的出水温度为7 0 9 0 。结果表明r 1 2 3 可用于水源 的中高温热泵机组，供热温度可以达到9 5 ，r 1 3 4 a 可适用于冷凝温度为中温的 水源热泵机组，r 2 2 r 1 4 2 b 的混合工质也适用于中高温热泵系统的要求。 李晓燕等( 2 0 0 3 ) 在热泵热水系统中采用了新混合工质r 4 1 7 a ( r 1 2 5 r 1 3 4 a r 6 0 0 ) ，进行了理论制冷循环分析和替代r 2 2 的