（工程热物理专业论文）co2热泵热水器的理论与实验研究.pdf

中文摘要 本文以自然工质c 0 2 为研究对象，对其在热泵热水器方面的应用进行了理论 分析、计算机模拟和实验研究。 针对c 0 2 跨临界循环的特点，对比常规工质分析了其在热泵热水器方面的优 势。对系统中的最优高压压力问题进行了探讨，指出热泵热水器系统运行的目标 函数有两个，一个是系统效率，一个是压缩机的排气温度。分析了系统基本参数 对系统性能和压缩机排气温度的影响，提出通过提高蒸发器和气体冷却器的换热 效果、采用高效压缩机来提高系统性能，系统中加内部热交换器以提高压缩机排 气温度。 建立了套管式气体冷却器的模型，并采用分段法对其进行了模拟计算，通过 计算发现通过增大质量流量和减小管径可以提高c 0 2 侧和水侧的换热系数，并且 这两个参数对管路压降也有较大影响，但合理的压降对c 0 2 热泵热水器系统的性 能影响较小。 建立了c 0 2 热泵热水器实验系统，介绍了实验系统的基本组成，并对实验研 究的目的、内容和实验步骤进行了阐述。利用房间量热计对所建立的系统进行了 不同季节工况及不同水流量下的性能测试。实验结果表明，建立的c 0 2 热泵热水 器系统在不同季节工况下均可正常运行，且均能制取出较高温度的热水。当该系 统运行于夏季工况下，且出水温度达到6 5 时，系统效率在3 4 5 以上。若冷量 被利用，其综合效率可达5 9 。可见，c 0 2 空调热水器两用机在夏季运行时有很 好的经济性。 关键词：c 0 2 跨临界循环，热泵热水器，套管式气体冷却器，c 0 2 空调热水器两 用机 a bs t r a c t i nt h i st h e s i s t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y h a v eb e e nc o m p l e t e da b o u tn a t u r a lr e f r i g e r a n tc t ha sw o r kf l u i di nh e a tp u m pw a t e r h e a t e rs y s t e m b a s e d0 nt h ec h a r a c t e r i s t i co fc o ：t r a n s c r i t i c a lc y c l e ，t h ea d v a n t a g eo fc 0 2i s c o m p a r e dw i t hc o m m o nr e f r i g e r a n tw h i c hu s e di nh e a tp u m pw a t e rh e a t e r t h r o u g h t h ea n a l y s i so fo p t i m a lh i g hp r e s s u r ei nt r a n s c r i t i a lc y c l es y s t e m ，i ti sc o n c l u d e dt h a t t h e r ea r et w oo b j e c t i v ef u n c t i o n si nt h eo p e r a t i n gh e a tp u m p w a t e rh e a t e rs y s t e m ：o n e i sc o po fs y s t e m ；t h eo t h e ri sd i s c h a r g et e m p e r a t u r eo fc o m p r e s s o r t h ei n f l u e n c eo f b a s e dp a r a m e t e r so nc o pa n dd i s c h a r g et e m p e r a t u r ei sa n a l y z e d ，a n di ti sc o n f i r m e d t h a tt h e r ea r em a n ym e a s u r e sw h i c hc a ni m p r o v et h ec o po fs y s t e m ，s u c ha s i n c r e a s i n gt h eh e a te x c h a n g ee f f e c ti ne v a p o r a t o ra n dg a sc o o l e r , u s i n gt h eh i g h e 硒c i e n tc o m p r e s s o r , a n du s i n gi n n e rh e a te x c h a n g e rt o i n c r e a s et h ed i s c h a r g e t e m p e r a t u r eo f c o m p r e s s o r t h em o d e lo fd o u b l ep i p eg a sc o o l e ri sf o u n d e da n dt h es i m u l a t i v ec a l c u l a t i o ni s c o m p l e t e du s i n gt h es u b s e c t i o nm e t h o d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a ti n c r e a s i n g t h em a s sf l u xa n dd e c r e a s i n gt h ed i a m e t e ro ft u b ec a nb o t hi n c r e a s et h ec 0 2a n d w a t e rh e a te x c h a n g ec o e m c i e n t a sw ek n o w ，t h e s et w op a r a m e t e r si m p a c tt ot h e p r e s s u r ed r o p ，b u tt h i si m p a c ti ss m a l li n f l u e n c eo nt h ec o p o fc 0 2h e a tp u m pw a t e r h e a t e rs y s t e m t h ec 0 2h e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e m i sb u i l ti nt h el a b o r a t o r y t h e c o m p o n e n t so fs y s t e m ，t h er e s e a r c hg o a l ，c o n t e n ta n de x p e r i m e n t a lp r o c e s s a r e e x p l a i n e d i nt h i sp a p e r t h es y s t e mi st e s t e di nc a l o r i m e t e ra td i f f e r e n ts e a s o n a l e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n tw a t e rf l u x t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec 0 2 h e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e mc a no p e r a t es m o o t h l yi nd i f f e r e n ts e a s o n a lt e m p e r a t u r e a n dg a i nt h eh i g ht e m p e r a t u r ew a t e r , e s p e c i a l l yi ns u m m e re x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r e ， w h e nt h es y s t e mg a i n6 5 ( 2w a t e r , t h ec o p i sa b o v e3 4 5 i ft h ec o o l i n gq u a n t i t yc a n a l s ob eu s e d ，t h ec o pw i l lr e a c h5 9 ，s ot h ec 0 2a i rc o n d i t i o n e rw a t e rh e a t e rc a n s a v e m u c hw h e nu s e di ns u m m e r k e y w o r d s ：c 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l e ，h e a tp u m p w a t e rh e a t e r ，d o u b l ep i p eg a sc o o l e r , c o ，a i rc o n d i t i o n e rw a t e rh e a t e r l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得吞鲞盘堂或其他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中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：曼d 舜啕 签字日期：多布年，月毕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 糊姗繇捌确 翩繇珍久 签字日期：勿刁年月日 签字日期。刁呵年月形日 j 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 众所周知，节能和环保是2 1 世纪科学技术发展的两大议题。人们广泛应用 的制冷空调和热泵系统，由于本身耗能和传统制玲剂对环境的破坏，使系统的节 能和制冷剂的替代成为工程热物理学科的前沿课题。在蒸气压缩式制冷与热泵循 环中，工质的热物性对循环有重要作用，可以说制冷与热泉技术的进展就是循环 装置的完善与工质的更新。在循环节能方面，从只注意提高标准工况能效比，发 展成为提高系统运行季节能效比：制冷剂的替代也由无臭氧层破坏势到同时满足 臭氧层保护和阻止全球变暖的双重要求r 来。由y - c f c s 和h c f c s 对地球臭氧 层的破坏和导致温室效应，在制冷与热泵行业采用全无环害工质( o d p = 0 ， g w p = 0 ) 的要求十分迫切，困此寻找高教、绿色环保制冷工质成为当前国际社 会共同关注的问题，世界各国的科学家正在紧张研究其替代工作。 实际上，大气参数中最薄弱者是含量很少但对生态影响很大的组份，如臭氧 和温室气体c 0 2 。而常规制冷剂对环境的影响主要表现在对臭氧层破坏和产生温 室效应二者的加重都将对人类居住的环境造成巨大的威胁。 1 1 1 臭氧层保护 1 9 7 3 年，美国化学家马里奥莫利纳首 次警告说，地球的臭氧层已受到损害，但当 时并没有引起关注。1 9 8 5 年英国南极观 测站的科学家法曼等人发现，从1 9 7 7 1 9 8 4 年，南极郝利湾上宅春季时的大气臭氧含量 大约减少了4 0 。 虽然人类已采取多种措施保护臭氧层， 但南极上空的臭氧空洞依然根大，臭氧层修 复的速度远非预期的那样快。美国宇航局、 美国国家海洋与大气管理局和美国国家大 气研究中心共同进行的一项研究认为南极 鹰 圈1 i2 0 0 5 年南极臭氧层照片 地区的臭氧空洞将一直持续到2 0 6 8 年，而原先科学家曾预估该臭氧空洞将在 第一章绪论 2 0 5 0 年后完全消失。图1 1 给出了2 0 0 5 年拍摄到的南极臭氧层照片1 1 l 。 臭氧层被称为地球生物的守护神。科学家已达成一致结论，认为臭氧的损 耗是由消耗臭氧层的化学物( o d s ) 所造成，而这其中就包括常规制冷剂c f c s 与 h c f c s 。 臭氧层的破坏引起了世界各国的关注。1 9 8 5 年，2 8 个国家在奥地利首都维 也纳通过了保护臭氧层维也纳公约。1 9 8 7 年9 月1 6 日，4 6 个国家在加拿大 的蒙特利尔会议上，通过了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书，并于1 9 8 9 年1 月1 日起生效。到2 0 0 4 年，该议定书已经召开了十多次缔约国大会。 1 9 9 5 年1 月2 3 日联合国大会决定，每年的9 月1 6 日为国际保护臭氧层日，旨 在唤起人们保护臭氧层的意识，并采取具体行动以保护地球环境和人类健康【2 】【3 1 。 中国政府已于1 9 8 9 年加入保护臭氧层维也纳公约；1 9 9 1 年正式宣布加 入蒙特利尔议定书伦敦修正案，1 9 9 2 年8 月l o 日该修正案对我国生效。中 国汽车空调行业2 0 0 2 年1 月1 日起已经停止了c f c 的使用，其他的消费行业， 如哈龙( 1 2 11 ) 、烟草、清洗、制冷和家电行业按计划都将在2 0 0 6 年年底停止c f c 和哈龙的消费使用。对泡沫行业，在2 0 0 6 年年底完成9 5 的淘汰任务，到2 0 0 7 年7 月1 日之前彻底淘汰。而对于o d s 生产行业来说，在2 0 0 7 年7 月1 日不再 生产o d s 类产品，对于原来使用的o d s ( 如c f c 类) 可以进行回收再利用， 不计算在生产之内。 2 0 0 3 年4 月，中国政府正式签署蒙特利尔议定书哥本哈根修正案。我 国在各方面积极参与保护臭氧层国际合作，组建了国家保护臭氧层领导小组，制 定了一系列政策法规以限制o d s 的生产和消费。 1 1 2 温室气体减排 2 0 0 6 年5 月1 2 日，科学杂志发表题为气候变化：毫无疑问，世界正在 变暖的文章，分析了美国气候变化科学项目组公布的报告。该报告对僵持已久 的全球气候变化问题进行了研究，以确凿的数据证明：全球气候正在变暖。这种 变暖不仅发生在大气层表面，而且贯穿到大气层底层，变暖的方式与温室气体模 型预测的方式相同。这份报告的出炉，为3 5 年来争议不断的全球变暖问题提供 了明确证据，也使全球变暖成为2 0 0 6 年最热的科学话题【4 】。 令全球变暖的因素包括自然因素和人为因素。科学家对于这两种因素都建立 了数学模型。从图1 2 可以看到。对于自然因素的模拟，模型与实际的观测数据 重合的只有2 0 世纪上半叶。对于人为因素的模拟，我们可以看到，大部分时间 它们是重合的。当考虑到自然和人为因素的共同作用后，模型的预言与实际观测 结果就吻合的相当好了。当然，我们也可以看到，尽管相当吻合，图中还是有一 2 第一章绪论 些不尽如人意的地方。这是气候变化模型的不完善造成的。但是无论如何，这都 强有力的证明了人类活动与气候变化是相关联的【5 】。 科学家们已经知道，大气中的二氧化碳、甲烷等气体具有正的温室效应( 也 就是会促进升温) ，而尘埃和二氧化硫则具有负的温室效应( 可以降低气温) 。太 阳活动也会对气候造成影响。随着工业时代的来临，各种温室气体的浓度一直在 上升，如图1 3 所示。 温室效应成为制约可持续发展的一个关键问题，它所造成的危害是无法估量 的。为了2 l 世纪的地球免受气候变暖的威胁，1 9 9 7 年1 2 月，1 4 9 个国家和地区 的代表在日本东京召开联合国气候变化框架公约缔约方第三次会议，会议通 过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书。由于 俄罗斯的批准，京都议定书已于2 0 0 5 年2 月1 6 日生效。作为发展中国家的 中国在京都议定书中不承担减排义务。但是随着“后京都时代”的临近，中 国将再一次不可避免地参与到这场事关中国发展的全球利益博弈之中。可以预 料，在今后的谈判中，发达国家将会对发展中国家提出相应的义务要求，而中国 必然成为其关照的重点。这是由于其温室气体排放量随着经济的加速发展而急剧 升高，我国在2 0 0 0 年能源消耗的二氧化碳排放中以1 3 位居第二，紧跟在美国 图1 2i p c c 关于全球年平均气温的模型图1 3 工业时代温室气体在大气层中的含量 3 第一章绪论 ( 2 4 呦之后1 6 】。无论从制冷剂替代还是从能源结构调整方面，中国需要的发展当 然是可持续的、兼顾人类全体利益的发展，而非以摧毁环境为代价的发展。 由于人类的生活水平的提高，对环境的要求也日益提高，大量用能设备的应 用，以及制冷空调行业的大力发展，使得环境的承载能力日臻趋于极限，因此， 从可持续发展的观点来看，对于制冷空调行业中的制冷剂的替代研究，也应该启 用和环境相容的自然工质。 1 2 替代工质及自然工质c 0 2 目前空调中替代工质有许多种，大致可分为天然和合成的两类，天然的有 m t - 1 3 、c 0 2 、水、碳氢化合物等，合成的有h f c s ，而从环保角度出发，国际协议 中规定替代物的臭氧层消耗系数o d p = 0 ，温室效应系数g w p 应尽量小。各个国 家提出了使用不同的混合制冷剂来替代r 2 2 ，见表1 1 【7 1 。 表1 1 不同国家使用的混合制冷剂 不含氯原子的混合制冷剂组成( 质量比) 标准沸点 商品牌号 l u 2 ，r 1 2 5 r 1 3 4 a r 4 0 7 a- 4 5 5 k l e a ( i c l ) ( 2 0 6 0 2 0 ) r 3 2 r 1 2 5 1 ( 1 3 4 a r 4 0 7 b4 7 3k l e a 6 1 ( 1 0 7 0 2 0 ) g e n e t r o n4 9 7 c ；k l e a4 0 7 c r 3 2 瓜1 2 5 r 1 3 4 a r 4 0 7 c4 4m e f o r e xm 9 5 ；r e c l i nh x 3 ( 2 3 2 5 5 2 ) s u 叭9 0 0 0 r 1 4 3 a r 1 2 5 r 1 3 4 as u v ah p 6 2 ；f r o a n ef x 7 0 r 4 0 4 a 1 6 5 ( 5 2 4 4 4 ) m e f o r e xm 5 5 ；r c c l i n4 0 4 a r 1 4 3 a r 1 2 5g e n e t r o na z 5 0 ；a l l i e ds i g n a l r 5 0 7 - 4 6 7 ( 5 0 5 0 ) m e f o r e xm 5 7 r 3 2 r 1 2 5 l h l o a5 2 7g e n e t r o na z 2 0 ；s o l k a n e4 10 a ( 5 0 5 0 ) r 3 2 r 1 2 5 r 4 1 0 b5 1 8s u v a9 1 0 0 ；f o r a n ef x 2 2 0 ( 4 5 5 5 ) r 2 3 ，r l l 6 r 5 0 8 a- 8 5 7k l e a 5 8 ( 3 9 6 1 ) l 也3 r l l 6 l u 0 8 b8 8s u 、6 9 5 ( 4 6 5 4 ) 4 第一章绪论 从表l - l 中可以看出，各制冷剂的组成均是采用h c f c s 和h f c s 代替c f c s ， 然而h c f c s 和h f c s 对环境亦有害。因此，这些制冷剂只能是暂时的替代物， 在不久的将来会被对环境安全的物质代替。 多年来，绿色和平组织一直在倡导这样一个观点：完全不使用对臭氧层造成 破坏的自然工质亦能满足人们对工质的需求。可以用作制冷剂的自然工质主要有 以下几种：水、n h 3 、c 0 2 、碳氢化合物和空气。研究表明，n h 3 、c 0 2 和碳氢 化合物在常规制冷范围内具有较高的使用价值。实际上，这几种自然工质由于其 热力学性质、输运性和安全性等的不同，其应用领域也有所不同。以下将仅对本 文的研究对象0 2 的情况作一介绍。 c 0 2 作为制冷剂的历史可以追溯到1 0 0 多年前。早在1 8 6 6 年【8 】，美国的 t h a d d e u ss c l o w e 首先利用了c 0 2 n 取商业用冰。1 8 9 0 年，第一个c 0 2 制冷机 开始在海运轮船上应用，之后，c 0 2 制冷剂便在船用制冷机方面得到显著发展。 到1 9 3 0 年，在全世界范围内已有3 0 的船舶采用了c 0 2 制冷机。但后来，由于 氟利昂类制冷工质的出现，c 0 2 迅速被替代。 由于后来人们发现氟利昂类制冷工质存在破坏臭氧层和产生温室效应等问 题，自然工质c 0 2 作为一种已经使用过且已证明对环境无害的制冷工质，近几年 又一次引起人们的重视。在几种常用的自然工质中，可以说c 0 2 最具竞争力，在 可燃性和毒性有严格限制的场合，c 0 2 是最理想的。已故国际制冷学会主席，g l o r e n t z e n 认为c 0 2 是“无可取代的制冷工质”，并提出跨临界制冷循环理论，指 出c 0 2 跨临界循环可望在汽车空调和热泵等领域发挥重要作用。 表1 - 2c 0 2 性质一览表 气体临界点参数标准沸点 分子式，i 、星常数 绝热凝固0 c 时的单位容 指数 温度 压力 ( 升华点) 点积制冷量l ( j m 3 k j k g k m p a c 0 2 4 4 0 11 8 8 91 33 1 17 3 85 6 5 57 8 52 2 6 0 0 c 0 2 作为制冷工质具有独特的优势，主要表现在： ( 1 ) 绿色环保制冷剂。 c 0 2 是一种对环境无害的自然界天然存在的物质，它的臭氧层破坏势( o d p ) 为零，其温室效应势极小( g w p = - i ) 。如果考虑到所用c 0 2 大多为化工副产品， 用它做制冷剂正好回收了本来要排向大气的废物的话，c 0 2 的温室效应就应为 零。 ( 2 ) 优良的经济性。 5 第一章绪论 c 0 2 来源广泛、成本低廉，从无需回收或再生角度看，操作、运行费用也低。 ( 3 )良好的安全性和化学稳定性。 c 0 2 安全无毒，不可燃，适应各种润滑油常用机械零部件材料，即便在高温 下也不分解产生有害气体。 ( 4 )良好的热力学特性和输运性质。 c 0 2 的单位容积制冷量相当高( 0 0 c 时单位容积制冷量是n h 3 的1 5 8 倍，是 r 2 2 的5 1 2 倍和r 1 2 的8 2 5 倍) ，故压缩机及部件尺寸较小：运动粘度低，0 0 c 时c 0 2 饱和液体的运动粘度只有n h 3 的5 2 ，是r 1 2 的2 3 8 ：c 0 2 的导热系数 高，热阻小，而且液体密度和蒸气密度的比值小，节流后各回路间制冷剂的分配 比较均匀，各回路的传热管均能得到有效利用：表面张力小，能够提高沸腾区的 蒸发换热系数。这些就使其流动和传热特性大大提高，大大减小了管道和热交换 器的尺寸，使整个系统非常紧凑。绝热指数较高k = i 3 0 ，压缩机压比兀约为 2 5 - 3 0 ，比其它制冷系统低，容积效率相对较大，接近于最佳经济水平。表1 3 列出了0 c 饱和状态下，h c f c 2 2 、h f c 1 3 4 a 、和c 0 2 - - 种制冷剂的一些物性参 数。 表1 - 30 。c 饱和状态下制冷剂的物性参数对比 工质物性( 0 1 2 饱和状态下) r 2 2r 1 3 4 a c 0 2 液体导热系数( w i nk )o 1 0 0 l0 0 9 9 4 2o 1 1 1 5 蒸气导热系数( w mk ) 0 0 0 9 9 9 5o 0 1 2 l l0 0 1 9 6 6 液体粘度( k g ms ) 1 9 0 2 xl 酽3 3 0 6 l 酽1 0 4 5 x1 0 6 蒸气粘度( k g i ns ) 1 2 0 7 x1 0 r 6l o 9 5 1 0 。6 1 4 7 4 x1 0 r 6 液体比热( k j k g k ) 1 1 61 3 0 82 5 3 9 蒸气比热( k j k g k ) 0 7 2 2 90 9 0 3 41 8 2 5 液体密度( k g m 3 ) 1 2 8 51 2 9 59 2 7 4 蒸气密度( k g m 3 ) 2 1 2 l1 4 5 39 7 6 5 液体蒸气密度比6 0 5 88 9 1 79 4 9 9 表面张力( n m ) 1 1 7 4 1 0 31 i 5 7 i 0 34 3 4 4 xl f f 3 由于c 0 2 的临界温度很低( 3 0 4 2 1 k ) ，因此c 0 2 的放热过程不是在两相区冷 凝，而是在接近或超过临界点的区域的气体冷却器中放热。其放热过程为一变温 过程，有较大的温度滑移。这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，是一种 特殊的劳伦兹循环，当用于热泵循环时，有较高的放热系数。因此，c 0 2 作为自 然工质，在热泵热水器领域的研究发展最快，所取得的进展也最喜人。 6 第一章绪论 1 3c 0 2 热泵热水器 1 3 1空气源热泵热水器 随着人们生活水平的逐步提高，对热水的需求量也越来越大。 表1 4 工厂、宾馆、医院等公共建筑热水需求量 序号建筑物名称单位热水定额( l ) 1 住宅 每人每日 4 0 - 8 0 2 别墅每人每日 7 0 - 1 1 0 3 宾馆每床每日1 2 0 - 1 6 0 4 医院每床每日 6 0 - 1 0 0 5 公共浴室、桑拿每顾客每次 7 0 - 1 0 0 6 理发室、美容院每顾客每次1 0 - 1 5 7 宿舍、招待所每人每日 2 5 4 0 8 学校、工厂宿舍 定量供水 2 0 l 坻 k 从表l - 4 中可以看出，人们对热水的需求量是很大的，但是热水的制备需要 消耗大量的能源。采用什么形式的加热方式，决定了在热水制备中能否达到节能 效果。表1 5 给出了不同形式的热水器的比较分析，从中可以看出，空气源热泵 热水器的优势很明显。 表1 5 不同形式的热水器的比较分析 名称空气源热水器燃气热水器电热水器太阳能热水器 能源种类电源管道煤气电源电+ 热 单价0 8 元度 3 2 ：v v , m 3 0 8 元度0 8 元度 热效率4 l o 8 5 9 5 9 5 热水费用吨7 9 4 元3 4 6 9 元3 4 2 7 元1 1 2 7 元 安全性安全危险较危险安全 环保性无污染轻污染 无污染无污染 维修成本低较高高高 产品寿命1 2 1 5 年 8 年 8 年 8 年 舒适实用 供水量大，可多 区域性用水 受电功率影响，受天气影响 处连续供水间断性供水 注：太阳能热水器以每年阴雨天数1 2 0 天计算，即需辅助电加热。物价以当地物价为准。 7 第一章绪论 由于热泵热水器的用能效率受出水温度的影响，人们很容易想到在保证实用 的条件下尽量降低热泵的出水温度。例如洗浴用热水温度可定为3 8 - - - 3 9 ，国 内采用常规工质的热泵热水器出水温度设定为4 5 - - 5 0 ，这已经考虑了在输送 时的热量损失，所以有的厂家认为如果管道增加保温措施，还可以进一步降低出 水温度。这个温度范围的设定相比于国外同类型产品的设定有所不同。日本标准 要求的测试热泵热水器的出水温度是6 5 0 1 9 1 ，这是在健康方面有重要意义的。研 究表明1 1 0 。，在自然界土壤和水体中广泛存在一种高致病细菌：军团病菌 ( l e g i o n e l l a ) ，它可引起高死亡率的非典型肺炎，并经常伴随空调系统和生活 热水系统来传播，在世界和我国都已出现，引起人们的高度重视。很多国家已经 把军团菌检测作为常规卫生监测项目，国际标准化组织( i s o ) 更将其纳入水质标 准检查的一部分。而国内目前尚无相关标准，只有部分外资企业将这项检测纳入 卫生管理体系，并作为管理水平评价的内容之一。 军团菌的生长与水的温度有关。它的生存温度范围是2 0 4 5 ，在低于2 0 的环境中，它处于休眠状态。其最佳的生长环境温度范围是3 7 - - 4 1 ，而热泵 热水器的出水温度4 0 - - - 5 0 的情况下，正好有利于军团病菌等繁殖，只有在6 0 以上才可将其杀灭。因此，提高热泵热水器的出水温度，可以很好地抑制病菌 的繁殖并杀灭细菌。由于常规工质热力学性质的限制，热泵热水器的出水温度很 难达到更高，尤其当蒸发器所处的环境温度过低的时候，机组的效率下降，热水 器的出水温度更达不到要求的温度。由于c 0 2 跨临界循环的热力学特性，可以在 较高的e e r 下提供6 5 ( 2 的热水， c 0 2 热泵热水器很好地解决了健康和节能的问 题，因此，c 0 2 跨临界循环首先在c 0 2 热泵热水器的研制方面取得了重大突破。 1 3 2c 0 2 热泵热水器的研究进展 日本电研院( c r i e p i ) 与东京电力公司( t e p c o ) 及d e n s o 公司的 m s a i k a w a ，k h a s h i m o t o 等人1 1 1 埋j 合作于1 9 9 8 年9 月开始进行c 0 2 热泵热水器 的基础理论研究。1 9 9 9 年，他们建起了c 0 2 热泵热水器原型机实验台，所用的膨 胀阀由针阀和步进电机组成，膨胀阀的开度分为4 0 0 级。2 0 0 0 年，他们对原型 机进行了改进。在t e p c o 对改进型c 0 2 热泵热水器的全年平均性能系数进行了测 算，结果表明包括风扇和水泵耗功在内的全年系统平均c o p 值仍可高达3 0 ，而 且改进型系统在外界空气为- - 2 0 时，仍可提供高达9 0 的热水。 日本s a n y o 电器公司h i r o s h im u k a i y a m a 等k t 3 1 研制的家用c 0 2 热泵热水器， 采用2 0 - - 1 2 0 h z 的变频电动机驱动。他们【1 4 j 在恒温室中对该系统在不同温度、湿 度的性能进行了测试。计算结果表明其总有效温室效应指数( t w e i ) 比其它方 式的热水器降低了近一半。在考虑供水泵和室外风扇耗功的情况下，系统年均供 8 第一章绪论 热c o p n - i 根据其实验结果拟合出公式：c o p h = 一0 0 3 2 5 t + 5 6 3 2 ，t = 6 5 c - 9 5 c 1 。 2 0 0 2 年，日本大金公司【1 5 1 、松下也各自推出了自己的c 0 2 热泵热水器。 在日本，c 0 2 热泵热水器以其良好的 节能生态性能赢得了“e c oc u t e ( 生态精 灵) ”的称号。从2 0 0 1 年投放市场以来， 销售量稳步上升。2 0 0 3 年日本c 0 2 热泵 热水器的产销量为7 0 0 0 0 套，预计到 2 0 1 0 年将达到近5 0 0 0 0 0 套，市场发展十 分迅速，如图1 4 所示。根据制热量、 水箱容量和地区适应性的不同，现今日 本市场上有m i t s u b i s h i 、d a i k i n 、s a n y o 、 6 0 5 0 若4 0 邑3 0 笔 2 0 j 1 0 o 7 0 17 0 2 0 3 0 4 0 5 0 7 1 0 y e a r 图1 - 4 日本c 0 2 热泵热水器市场预测 h i t a c h i 、m a t s u s h i t a 、t o s h i b a 、d e n s o 、c h o f u 等各公司共计1 6 种以上不同类型的 c 0 2 热泵热水器【1 6 1 。表1 6 为日本主要c 0 2 热水器产品的性能参数对比【1 7 1 。 表卜6 日本各大公司的主要c o ：热水器产品参数对比 制造商电装 三 洋大金松下西淀 d e n s o s a n y o d a i k i np a n a s o n i c 工质c 0 2c 0 2c 0 2c 0 2c 0 2 功能热水器热水器热水器热水器 热水器 压缩机变频涡旋变频两级变频摆动变频涡旋定频 滚动活塞式d o r i n 公 司 执 加热量l ( w4 54 54 56 心| 冬52 4 1 2 8 3 泵 机 ( 5 0 6 0 h z ) 组 耗电功率l ( w 1 1 41 1 21 2 11 4 3 1 0 77 8 9 1 性能系数3 9 54 0 23 7 24 2 4 23 1 3 1 热水温度* c 6 5 9 0- 9 06 5 9 06 0- 9 0 噪声d b3 93 9 3 9 4 2 3 8 热水箱容积l3 7 0 3 0 03 7 03 7 04 6 0 3 7 02 7 6 0 3 0 0 0 目前日本家用c 0 2 热泵热水器的新进展主要是： ( 1 ) 持续提高系统性能。据称现在日本c 0 2 热水器行业最高c o p 已经可以达到 4 2 ，这样系统的运行费用就可以有效的降低，大约为燃气热水器的1 5 1 引。 ( 2 ) 由于家用c 0 2 热泵热水器主要利用夜间的低谷电工作，因而需要持续降低 系统运行噪音。例! t i l m a t s u s h i t a 采用了低振动、低噪音的压缩机和独特的2 叶片 9 第一章绪论 风扇，已可使噪音降到3 8 d b 。 ( 3 ) 持续降低设备成本，扩大销售量。目前由于产品的批量不大，价格较贵，一 款4 5 k w 供热量的c 0 2 热水器大约需要5 0 0 0 美元，在日本通过采用政府补贴的 办法促进销售。 在挪威，自1 9 9 7 年以来，p e t t e rn e k s & 等相继发表了其在c 0 2 热泵热水器方 面的理论和实验研究结果。他们在n 耵叫一s i n t e f 热能实验室建立了原型机。 由于c 0 2 的容积比热较大，所以当设计供热量为5 0 k w 时，进排气管的尺寸只有 1 8 幸1 5 m m ，即使在所设计的最大高压1 5 0 b a r ，最大低压8 0 b a r 的情况下，管壁 也只需要中等厚度。原型机所用压缩机为单缸开启式往复型压缩机，转速6 0 0 - - - 12 0 0 r p m 。额定工况下的转速为9 0 0 r p m 。最大工作压力13 0 b a r 。电动机的效率定 义为0 9 。当蒸发温度为0 c ，气体冷却器入口水温从8 ，供水温度8 0 时， 系统性能系数c o p h 仍然高达3 , 6 。而且该实验系统能够提供9 0 * 0 的热水。研究结 果表明，c 0 2 热泵热水器比电或燃气热水器节约能耗7 5 左右。1 9 9 8 年，奥地 利热能科技大学研究所h e r m a n nh a l o z a n 的研究结果表明c 0 2 热泵热水器可将 6 1 4 ( 2 的地下水升温到6 0 以供民用，或9 5 以供工业用，若同时采用地下水 为热源，则系统c o p h 可达4 6 ，远高于r 一1 3 4 a 热泵热水器。 2 0 0 0 年，挪威科技大学g r e z az a k e r i ，p e t t e rn e k 始等人在挪威拉维克( l a r v i k ) 的一家生产半成品食品的a se g g p r o d u k t t 厂建立了第一台示范性工业用c 0 2 热 泵热水器【】9 1 。因为该工厂的卫生条件极为严格且需要消耗大量的较高温度的热 水，而且又有氨制冷设备的冷凝放热可供利用，所以他们采用c 0 2 热泵热水器。 他们所设计的c 0 2 热泵热水器的蒸发器采用壳管式换热器，起到复叠式热交换器 的作用，氨在壳侧冷凝放热，c 0 2 在管侧蒸发吸热；压缩机采用d o r i n 公司生产 的双缸半封闭往复式压缩机，排气量2 6 9 m 3 h r ，配备4 k w 电动机和一个回油泵， 最大运行压力为1 3 0 b a r ；热水器系统还设了吸气热交换器和低压储液罐。初步实 验参数如下：蒸发温度1 4 3 ，吸气压力5 0 b a r ，压缩机吸气温度2 6 ，排气温 度1 0 0 ，放热压力1 1 3 b a r ，气体冷却器c o ：出口温度9 2 ，水的进出口温度 6 7 6 6 。c ，水的质流率0 2 6 m 3 h r ，供热功率l8 4 3 k w ，压缩机耗功3 2 k w ，系统 供热性能系数可高达5 7 7 。 2 0 0 2 年，挪威科技大学制冷空调系的j o ms t e n e 设计了三段逆流式气体冷却 器以更好的与其温度滑移相匹配【2 0 1 ，原理如图1 5 示。气体冷却器低温段用于水 的预热，中温段用于低温空间供热( 如地板供热系统，供热温度一般在3 0 - - 4 0 范围内，温差小于5 以使供热空间温度均匀) ，高温段用于将水加热到6 0 - - 7 0 c 。分析结果表明：地源c 0 2 热泵系统可以很好地适应这种低温空间供热与热 水供应耦合地供热方式，并能达到h f c 或丙烷热泵系统相当的系统c o p 。他们所 1 0 第一章绪论 建立的一套6 5 k w 的c 0 2 热泵系统已经于2 0 0 2 年八月开始运行。 c 0 2 热泵热水器与传统电热水 器、燃气热水器相比具有低能耗， 对环境友好的优点；与传统热泵热 水器相比具有供热水温度范围大， 能提供高温热水的优点。将c 0 2 热 泵与储水箱组合可以利用夜问低谷 电，提高系统经济性。若将c 0 2 热 泵热水器与蓄热系统组合，可使储 水箱体积减小，则整个系统更为小 巧轻便。丌发适于c 0 2 热泵热水器 的高效压缩机和耐高压的高效换热 器以及完善的控制策略将是以后 图1 - 5 热水供应与空问供热耦合的c 0 2 热泵 系统温焓图 c 0 2 热泵热水器研究的三大重点。相信随着技术的不断进步，c 0 2 热泵热水器将 会以其特有的优势成为2 1 世纪热水器市场上最为耀眼的明星。 1 3 3c 0 2 热泵热水器的扩展应用探讨 ( 1 ) 空调热水器两用机 根据国内热泵热水器的研究，同益，哈思等厂家已经推出了制冷，制热和热 水三用机组。机组组成结构复杂，需要多个四通阀，控制困难，结合实际应用， 对于c 0 2 热泵热水器和空调制冷相结合的应用，在天津大学提出的可旋转窗式热 泵系统( 实用新型专利，专利号：2 0 0 4 2 0 0 2 9 7 5 6 0 ，授权日期：2 0 0 5 1 0 1 2 ) 的 思路指导下，给出了c 0 2 空调热水器两用机的设计，其结构原理如图1 6 所示。 图1 6 a 蹶，烈鞴同爵躺拳黼这样 第一章绪论 热泵热水器的冷量与热量均能被利用，其综合效率( 综合效率的定义为：系统所 得冷量与所得热量之和与压缩机耗功的比) 较高。图i 6 b 给出了其它季1 y 用户 不使用空调制冷时所应用到的热泵热水器。 系统中没有叫通阀，由于c 0 2 系统运行压力高，避免了四通阀处t 质的泄漏 而造成的系统能力的损失在工况的转换过程中，依靠机组底部的微电机带动整 个系统旋转1 8 0 度。本构思具有结构简单、调节方便的特点可对c 0 2 热泵系统 的推广应用与环保起到积极的促进作用。 ( 2 ) 冰箱热水器两用机 在2 0 0 5 年5 月挪威国际自然t 质会议上出现了c 0 2 作为t 质的冰箱冷柜样 品，圈l - 7 给出的是挪威s i n t e f 生产的c 0 2 作为工质的冰柜样品，图i 一8 给出了 e m b r a c o 公司生产的c 0 2 冰箱压缩机。众所周知，现在的冰箱冷凝器与冰箱的外 壳作为一体，靠空气的自然对流来冷却。在c 0 2 冰箱系统中，气体冷却器依靠刷 围空气的自然对流来冷却如果将气体冷却器改成套管式换热器依靠循环的水 来冷却，水冷的效果比空气自然对流冷却效果好很多。因此，提出热泵热水器与 冰箱结合的一体机。在冰箱运行过程中产生热水，冷热用户均能利用为c 0 2 作为工质的应用，提供更好的方式。 圈i 一7 挪威s i n t e f 生产的c 0 2 冰柜图i - g 巴西e m b r a c o 公司生产的c 0 2 冰箱压缩机 14c 0 2 制冷系统仿真研究进展 s k a u g e n 等x 对c 0 2 制冷系统进行了计算机模拟对不同类型的换热器 第一章绪论 压缩机以及其它部件建立了模型。此模型可以对系统进行稳态模拟，也可以对系 统进行优化设计。既可以用于制冷计算，也可以用于制热计算，而且空气和水都 可以用做热源和热汇，这样包括了热水加热、空调、制冷和热泵系统。w a n g 和 h i h a r a 2 2 1 对c 0 2 和r 2 2 热泵热水器的性能进行了研究，对每个部件和整个系统建 立了模型。在系统大小相同的情况下，对两个装置的c o p 、制热量以及压缩机排 气温度进行了分析。结果显示，c 0 2 热泵热水器的c o p 值低于r 2 2 装置；但是当 系统中加入回热器后，c 0 2 的c o p 与r 2 2 相当，只不过c 0 2 压缩机的排气温度增 加很快，并且最佳高压压力时所对应的制热量明显降低。 o r t i z 和g r o l l l 2 3 对c 0 2 空气空气家用空调器建立了数学模型，并进行了模拟 计算和实验验证。r o b i n s o n 和g r o l l 2 4 】开发了用空气作为冷热源的c 0 2 跨临界循环 军用整体式空调系统仿真模型，主要用来替代r 1 2 制冷系统，并且在换热器体积 相等、制冷量相同的条