（制冷及低温工程专业论文）空气源热泵热水器运行特性与应用研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o 删y 脚1 燃嬲 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t y c o n f o r m i t yw i t ht h e foi o n g l 1u n l v e r s i t yi nc o n t o r m i t vw i t ht h er e o u i r e m e n t s r r t h ed e g r e eo fm a s t e ro f p h i l o s o p h y o p e r a t in gp e r f o r m a n c ea n da p p li c a t i o n r e s e a r c ho na i rs o u r c eh e a tp u m p w a t e rh e a t e r s c h o o l d e p a r t m e n t ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：p o w e ra n dt h e r m o p h y s i c s e n g i n e e r i n g m a j o r ： r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c s e n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ： z o n g l i n gy a n g s u p e r v is o r ：p r o f r u - d o n gc h e n a s s i s t a n ts u p e r v i s o r ：p e n gl i m a r , 2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 躲彩缎 签名：劭c 矿役 上9 0 释；月，7 日 摘要 摘要 能源和环境危机是我们人类在这个世纪所要面临和解决的一个重要问题。 目前建筑内生活热水的供应成为继采暖、空调和照明之后的主要能量消耗之一。 热泵热水器是热泵技术在热水供应方面的应用，与其它类型的卫生热水加热设 备相比，它具有节能、环保及安全等方面的优势。 本文介绍了空气源热泵热水器的工作原理和结构特征；分别对空气源热泵 热水器四大部件( 压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器) 予以建模求解，并对其运 行特性进行模拟研究；分析了电子膨胀阀开度、制冷剂流量、环境温度、热水 流量、进水温度以及蒸发器风扇转速对系统性能的影响情况，为实际系统和部 件的设计及控制调节提供依据。 随着r 2 2 禁用期限的日益临近，寻找一种较为理想的r 2 2 替代工质已迫在 眉睫。本文对多种工质( r 2 2 、r 1 3 4 a 、r 4 0 7 c 、l h l o a 及r 4 1 7 a ) 进行了热泵热 水器理论循环计算分析，比较了这些工质在排气温度、排气压力、制热量及制 热系数等方面的差异。此外，本文还对r 1 3 4 a 、r 4 0 7 c 及r 4 1 7 a 这三种工质进 行了灌注式替代的模拟计算。计算结果表明：在热泵热水器中，r 4 1 7 a 是r 2 2 较为理想的替代工质。 空气源热泵热水器经济性是用户最关心的问题，本文以某工程为实例，将 空气源热泵热水器与其他制取热水设备的初投资、年运行费用等多个技术经济 指标进行了计算比较，并且进行了经济性评价和一次能源利用率分析。得出空 气源热泵热水器的初投资虽然较大，但运行最经济的结论。 最后，在总结现有研究的基础上，本文还对空气源热泵热水器的发展方向 以及今后进一步的工作进行了简要的讨论。 关键词：空气源热泵热水器，运行特性，仿真，制冷剂，经济性 a b s t r a c t a bs t r a c t c r i s i so fe n e r g ys o u r c e sa n de n v i r o n m e n ti sa l li m p o r t a n tp r o b l e mt h a to u r h u m a nb e i n gs h o u l dc o n f r o n ta n ds o l v ei nt h i sc e n t u r y w a t e rh e a t i n gi st h ef o u r t h l a r g e s te n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ec o m m e r c i a lb u i l d i n g ss e c t o r , a f t e rh e a t i n g ，a i r c o n d i t i o n i n ga n dl i g h t i n g a i rs o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e r ( a s h p w h ) i st h a th e a t p u m pb e i n gu s e di nw a t e rh e a t e r c o m p a r e dw i t ho t h e re q u i p m e r i t sm a k i n gh o tw a t e r , a s h p w hh a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a s e n e r g y - c o n s e r v a t i o ns a f e t y a n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo fa s h p w h ，a n d e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e l so ff o u rm a i nc o m p o n e n t s ( c o m p r e s s o r ，c o n d e n s e r , e x p a n s i o nv a l v ea n de v a p o r a t o r ) o fa s h p w hf o rs i m u l a t i o n t h e ni ta n a l y z e dt h e i n f l u e n c eo fe l e c t r i ce x p a n s i o nv a l v e ，r e f r i g e r a n tf l o wr a t e ，o u t d o o ra i rt e m p e r a t u r e ， w a t e rf l o wr a t e ，w a t e ri n l e tt e m p e r a t u r ea n do u t d o o rf a n s p e e d o n s y s t e m p e r f o r m a n c e ，w h i c hc a nb eu s e dt op r o v i d eab a s i sf o rd e s i g na n dm a n i p u l a t i o no f t h es y s t e ma n di t sc o m p o n e n t s a st h ed a t et h a tt h er e f r i g e r a n tr 2 2i sf o r b i d d e nt ob eu s e di sd r a w i n gn e a r , i ti s u r g e n tt of i n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ys u b s t i t u t e sf o rr 2 2 t h i sp a p e rc a l c u l a t e da n d a n a l y z e dt h eh p w ht h e o r yc i r c u l a t i o nf o rr e f r i g e r a n tr 2 2 ，r 13 4 a ，r 4 0 7 c ，r 410 a a n dr 417 a , a n dc o m p a r e dt h ed i f f e r e n c eo fd i s c h a r g et e m p e r a t u r e ，d i s c h a r g e p r e s s u r e ，t h e r m a lc a p a c i t y , c o pa n ds oo n b e s i d e s ，t h i sp a p e ra l s os i m u l a t e dt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ef o ru s i n gr 13 4 a ，r 4 0 7 ca n dr 417 a f r o mt h er e s u r ，w e c o n s i d e rr 417 ai ss u i t a b l ef o rs u b s t i t u t i n gr 2 2 t h ee c o n o m yo fa s h p w hi st h em o s tc o n c e r n e db yt h ec o n s u m e r s ，s oa p r o j e c tw a st a k e na sa ne x a m p l e ，a s h p w hw a sc o m p a r e dw i t ho t h e re q u i p m e n t s ， a n dp l e n t yo fi n d e x e si n c l u d i n gi n i t i a li n v e s t m e n t ，a n n u a lo p e r a t i n gc o s te t c w e r e c a l c u l a t e d t h e ne v a l u a t i o no ne c o n o m ya n dp r i m a r ye n e r g yr a t i ow e r ed i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o ni sa sf o l l o w s ：t h ei n i t i a li n v e s t m e n to ft h ea s h p w hi st h el a r g e s t ， b u to p e r a t i n gc o s ti st h em o s te c o n o m i c a l a b s t r a c t f i n a l l y , b a s e do nas u m m a r yo ft h er e s e a r c hi nt h i sp a p e r , t h ef u t u r eo f a s h p w ha n dt h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：a i rs o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e r ( a s h p w h ) ，o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e ， s i m u l a t i o n ，r e f r i g e r a n t ，e c o n o m i c i i i h 录 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 文献综述3 1 2 1 热泵的发展情况3 1 2 2 热泵热水器的发展情况6 1 2 3 空气源热泵热水器推广应用面临的难题8 1 3 本课题研究的主要内容9 第2 章空气源热泵热水器的工作原理和结构特点1 0 2 1 热泵原理1 0 2 2 空气源热泵热水器工作原理1 1 2 3 空气源热泵热水器的主要构成部件1 4 2 3 1 压缩机1 4 2 3 2 冷凝器。1 5 2 3 3 蒸发器与风扇1 7 2 3 4 节流元件18 2 3 5 辅助电加热器18 2 3 6 干燥过滤器18 2 3 7 储液器。l9 2 3 8 安全保护与控制装置。1 9 第3 章空气源热泵热水器数学模型2 1 3 1 涡旋式压缩机模型2 1 3 2 板式换热器模型2 3 3 2 1 基本模型2 3 i v 1一 日录 3 2 2 参数计算2 6 3 3 电子膨胀阀模型2 8 3 4 翅片管式蒸发器3 0 3 4 1 基本模型3 l 3 4 2 参数计算3 3 3 5 系统仿真算法3 6 3 6 本章小结3 7 第4 章空气源热泵热水器运行特性3 8 4 1 系统结构参数3 8 4 2 空气源热泵热水器运行特性分析3 9 4 2 1 电子膨胀阀开度对系统的影响4 0 4 2 2 制冷剂流量对系统的影响4 2 4 2 3 环境温度对系统的影响。4 4 4 2 4 进水温度对系统的影响4 6 4 2 5 水流量对系统的影响一4 8 4 2 6 蒸发器风量对系统的影响5 0 4 3 本章小结5 2 第5 章模型验证5 4 5 1 机组参数5 4 5 2 系统仿真与实验对比5 4 5 3 本章小结5 5 第6 章空气源热泵热水器的工质研究5 6 6 1 常用工质介绍5 6 6 2 不同工质的热力计算5 9 6 2 1 工况选取5 9 6 2 2 热力计算6 0 6 2 3 计算结果分析6 l v 6 4 本章小结6 9 第7 章空气源热泵热水器经济性分析7 0 7 1 工程实例7 0 7 2 空气源热泵热水器优化运行策略7 0 7 3 热泵热水器的年运行情况分析7 1 7 4 热泵热水器与其他热水供应方式的比较7 2 7 4 1 各热源热值比较7 3 7 4 2 辅助设备的选取一7 3 7 4 3 初投资及运行费用一7 4 7 4 4 经济性评价。7 8 7 4 5 一次能源利用率比较8 0 7 5 本章小结8 2 第8 章结论与展望8 3 8 1 全文工作总结8 3 8 2 展望8 4 致 射8 6 参考文献8 7 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果9 0 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着自然资源的日益消耗，人类面临着日益紧迫的能源危机，能源的消耗 及对环境的污染已成为全人类共同关心的问题，各国政府都纷纷制订了可持续 发展的战略政策。能源、人口和环境是制约人类社会与经济发展的三大要素， 能源的需求与经济的发展、人口的增长和环境具有密切的关系【。目前，国际 能源组织( i e a ) 等许多国际组织就能源发展概况进行了大量研究。根据联合国的 统计1 9 7 1 1 9 9 5 年世界经济年增长率约为3 2 ( 中国达8 5 ) ，1 9 9 5 2 0 2 0 年世 界经济年增长率可达到3 1 左右( 中国约为5 5 左右) 。经济的增长必将导致世 界能源消费的增长。从人口发展的角度看，1 9 9 9 年世界人口已达6 0 亿，估计 2 0 2 0 年将达到7 5 亿左右。据推测，在2 0 2 0 年前，发展中国家的人口增长将占 世界人口增长的9 0 以上。随着世界经济的不断发展和人口的增长，全世界一 次能源的需求量将不断增长。据联合国统计，1 9 7 1 1 9 9 5 年全世界一次能源的 年增长率为2 2 ，1 9 9 5 年世界一次能源的需求量约可折合成8 3 4 l 亿吨石油。 如果未来2 0 年的世界经济年增长率为3 1 ，研究表明，世界一次能源的需求 量将以平均2 的年增长率增长，到2 0 2 0 年世界一次能源的需求量为1 3 7 4 9 亿 吨石油 2 1 。 随着我国国民经济水平的发展，卫生热水的使用量逐步增加，卫生热水的 耗能在整个能源消费结构中所占比例越来越大。在美国居民用于卫生热水的能 耗占整个家庭能耗的1 5 以上【3 】，商业建筑中卫生热水的能耗比例为7 ，每年 消耗在卫生热水上的能量值是巨大的。传统提供热水的装置主要有三种：燃料 加热装置、电加热装置及太阳能辐射加热装置。 其中燃料加热装置包括煤炉、燃气热水器、燃油或燃气锅炉等。从热能的 角度来看，这样的加热方式是极其不合理的，因为燃料是一种高品位能源，用 它来生产低品位的4 0 c 左右的热水本身是一种能量浪费，而且4 0 的热水在人 体上停留3 秒钟后就被排走，另外还存在一些其它问题，如在加热过程中能量 转化效率只有0 6 0 8 5 ，对环境污染大，对水压有要求，不能多点同时供水，还 存在安全隐患等问题。因此，燃料加热装置并不是一种很理想的供热装置。 第1 章绪论 电加热装置同样是消耗的高品位热能，也存在安全隐患，因此，也不是一 种理想的加热装置。 太阳能辐射加热装置从能量转化与利用角度来看，是一种非常节能的加热 方式，但是它的工作必须依靠太阳的辐射能量才能进行，在阴雨天没太阳光照 射时就不能生产热水，只能通过电辅助加热来解决，存在安全隐患，同时还存 在影响市容美观及太阳能集热器易漏水等问题。因此，太阳能热水器也存在一 定的局限性。 目前在市场上出现了一种新型可商用的热水器热泵热水器i j 。它是利 用热力学第二定律的原理来工作的，通过消耗少量的电能将空气中、河水中的 低品位热能转移到储水箱的水中，对水加热，在环境温度2 0 。c 左右时，能效比 可达3 0 以上。同其它类型的卫生热水加热设备相比有如下特点： 节能：热泵热水器利用热泵工作原理将热量进行转移，而传统的制热水 设备为能量转换设备，受到能量转换效率的限制，其效率均小于1 ；热泵热水 器制热系数随室外温度和热水器需求温度的变化而变化，理论值一般不小于3 。 安全并且有利于环境保护：燃气热水器在使用过程中会排出有害气体， 损害健康甚至危及生命。电热水器也不能杜绝安全事故的发生。与其相比，热 泵热水器没有污染气体排出，环保性能好，对人体健康没有影响。热泵热水器 符合能源政策和环境保护政策。 方便：由于它直接吸收的是空气中的热量，因此不受阴雨天气等气象的 制约，能全天候生产热水。 在美国，如果家用电热水器的5 0 用热泵热水器替代的话，美国整个国家 的耗电将下降3 嘣3 1 。正是由于热泵热水器的节能、环保等特点，因此受到各国 政府的支持与鼓励：欧洲市场自1 9 9 0 年以后，热泵销售以平均每年1 5 的速度 增长【7 1 ，其中荷兰政府规划在2 0 1 0 年时能满足家庭用热5 0 的需求，法国制订 了一个促进安装家用热泵的计划，现以每年1 5 ，0 0 0 台的增幅推广使用热泵热水 器，在日本自从2 0 0 1 年推出第一台c 0 2 热泵热水器以来，空气源热泵热水器 市场呈现迅速增长的态势惮j 。 在中国，热泵热水器商业化市场刚开始启动，在广东等南方地区，由于适 宜的气候，热泵热水器所能达到的能效比较高，节能效果非常显著，运行费用 低廉，受到市场上首先富裕起来的居民的喜爱，市场在迅速扩大。日前全国热 水器的保有量达1 亿台，其中电热水器保有量超过2 0 0 0 万台，如果热水器的 2 第1 章绪论 1 0 3 0 用热泵热水器替代，再将商用热泵热水器的数量折算过来，热泵热水 器的数量有可能达到3 0 0 0 万台，我国的总能耗将下降0 0 4 ( 以1 9 9 7 年的中国 耗能总量1 4 2 亿吨标准煤计算) ，将减少s 0 2 的排放量8 0 万吨，c 0 2 减少2 2 0 万 吨。从上面的数字分析中，不难发现，大力推广热泵热水器将给我国能源、环 保带来实质性利益。 1 2 文献综述 尽管人类历史上第一台热泵就是用于生产热水的，但比起热泵在采暖方面 的应用来说，热泵热水器的发展是非常缓慢的，主要原因是热泵热水器工作时， 压缩机往往在较高冷凝温度和较大的压比下长期运行，对压缩机和制冷剂的性 能有较高要求。另外，其它能源( 天然气、煤等) 相对很廉价，作为商业竞争， 压缩机受到降低生产成本的压力，因此在一个相当长的时期，压缩机制造厂不 供应高冷凝温度的压缩机，导致热泵热水器的产品性能不可靠，妨碍了热泵热 水器的发展【9 j 。 近几年来，由于压缩机、膨胀阀等技术的发展，使得热泵热水器的质量得 到大幅度的提高，也有部分研究者对热泵热水器进行了一系列的研究。由于热 泵热水器实际上只是热泵在热水供应方面的特殊应用而己，因此，在热泵方面 的部分研究成果也是适用于热泵热水器的。在本节内容中将对热泵及热泵热水 器方面的发展进行综述。 1 2 1 热泵的发展情况 欧洲在上个世纪初最早使用“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【l 们。 直至上个世纪2 0 3 0 年代，热泵才有了较快发展。一方面，在这之前的工 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 n e 于1 9 3 0 年在他的著作中报 3 第l 章绪论 道了1 9 2 7 年苏格兰试验安装的一台家用热泵。用氮作工质，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 a n 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 废水热量，廉价的低谷电力，用低温热源制冰等问趔1 2 】。 在这之后，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 1 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，供热量达1 0 5 0 k w ，制热系数达 2 5 【1 3 】。 欧洲第一台较大的热泵在1 9 3 8 1 9 3 9 年间，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 作工质，向市政厅供热1 7 5 k w ，制热系数 为2 0 ，输出水温6 0 c ，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【l 2 1 。 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 用于房屋取暖，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， 由于过快的产品增长速度造成产品制造质最较差，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 热泵在内的房间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 年单元式空调机年产量达5 6 7 万台，而空气源热泵年产量达1 1 4 万台【1 3 】。 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。还有像德国、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 4 第l 章绪论 供暖的容量约有5 0 由大型热泵提供【1 2 】。 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 1 0 , 1 4 , 1 5 】： 1 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， 热泵才逐渐由工业应用向空调应用发展。 3 起飞期( 1 9 6 5 1 9 7 0 ) ：6 0 年代日本工业的发展造成了大城市空气污染严 重，政府颁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，在政府的鼓励下，大大促进了各类型热泵的发展。1 9 8 5 年房间 空调器年产最约为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，各种空调年产量为5 6 5 万台，热 泵型占6 5 。到1 9 9 6 年，房间空调器的年产量达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，除住宅热泵外，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【l o 】。 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应用说来，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量为 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。 第1 章绪论 在8 0 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一水热泵是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 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型立柜式空调机 组系列。上海能源研究所从1 9 8 7 年开始研究将热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、上海溶剂厂联合研制了3 5 0 k w 第二类吸收式热泵【l6 1 。 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 年的产量仅5 9 6 万台，2 0 0 5 年空调产量已达7 4 6 9 万台，这种发 展速度是空前的【l6 1 。 此外，单元式热泵机组及热泵型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 2 热泵热水器的发展情况 热泵热水器是利用热泵原理，从周围环境介质中吸收热量来制取热水的热 泵装置。在热泵装置发明的早期，人们就尝试用热泵制取热水。但热泵热水器 的大量应用是在第二次世界大战之后的事情。初期的热泵热水器主要是大型的 工业用热泵。第二次世界大战的爆发，一方面影响与中断了空调热泵的发展， 另一方面战后能源的短缺促进了大型工业用热泵热水系统的发展。在物料的浓 缩工艺中，只需将蒸发装置中产生的废气用压缩热泵提高一些温度便可重复用 于对装置的加热，热泵热水器在这种场合下使用因温升少其制热系数极高。同 6 第1 章绪论 样在精馏装置中应用热泵的经济性也非常好。热泵热水器在二次大战中也直接 用于战事装备，如美国制造了一万台蒸馏热泵为上百万的人提供饮用水【1 们。小 型热泵型热水器从2 0 世纪5 0 年代起在一些家庭中使用，近年来，一方面随着 生产工艺的进步，热泵热水器的可靠性、实用性有了很大提高；另一方面各国 对环保节能概念的越发重视，使热泵热水器的发展重现生机，国外出现了一些 生产热泵热水器的公司，如m e t r o ( 丹麦) 、p r o e l e k t r a ( 瑞士) 、t e m c o r ( 美国) 等， 从节约能源和环保的观点来看，热泵热水器具有其独特的优点和市场前景。进 一步的可行性研究表明，与其他家用热水器相比，热泵热水系统具有更高的经 济性，它的初投资预期回收年限为2 3 年。以环境大气为热源，在热水储水箱 中放置沉浸式盘管的热泵系统可取得较好的使用效果【1 8 】。 在8 0 年代早期，空气源家用热泵热水系统在美国每年的销售量超过1 0 0 0 0 套。但初期的产品由于售价高、维护困难、噪声大、可靠性较差、使用期有限 等原因，使热泵热水器市场没有得到很好的发展。这些热泵热水器技术和产品 的设计重点在于制取生活热水，供应热水是它们的主要任务，热泵同时具有的 空调能力则被作为辅助功能。前期家用热泵热水器的加热功率较小，只有普通 电热水器功率的4 0 - 1 0 0 或者燃气热水器功率的3 0 - - - 5 0 。为了使用的方 便，一般需要配置较大的储水箱和控制系统。然而，大的水箱费用较高，占用 空间大，为达到设定温度也需要更多的加热时间。也有一些设计者在系统中加 入辅助电加热器以便在用水高峰时使用，但这将会增加用电高峰时的用电功率 和降低系统效率【l9 1 。 不少学者进行了专门针对热泵热水器的研究，v i n c ecm e i 2 0 】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功率明显高于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。但是，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 。 p gr o u s s e a u 2 l 】对南非地区应用广泛的商用热泵热水器进行了提高系统性 能和运行经济性的研究。另外b i v e n s 2 2 1 、m e y e r 2 3 1 、s m i t h 2 4 1 、s p a t z 2 5 1 等学者 都从不同侧面对热泵热水器进行了专门的研究。 1 9 9 7 年以来，p e t t e r n e k s a 2 t , - 2 s 专门对c 0 2 热泵热水器进行了研究。结果表 明在0 环境温度下，水温由9 升至6 0 的过程中，c 0 2 热泵热水器样机的 7 第l 章绪论 平均c o p 达到了4 3 。还指出，c 0 2 热泵热水器在高水温时具有优良的运行性 能，样机可以在9 0 的高水温下正常运行。日本学者m s a i k a w a ，i ch a s h i m o t o ， i ck u s a k a r i 2 9 】等人在进行c 0 2 热泵热水器基础理论研究之后，于1 9 9 9 年建起了 c 0 2 热泵热水器原型机实验台，原型机的额定供热功率为4 5 k w ，所用压缩机 为直流变频电动机驱动的半封闭涡旋压缩机，2 0 0 0 年，他们又对原型机进行了 改进，改进型后的c 0 2 热泵热水器全年系统平均c o p 值可达3 0 。 日本c 0 2 热泵热水器从2 0 0 1 年投放市场以来，销售量稳步上升。由于它 价格高昂( 在5 0 0 0 美元以上) ，从2 0 0 2 年1 0 月开始采用政府补贴的办法促进销 售。2 0 0 3 年日本c 0 2 热泵热水器的产销量为7 万套，预计到2 0 1 0 年将达到近 5 0 万套，市场发展十分迅速。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1 6 种不同类型的c 0 2 热泵热水器【3 0 川。 目前，技术的发展和制造工艺的完善使常规电驱动热泵热水器的产品质量 有了很大的提高，系统可靠性也有了较好的保证，在相同用电量的前提下，热 泵热水器的加热能力是电热水器的2 3 倍，如果结构合理还可以同时进行制冷、 除湿或废热回收。世界不少国家近几年都一直在大力推行高性能热泵热水装置 的研究工作。 1 2 3 空气源热泵热水器推广应用面i 临的难题 空气源热泵热水器用于制取热水，具有较高的c o p ，但是目前空气源热泵 热水器的市场占有率并不高，推广应用面临着一些难题： 1 初投资比较高 热泵热水器的初投资高于常规的热水器，包括热泵装置的购买、安装、维 护等。对于消费者来说一般难以接受对于他们并不熟悉的产品。消费者一般乐 于接受成熟和主流的产品，因此对于商家来说如何说服客户选用热泵热水器这 一产品，这还得靠厂家的有关营销策略。 2 热泵热水器并不适合所有热水供应场合 某些场合，由于热水需求量很小，即使使用c o p 较大的热泵热水器，由于 热泵运行时间短，并不能在运行中将初投资弥补过来。 3 机组供热量受环境温度影响，机组容量确定困难 空气源热泵热水器的供热量受环境的影响比较大，所以冬季的热泵供热量 8 第l 章绪论 小于夏季的供热量，在冬季仅仅依靠热泵热水器提供的热量不能满足要求，所 以这时一般仍然需要配置辅助加热设备，对于具体的工程，如何确定热泵热水 器的容量、辅助加热设备的容量和储存水箱的容积使得初投资和运行成本最经 济，目前还没有成熟的设计方法，一般是依靠工程师的经验操作。 4 冬季蒸发器结霜问题 空气源热泵热水器冬季运行时，如果室外气温低于空气露点并且处于0 以下，蒸发器表面产生结霜，结霜带来一系列的不利影响。因此除霜的判断条 件、除霜方法和除霜控制方式的优化需要作进一步研究，从而提高除霜效率。 5 空气源热泵热水器冷量如何利用的问题 利用热泵热水器获取热水的同时，如果能够同时利用蒸发器处的冷量，将 提高系统的经济性。但是所面临的情况是：热泵机组完全满足热水要求的同时， 冷量不能满足要求，蒸发器提供的冷量只能减少空调负荷，为提供足够的冷量， 可额外配置一套风冷冷凝器。另外一个情况是要解决热水使用时间和冷量利用 时间不一致时的问题，此时面临如何确定热泵容量和存储水箱容积的最佳组合 问题。 6 能源价格的影响因素 能源价格对于热泵热水器的应用推广也具有很重要的影响。如果电价过高， 而煤和燃气的价格较低，此时热泵热水器对于业主来说并不显得能节约多少运 行费用。 1 3 本课题研究的主要内容 1 分析并建立空气源热泵热水器各主要部件的数学模型，其中包括：冷凝 器( 板式换热器) 、蒸发器( 翅片管式换热器) 、涡旋式压缩机、电子膨胀阀。 2 分析空气源热泵热水器的运行特性，研究电子膨胀阀开度、制冷剂流量、 室外环境温度、进水温度、蒸发器风量等参数对热泵热水器机组性能的影响。 3 分析r 1 3 4 a 、r 4 0 7 c 、r 4 1 0 a 、r 4 1 7 a 这四种r 2 2 替代工质的物性特点 及其与r 2 2 的主要热物性差别，分别对这几种工质进行热力计算和灌注式替代 仿真研究，为今后热泵热水器中环保型替代工质的选取提供参考。 4 针对空气源热泵热水器的运行特点，提出优化运行策略，并与其它热水 供应方式作对比，进行经济性评价。 9 第2 章空气源热泵热水器的上作原理和结构特点 第2 章空气源热泵热水器的工作原理和结构特点 2 1 热泵原理 热泵实质上是一种能源采掘机械，它以消耗一部分高质能( 机械能、电能 或高温热能等) 为补偿，通过热力循环，把环境介质( 空气、河水、海水乃至 大地中土壤等) 中储存的低质能量加以发掘进行利用。它的工作原理与制冷机 相同，都是按逆循环工作，所不同的是它们工作的温度范同和要求的效果不同。 制冷装置是将低温物体的热量传给自然环境，以造成低温环境；热泵则是从自 然环境中吸取热量，并将它输送到人们所需要温度较高的物体中去【强j 。 图2 1 热泵的基本能量转换示意图 由热力学第二定律可知，不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起 其它变化，因此，要完成上述的热量转移就要加入一部分有用的能量以帮助实 现此过程。图2 1 表示了这种系统的能量关系，即 鳊= q + e (