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畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
題目 ASHP－5HP戶式三功能空氣源熱泵機(jī)組樣機(jī)的設(shè)計
專業(yè) 學(xué)號 姓名
主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：
一、主要內(nèi)容
（1） 查閱、閱讀文獻(xiàn)資料，了解國內(nèi)外冷凝熱回收技術(shù)的研究現(xiàn)狀；
（2） 設(shè)計計算：冷凝熱回收水箱設(shè)計計算、冷凝器設(shè)計計算、蒸發(fā)器設(shè)計計算等；
（3） 選型：壓縮機(jī)、節(jié)流閥、水泵、膨脹罐、水流開關(guān)、四通換向閥、干燥過濾器、氣液分離器、高壓保護(hù)開關(guān)、低壓保護(hù)開關(guān)等；
（4） 設(shè)計圖繪制：冷凝熱回收水箱、風(fēng)冷換熱器、制冷系統(tǒng)圖等；
（5） 撰寫設(shè)計計算說明書。
二、基本要求
（1） 壓縮機(jī)額定功率為5HP，冷凝熱回收量占總冷凝熱的20％，據(jù)此進(jìn)行選型和計算；
（2） 設(shè)計的樣機(jī)應(yīng)實現(xiàn)一機(jī)三功能——供冷、供暖、供熱水，即夏季供冷和供熱水，冬季供暖和供熱水；
（3） 樣機(jī)輸送給室內(nèi)空調(diào)末端的是冷水（熱水），熱匯（熱源）為室外空氣；
（4） 冷凝熱回收水箱為內(nèi)置式，與樣機(jī)一體；
（5） 制冷系統(tǒng)應(yīng)滿足安全使用要求。
三、主要參考資料
（1） 季杰，裴剛等. 空調(diào)——熱水器一體機(jī)制冷兼制熱水模式的性能模擬和實驗分析[J]. 暖通空調(diào)，2003，33（2）：19－23.
（2） 季杰，裴剛等. 空調(diào)——熱水器一體機(jī)單獨(dú)制熱水模式的性能模擬和實驗分析[J]. 暖通空調(diào)，2004，34（12）：96－98.
（3） 胡張保. 小型三功能水源（地源）熱泵中央空調(diào)的試驗研究[D]．鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.
（4） 陳華，史德福，黃耀坤. 循環(huán)加熱式冷凝熱回收系統(tǒng)的實驗研究[J]. 建筑科學(xué)，2012，28（6）：41－45.
完 成 期 限：
指導(dǎo)教師簽名：
專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名：
年 月 日
本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目 ASHP-5HP戶式三功能空氣源
熱泵機(jī)組樣機(jī)的設(shè)計
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué) 號
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時間
5HP戶式三功能空氣源熱泵機(jī)組樣機(jī)的設(shè)計
摘 要
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)器和熱水器已走進(jìn)千家萬戶，成為現(xiàn)代生活必不可少的家用電器。由于人們對生活舒適性的要求逐步提高，對空調(diào)和熱水器技術(shù)不斷提出新的要求。因此空調(diào)和熱水器的新品層出不窮，性能也越來越優(yōu)良?？諝庠礋岜眉夹g(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理建立起來的一種節(jié)能、環(huán)保制熱技術(shù)。空氣源熱泵系統(tǒng)通過自然能（空氣蓄熱）獲取低溫?zé)崮?，?jīng)系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫?zé)崮埽麄€系統(tǒng)集熱效率甚高。利用空氣源熱泵同時實現(xiàn)制冷、制熱和制熱水的功能符合當(dāng)今社會對節(jié)能、環(huán)保、舒適、便捷的要求。
關(guān)鍵詞 空調(diào) 熱水器 空氣源熱泵 節(jié)能
ABSTRACT
With the rapid development of our national economy and the improvement of people’s living standards, Air conditioner and water heater has entered innumberable families, become indispensable household in modern life. Because of people’s life comfort requirements gradually improve , new requirements are proposed to air conditioner and water heater continuously. So, new commodities of air conditioner and water heater emerge in endlessly, whose performance are better and better. Air source heat pump technique is a kind of energy-saving and environment-friendly heating technique which based on the principle of reverse carnot cycle. Air source heat pump system obtain low temperature energy from air and transform it into high temperature energy. The hole system has a quite high heat-collecting efficiency. Using air source heat pump realize the function of cooling, heating and hot water at the same time fit the requirement of energy saving ,environmental protection, comfortable and convenient.
KEY WORDS: air conditioner, water heater, air source pump, energy-saving
-tank
II
目 錄
中文摘要 I
英文摘要 II
1 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 空氣源熱泵系統(tǒng)的工作原理 1
1.4 空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點 3
1.5 空氣源熱泵應(yīng)用及研究現(xiàn)狀 4
1.5.1 空氣源熱泵在國內(nèi)的發(fā)展情況 4
1.5.2 空氣源熱泵在國外的發(fā)展新情況 8
1.6 空氣源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析 9
1.7 世界各國空氣源熱泵近期市場發(fā)展概況 10
1.8 空氣源熱泵的應(yīng)用前景 14
2 方案的選擇與論證 16
2.1 制冷劑的論證 16
2.1.1 制冷劑的分類 16
2.1.2 制冷劑性質(zhì)要求 17
2.1.3 制冷劑的選用原則 18
2.1.4 選擇制冷劑 19
2.1.5 制冷劑R22的性質(zhì) 19
2.2 壓縮機(jī)的選擇 19
2.2.1 制冷壓縮機(jī)的功能 19
2.2.2 壓縮機(jī)的種類 20
2.2.3 各類壓縮機(jī)的比較 21
2.2.4 選擇壓縮機(jī) 25
2.3 換熱器的選擇 25
2.3.1冷凝器的選擇 25
2.3.2 蒸發(fā)器的選擇 25
3 設(shè)計計算 27
3.1 熱力計算及壓縮機(jī)選型 27
3.2 冷凝器的設(shè)計計算 31
3.2.1 套管冷凝器 31
3.2.2 翅片管冷凝器 31
3.3 蒸發(fā)器的設(shè)計計算 35
3.4 水箱的設(shè)計 39
3.4.1 水箱相關(guān)參數(shù)計算 39
3.4.2 水箱隔熱層設(shè)計計算 39
3.4.2 水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 40
4 輔助設(shè)備的選擇設(shè)計 41
4.1 節(jié)流閥的選用 41
4.1.1 節(jié)流過程的特點 41
4.1.2 節(jié)流閥 41
4.1.3 熱力膨脹閥的工作原理與特性 42
4.2 水泵的選型 46
4.2.1 水泵的簡介 46
4.2.2 水泵的設(shè)計與選擇 47
4.3 膨脹罐的選型 48
4.4 水流開關(guān)的選型 49
4.5 四通換向閥的選型 50
4.6 干燥過濾器的選型 52
4.7 氣液分離器的選型 53
4.8 高壓保護(hù)開關(guān)的選型 55
4.9 低壓保護(hù)開關(guān)的選型 55
4.10 單向閥的選型 56
結(jié)束語 57
致謝 58
參考文獻(xiàn) 59
ASHP-5HP戶式三功能空氣源熱泵機(jī)組樣機(jī)的設(shè)計
1 緒論
1.1 概述
三功能空氣源熱泵機(jī)組由主機(jī)、水箱、循環(huán)泵組成，通過循環(huán)把主機(jī)產(chǎn)熱帶入水箱，對水箱的水逐漸升溫加熱，水系統(tǒng)的工作情況直接影響到整體效果，所以我們稱之謂空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。常用的系統(tǒng)有直接大循環(huán)式和定溫放水式兩種不同形式。直接大循環(huán)又有一次加水加熱放水和不間斷使用補(bǔ)水兩種。定溫放水由加熱水箱和儲熱水箱組成，加熱水箱有不承壓定溫完全放水和承壓不間斷自動補(bǔ)水頂水放水式兩種。這些系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，通過分析2T熱泵熱水小系統(tǒng)的特性，發(fā)現(xiàn)在加熱的過程中，水溫越低能效比COP值越高，隨著水溫的升高COP值在降低，相同外部工況下同等的水從20℃加熱到50℃時段與50℃升高到60℃時段所耗用的能量接近。最后選用加熱水箱定溫全放水方式，控制系統(tǒng)雖然較復(fù)雜，但每加熱一箱水都是從冷水初始溫度到設(shè)定溫度全過程加熱充分發(fā)揮熱泵輸入功率隨溫升變化的特點COP值較高，節(jié)能效果明顯。加之冬季機(jī)組間斷工作不易結(jié)霜。
在實際生活中，人們的需求是多方面的，比如在夏天，人們需要空調(diào)制冷的同時又需要衛(wèi)生熱水；在冬天，人們既需要供暖也需要熱水。這就為多功能熱泵空調(diào)熱水器的研發(fā)帶來了市場依據(jù)。
多功能熱泵空調(diào)熱水器是將熱泵空調(diào)與熱水器結(jié)合在一起，夏季通過室內(nèi)蒸發(fā)器實現(xiàn)對室內(nèi)空氣的降溫、降濕的同時利用冷凝器中的熱量生產(chǎn)熱水，在不需使用空調(diào)的春秋季節(jié)則可以作為熱泵熱水器使用；在冬季實現(xiàn)熱泵空調(diào)器供暖目的的同時通過切換還可實現(xiàn)供應(yīng)熱水的目的。
并以此系統(tǒng)搭建實驗臺，得出結(jié)論:將熱泵熱水器與空調(diào)聯(lián)合的思路是合理的，并已實現(xiàn)了一套多種用途裝置。試驗的空氣源熱泵熱水器樣機(jī)已實現(xiàn)了初步的試驗運(yùn)行，夏季能效比最大可達(dá)到3.85，平均在3.0以上。冬季出水溫度在50℃時制熱水能效比平均在2.0左右即使接近60℃時仍可達(dá)到1.5左右。
1.2 空氣源熱泵系統(tǒng)的工作原理
1.2.1空氣源熱泵原理
機(jī)組運(yùn)行基本原理依據(jù)是逆卡循環(huán)原理，液態(tài)工質(zhì)首先在蒸發(fā)器內(nèi)吸收空氣中的熱量而蒸發(fā)形成蒸汽(汽化)，汽化潛熱即為所回收熱量，而后經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，進(jìn)入冷凝器內(nèi)冷凝成液態(tài)(液化)把吸收的熱量發(fā)給需要的加熱的水中，液態(tài)工質(zhì)經(jīng)膨脹閥降壓膨脹后重新回到膨脹閥內(nèi)，吸收熱量蒸發(fā)而完成一個循環(huán)，如此往復(fù)，不斷吸收低溫源的熱而輸出所加熱的水中，直接達(dá)到預(yù)定溫度。
空氣源熱泵組成：通常由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥4部分構(gòu)成，傳熱工質(zhì)在機(jī)組內(nèi)封閉運(yùn)行，并通過冷凝器和蒸發(fā)器與外部發(fā)生熱交換。
1.2.2 空氣源熱泵供暖原理
在制熱時，液態(tài)制冷劑在空氣換熱器中汽化，吸收空氣中的熱量，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏簹怏w送至水換熱器。由于制冷劑的溫度高于水的溫度。制冷劑從氣態(tài)冷卻為液態(tài)，液體制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流后，在壓力作用下進(jìn)入空氣換熱器，低壓氣體制冷劑再次汽化，完成一次循環(huán)。在這個循環(huán)中，隨著制冷劑狀態(tài)的變動，實現(xiàn)了熱量從空氣側(cè)向水側(cè)的轉(zhuǎn)移。
圖1-1 制熱原理圖
1.2.3 空氣源熱泵制冷原理
在制冷時，液態(tài)制冷劑在水換熱器中汽化，使水溫降低。低溫低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，進(jìn)入空氣換熱器，由于制冷劑溫度高于空氣溫度，制冷劑向空氣傳熱，制冷劑經(jīng)氣體冷凝為高壓液體，高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入水換熱器，低壓液體制冷劑再次汽化，完成一個循環(huán)。在這個循環(huán)過程中，隨著制冷劑狀態(tài)的變動，實現(xiàn)了熱量從水側(cè)向空氣側(cè)的轉(zhuǎn)移。
圖1-2 空氣源熱泵原理系統(tǒng)圖
1.4 空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
1.4.1 設(shè)計先進(jìn)
通過計算機(jī)仿真測試實驗室，模擬各種惡劣環(huán)境的運(yùn)行，調(diào)試評估出機(jī)組系統(tǒng)的最優(yōu)化配置方案及機(jī)組最合理的COP值。運(yùn)用現(xiàn)代計算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合設(shè)計風(fēng)道系統(tǒng)，有效減少高頻噪音。
1.4.2 智能控制
強(qiáng)大的微電腦控制功能，徹底解決系統(tǒng)運(yùn)行的安全問題，能夠智能化的向終端用戶提供連續(xù)、穩(wěn)定的衛(wèi)生熱水。
1.4.3 高端配置
熱力膨脹閥本身具有很大的調(diào)節(jié)能力，從而更保證了更強(qiáng)的節(jié)流能力；管翅片熱交換器采用內(nèi)螺紋銅管，翅片采用親水鋁箔，具有高效的熱交換性能，從而增大其換熱量；機(jī)組冷凝器采用進(jìn)口高效優(yōu)質(zhì)的螺旋銅管制作，換熱能力充足，能效比更高；擁有專利的融霜控制技術(shù)，保證機(jī)組具有良好的制熱性能，除霜更快更徹底；確保機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
1.4.4 高效節(jié)能
空氣源熱泵是通過大量獲取空氣中免費(fèi)熱能，消耗的電能僅僅是壓縮機(jī)用來搬運(yùn)空氣能源所用的能量，因此熱效率高達(dá)380%—600%，制造相同的熱水量，空氣源熱泵的使用成本只有電熱水器的1/4，燃?xì)鉄崴鞯?/3，太陽能熱水器的1/2。高熱效率是空氣源熱泵最大的特點和優(yōu)勢，在能源問題成為世界問題時，這是空氣源熱泵成為“第四代熱水器”的最重要的法寶之一。
圖1-3 熱泵原理圖
1.4.5 綠色環(huán)保、安全可靠
空氣源熱泵獨(dú)特的使用原理，實現(xiàn)其在工作過程中徹底水電分離，從根本上杜絕漏電事故；并且由于其在使用過程中無需任何燃料輸送管道，沒有燃料泄露等引起火災(zāi)、爆炸、中毒等危險；同時，空氣源熱泵在工作過程中沒有任何有毒氣體、溫室氣體和酸雨氣體排放，也沒有費(fèi)熱污染。這些也成為空氣源快速發(fā)展鋪墊了寬闊的道路。
1.4.6 全天候方便使用
空氣源熱泵由于體積相對較小，可以安裝在浴室、陽臺和外墻等處，實現(xiàn)使用的無限制性；并且空氣源熱泵由微電腦控制自動運(yùn)行，無需專人職守，保證全天候熱水供應(yīng)，同時結(jié)合其定時開關(guān)功能實現(xiàn)低谷用電，實現(xiàn)更節(jié)約的使用效果。
1.4.7 全方位保護(hù)
機(jī)組有全方位的保護(hù)系統(tǒng)、各種參數(shù)查詢、故障查詢、系統(tǒng)參數(shù)查詢等功能 ，動行安全可靠、方便 ，真正做到無需人員值守，節(jié)省開支。
1.5 空氣源熱泵應(yīng)用及研究現(xiàn)狀
1.5.1 空氣源熱泵在國內(nèi)的發(fā)展情況
早在上個世紀(jì)50年代，我國就已經(jīng)開始空氣源熱泵方面的研究工作?？諝庠礋岜脩?yīng)用于寒冷地區(qū)冬季制熱時，系統(tǒng)制熱量隨著室外溫度的降低而迅速下降。同時，隨著吸氣壓力的降低，壓縮機(jī)壓力比迅速升高，導(dǎo)致排氣溫度急劇上升。解決空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性，主要應(yīng)從以下幾方面著手研究：增加低溫工況下系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)量、控制機(jī)組排氣溫度、優(yōu)化機(jī)組壓縮機(jī)內(nèi)部的工作過程、選用適用于大工況范圍的制冷劑。通常在同一個低溫空氣源熱泵系統(tǒng)中綜合了多個解決途徑。
1.5.1.1 單級低溫?zé)岜孟到y(tǒng)
在室外溫度為-30℃，冷凝溫度為60℃的工況下，采用專為低溫制冷設(shè)計的壓縮機(jī)的單級熱泵系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定運(yùn)行。這種壓縮機(jī)主要采用R507、R404為工質(zhì)，在大壓縮比下仍可穩(wěn)定運(yùn)行，不會因過熱而停機(jī)。但是相對其他低溫?zé)岜孟到y(tǒng)來說，它的COP 相對較低。同時，由于壓縮機(jī)專為低蒸發(fā)壓力工況設(shè)計，在較高室外氣溫下其性能降低。隨著室外溫度的升高，系統(tǒng)的制熱量逐漸增加，但是室內(nèi)采暖熱負(fù)荷減小，這使得熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時間短，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行效率。單級低溫?zé)岜孟到y(tǒng)可以綜合變頻技術(shù)、并聯(lián)壓縮機(jī)或可替換壓縮機(jī)方式、蓄熱系統(tǒng)，但是這樣會增加單級系統(tǒng)的投資，從而丟掉了其最大的優(yōu)點—低廉的安裝費(fèi)用。
1.5.1.2 帶油冷卻的單級壓縮熱泵系統(tǒng)
在壓縮過程中使用在排氣管路中分離出的大量的油來降低制冷劑溫度是另一種降低排氣溫度的方法。冷卻過程發(fā)生在冷凝器中，換熱后的油回到壓縮機(jī)油路進(jìn)口。較低的排氣溫度使得壓縮機(jī)輸入功率減小，同時系統(tǒng)在較低的吸氣壓力下進(jìn)行。但是油的溫度高于蒸發(fā)溫度，因而增加了系統(tǒng)過熱度，從而增加壓縮機(jī)功耗，同時降低了系統(tǒng)COP。總之，如果系統(tǒng)設(shè)計合理，在不用過多增加安裝費(fèi)用的情況下可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并且可以在較低室外溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。
1.5.1.3 帶中間冷卻器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)
帶中間冷卻器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)流程見下圖2。這種系統(tǒng)主要是應(yīng)用于蒸發(fā)溫和冷凝溫度相差較大的工況，并且在室外氣溫較高時可以單獨(dú)使用一個壓縮機(jī)，從而減少制熱量。通過兩級壓縮之間對制冷劑的冷卻，第二級壓縮后的排氣溫度明顯降低，這使得空氣源熱泵運(yùn)行的溫度適應(yīng)性大大提高。但是由于中間冷卻器是由循環(huán)熱水來進(jìn)行冷卻，這樣冷卻器的溫度較高，低壓級壓縮機(jī)的制冷劑不能被冷卻至飽和狀態(tài)，這樣會使得系統(tǒng)運(yùn)行不能達(dá)到最佳COP。
圖1-4 帶二級壓縮系統(tǒng)的熱泵原理圖
1.5.1.4 帶經(jīng)濟(jì)器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)
帶經(jīng)濟(jì)器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)流程見圖3。在帶經(jīng)濟(jì)器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)高壓級壓縮機(jī)吸氣處，一定量的兩相制冷劑與低壓級壓縮機(jī)排出的高溫氣態(tài)制冷劑相混合。這樣壓縮機(jī)排氣溫度過高現(xiàn)象得以解決，同時，由于經(jīng)濟(jì)器中的換熱，使得從冷凝器出來的制冷劑在進(jìn)入膨脹閥之前過冷，從而提高系統(tǒng)的COP。但是該系統(tǒng)要準(zhǔn)確控制好進(jìn)入高壓級壓縮機(jī)制冷劑狀態(tài)。帶經(jīng)濟(jì)器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)相對于其他低溫?zé)岜孟到y(tǒng)有較高的運(yùn)行效率。但是它的安裝費(fèi)用較高，在逆運(yùn)行除霜及空調(diào)用方面有一定的局限性。
這種壓縮機(jī)主要采用R507、R404為工質(zhì)，在大壓縮比下仍可穩(wěn)定運(yùn)行，不會因過熱而停機(jī)。但是相對其他低溫?zé)岜孟到y(tǒng)來說，它的COP相對較低。同時，由于壓縮機(jī)專為低蒸發(fā)壓力工況設(shè)計，在較高室外氣溫下其性能降低。隨著室外溫度的升高，系統(tǒng)的制熱量逐漸增加，但是室內(nèi)采暖熱負(fù)荷減小，這使得熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時間短，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行效率。
該系統(tǒng)完全可以取代雙級壓縮系統(tǒng)。但是螺桿機(jī)組容量一般較大，同時其相對于雙級壓縮系統(tǒng)的優(yōu)點隨蒸發(fā)溫度的上升而不明顯，長期以來它的研究僅僅局限于低溫制熱情況。帶輔助進(jìn)氣口的渦旋壓縮機(jī)實現(xiàn)帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵于2000 年被提出，用來提高空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能。經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)分為過冷器系統(tǒng)和閃發(fā)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需對常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行很大改造。
冷過程發(fā)生在冷凝器中，換熱后的油回到壓縮機(jī)油路進(jìn)口。較低的排氣溫度使得壓縮機(jī)輸入功率減小，同時系統(tǒng)在較低的吸氣壓力下進(jìn)行。
圖1-5 系統(tǒng)和壓焓圖
1.5.1.5 帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)
在80年代中期國內(nèi)學(xué)者提出了帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)，并在螺桿機(jī)組中得到成功應(yīng)用。經(jīng)研究，在-30℃工況下，該系統(tǒng)完全可以取代雙級壓縮系統(tǒng)。但是螺桿機(jī)組容量一般較大，同時其相對于雙級壓縮系統(tǒng)的優(yōu)點隨蒸發(fā)溫度的上升而不明顯，長期以來它的研究僅僅局限于低溫制熱情況。帶輔助進(jìn)氣口的渦旋壓縮機(jī)實現(xiàn)帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵于2000 年被提出，用來提高空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能。經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)分為過冷器系統(tǒng)和閃發(fā)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需對常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行很大改造。在較低環(huán)境溫度時能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且制熱量能夠滿足冬季采暖熱負(fù)荷。通過啟閉補(bǔ)氣回路的截止閥來實現(xiàn)準(zhǔn)二級壓縮模式與單級壓縮模式之間的轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)在正常制熱、制冷及低溫制熱工況下的經(jīng)濟(jì)性得到較好兼顧。
1.5.1.6 雙級耦合熱泵系統(tǒng)
雙級耦合熱泵系統(tǒng)由一級側(cè)循環(huán)( 空氣—水熱泵機(jī)組) 和二級側(cè)循環(huán)( 水—水熱泵機(jī)組) 通過中間水環(huán)路耦合在一起，其流程見圖6。該系統(tǒng)可根據(jù)室外氣溫進(jìn)行單、雙級交替運(yùn)行，使其可以很好地適應(yīng)室內(nèi)負(fù)荷波動。在雙級工況下，一級側(cè)循環(huán)運(yùn)行條件和供暖特性均得以有效改善，且中間水環(huán)路不存在回灌等技術(shù)難題。因此，雙級耦合熱泵系統(tǒng)也是一種適用于寒冷地區(qū)的新型供暖系統(tǒng)。
圖1-6 供暖系統(tǒng)圖
1.5.2 空氣源熱泵在國外的發(fā)展新情況
據(jù)業(yè)內(nèi)專家介紹，熱泵熱水器已經(jīng)在海外發(fā)展多年，空氣源熱泵技術(shù)早在1924年就已在國外發(fā)明。然而在很長的一段時間里并沒有被人們充分地認(rèn)識和運(yùn)用。直到20世紀(jì)60年代，世界能源危機(jī)爆發(fā)，熱泵熱水器才受到充分的重視，歐美發(fā)達(dá)國家的政府和企業(yè)都投入了大量的資金用于開發(fā)熱泵熱水器產(chǎn)品，目前，熱泵熱水器在歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)比較成熟。
據(jù)記者了解，在大多數(shù)歐美發(fā)達(dá)國家，熱泵產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了大多數(shù)家庭。澳大利亞Quantum公司，從上世紀(jì)70年代生產(chǎn)出家用空氣源熱泵產(chǎn)品至今，有的產(chǎn)品已正常運(yùn)行了十幾年，其性能得到了用戶的肯定。現(xiàn)在，國外的空氣能熱泵熱水器市場已經(jīng)相當(dāng)成熟，在有的發(fā)達(dá)國家使用的比例高達(dá)70%。
而日本、新加坡、馬來西亞等與中國毗鄰的國家，熱泵熱水器使用也比較普遍。特別是日本，具備節(jié)能優(yōu)勢的熱泵熱水器近年來使用量急速上升。據(jù)了解，熱泵熱水器從2001年開始進(jìn)入日本家庭，日本資源能源廳對熱泵蓄熱空調(diào)系統(tǒng)給予設(shè)備投資補(bǔ)助，到2005年4月，日本已經(jīng)有2.1萬座樓房使用了熱泵熱水器。
在日本，這種產(chǎn)品進(jìn)一步普及的主要困難是價格太貴，每臺熱泵熱水器售價60萬日元(1美元約合110日元)，即使有政府補(bǔ)助，也比一般熱水器貴15萬日元。目前，各制造廠家正在想方設(shè)法降低制造成本，使熱泵熱水器的價格更能讓人接受。同時，政府也正在增加補(bǔ)貼，促進(jìn)熱泵式熱水器市場的發(fā)展。
據(jù)日本制冷工業(yè)協(xié)會(JRA)有關(guān)人員介紹，2006年，日本政府對熱泵熱水器的補(bǔ)貼預(yù)算高達(dá)125億日元，比2004年增長了55億日元。到2010年，日本計劃全國熱泵熱水器的使用量要達(dá)到520萬臺。此外，三洋、三菱等企業(yè)已經(jīng)配套開發(fā)了一系列適合熱泵熱水器的壓縮機(jī)及其配套技術(shù)。
1.6 空氣源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
空氣源熱泵供熱與燃煤鍋爐供熱相比無煙塵和煤灰污染，并可減少對環(huán)境的熱污染、減輕城市的熱島效應(yīng)，具有明顯的環(huán)保效益。我國現(xiàn)有的生產(chǎn)水平和研制、開發(fā)能力與國外相比還有一定的差距，剛處于該項技術(shù)的起步階段。改革開放加強(qiáng)了國內(nèi)外的信息交流與技術(shù)交流，有關(guān)熱泵產(chǎn)品的直接進(jìn)口和技術(shù)引進(jìn)以及獨(dú)立自主的開發(fā)研制正在迅速縮短這種差距。用美國某空氣-空氣熱泵針對北京地區(qū)(處于Ⅲ區(qū))氣象條件計算的最佳HSPF值為2.13。另有文獻(xiàn)給出上海地區(qū)(處于Ⅴ區(qū))使用的日本某空氣源-水熱泵其HSPF可達(dá)3.2，該熱泵投資折合成空調(diào)器附加投資小于200元/kW。標(biāo)定出力大的熱泵其單位供熱量的投資較小，性能系數(shù)也較高。綜上所述，可得出以下結(jié)論：
在我國目前的技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)條件下單純采用空氣源熱泵進(jìn)行供熱與鍋爐供熱系統(tǒng)相比是不經(jīng)濟(jì)的。
空氣源熱泵比電加熱節(jié)能，且冷熱兩用時較電加熱經(jīng)濟(jì)。因此需要冬季供熱夏季空調(diào)的場所不應(yīng)用電加熱為供熱手段，而應(yīng)采用熱泵型空調(diào)器。
我國Ⅲ區(qū)及其以北地區(qū)氣候較寒冷，對空氣源熱泵要求較高，且與鍋爐供熱系統(tǒng)相比節(jié)能效果不明顯，冬季運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。因此這些地區(qū)應(yīng)仍以傳統(tǒng)的燃煤供熱系統(tǒng)為主，一般情況下不宜采用空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行夏季空調(diào)冬季供熱。
在我國的Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ區(qū)空氣源熱泵的HSPF值一般較高，當(dāng)各區(qū)的HSPF值相應(yīng)大于2.9、2.7、2.5時，空氣源熱泵供熱不僅要比鍋爐系統(tǒng)節(jié)能，而且在經(jīng)濟(jì)上可以和鍋爐系統(tǒng)競爭。小型窗式熱泵因投資較低，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于鍋爐系統(tǒng)。小型分體式熱泵的經(jīng)濟(jì)性略比鍋爐系統(tǒng)差。綜合考慮節(jié)省空間和環(huán)保衛(wèi)生效益，總體上小型空氣源熱泵冷熱兩用將優(yōu)于燃煤鍋爐系統(tǒng)。
大中型空氣源熱泵的COP值較高，單位供熱量投資較小，在Ⅴ區(qū)及其以南地區(qū)使用，其能耗及經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)，故在要求空調(diào)供熱的場所，如賓館、飯店等，應(yīng)作為首選方案進(jìn)行考慮。
第Ⅳ區(qū)是具有應(yīng)用空氣源熱泵潛力的地區(qū)。大中型空氣源熱泵冷熱兩用在能耗上要優(yōu)于空調(diào)-鍋爐系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)上前者對后者有較強(qiáng)的競爭力。在要求空調(diào)供熱的場所，大中型熱泵方案要作為重要方案進(jìn)行分析，隨著小型空氣源熱泵性能及可靠性的提高，小型空氣源熱泵供熱空調(diào)將在該地區(qū)形成一定市場。
1.7 世界各國空氣源熱泵近期市場發(fā)展概況
1.7.1 歐洲
直到最近，僅僅在地中海國家，如歐洲的西班牙，法國南部，意大利和希臘等都建立起熱泵的穩(wěn)定的市場。但由于熱泵價格下降和性能改進(jìn)，同時由于石油和電力價格的攀升以及與能源有關(guān)的稅收增加和環(huán)境考慮的日益關(guān)切，熱泵市場已經(jīng)在最近開始在歐洲全面增長。在許多國家里，已經(jīng)預(yù)測熱泵市場將會在下一個十年中年增長超10%以上。在許多國家中熱泵已被看成是節(jié)能和減低排放的一項重要措施，已經(jīng)成為總能和環(huán)境規(guī)劃以及政策制訂的一項重要因素。在反應(yīng)最強(qiáng)烈的國家里熱泵市場預(yù)期的年增長率在2000～2010年間是在15至40%范圍內(nèi)。政策和法規(guī)：歐盟和一些歐洲國家，如挪威，法國和芬蘭已經(jīng)頒布一些法規(guī)和獎勵政策，來推廣熱泵的應(yīng)用。歐盟關(guān)于建筑用能的指令性文件已在2003年4月的官方雜志上發(fā)表。該文件的總目標(biāo)是推進(jìn)共同體內(nèi)建筑用能的改進(jìn)，不但要考慮室外氣候和本地條件，也要考慮室內(nèi)氣候的要求和成本的有效性。
文件中的第一章的5項關(guān)鍵條款規(guī)定了:所有新建筑的用能量最小化；進(jìn)行重大更新的現(xiàn)有大型建筑的用能量最小化；所有建筑的用能要有批準(zhǔn)的證明(提供公共服務(wù)的經(jīng)常有人參觀的建筑需在顯著部位展示用能的證明);建筑內(nèi)的鍋爐和空調(diào)系統(tǒng)要進(jìn)行定期的強(qiáng)制性檢查;此外，對使用年限超過15年的老鍋爐的取暖設(shè)備要進(jìn)行評估和對建筑綜合用能的計算方法提出總的準(zhǔn)則。每個歐盟成員國都必須在2006年初將指令轉(zhuǎn)變?yōu)榉桑⒃试S有3年時間來達(dá)到各別條文的要求。該指令對歐洲的所有建筑(包括家用和非家用)的業(yè)主，經(jīng)營者和開發(fā)商都具有深遠(yuǎn)的意義，且將對和建筑有關(guān)的能效的改變起到重大的作用。為了鼓勵再生能源的開發(fā)，法國政府立法對那些使用再生能源的公司進(jìn)行稅收方面的獎勵。從2006年開始，這些獎勵已經(jīng)增加了20%。由于政策的鼓勵，熱泵的銷量獲得巨大的增長，根據(jù)法國熱泵協(xié)會提供的數(shù)據(jù)，多聯(lián)式空調(diào)器的銷售量在2007年的頭4個月中增加了一倍。
1.7.2 日本
在日本，上世紀(jì)70年代就向市場提供冷熱兼用的空調(diào)器，然后在80年代提供變頻空調(diào)器、變頻運(yùn)行的出現(xiàn)可以達(dá)到高轉(zhuǎn)速而在短時間內(nèi)達(dá)到預(yù)定的溫度，而轉(zhuǎn)速降低時可以降低能耗。這就可具有較高的功率和顯著的節(jié)能。在90年代初期房間空調(diào)器的性能效率COP已達(dá)到7，相當(dāng)于燃燒式設(shè)備的效率。此外，在1999年生效的修訂的節(jié)能法促進(jìn)了制造商之間的競爭去努力開發(fā)高效率的家用器具。結(jié)果使效率COP達(dá)到接近7。因此，由于這種快速變化，加上熱泵空調(diào)器功率下降至10年前大約一半左右使它能加熱一個同樣面積所耗費(fèi)的費(fèi)用相當(dāng)與燃油或燃?xì)獾娜∨O(shè)備費(fèi)用的一半。
表1-1 2005年日本家庭能耗分爭
制冷 2%
制暖 27%
家用熱水 29% 廚房 8%
動力 34%
對日本空調(diào)器公司來說，將熱泵應(yīng)用于寒冷地區(qū)曾是一個大問題。有些公司已經(jīng)開發(fā)成功用于寒冷地區(qū)的高性能的商用空氣-空氣熱泵。該熱泵采用直流變速驅(qū)動的渦旋式壓縮機(jī)以提高效率。三菱重工上市的ZUBADAN系列作了很大的改進(jìn)，使在室外溫度下降至-15℃時也能維持額定制熱量而且還能在-25℃時有很好的性能。它是采用一種液體噴射使這種制熱運(yùn)行成功可能。日立也上市IVX系列立柜空調(diào)器，能滿負(fù)荷行于-15℃室外溫度且能在-25℃室外溫度時正常運(yùn)行。大金最近和五家電力公司合作開發(fā)并在最近上市了在寒冷氣候使用的VRV系統(tǒng)。三洋也推出寒冷氣候用的商用空調(diào)器，采用他們自己開發(fā)的“超級熱交換器”和關(guān)鍵技術(shù)如直流雙滾動轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)和變頻控制，實現(xiàn)了在低室外溫度下提供和煤油取暖器一樣的制熱量和穩(wěn)定的制熱運(yùn)行。東芝推出“Super Power EcoDantaro”系列熱泵空調(diào)器，用于商店和辦公室，能在室外溫度- 25℃下仍能正常工作。該產(chǎn)品采用高效直流雙滾動轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)和一稱為“PowerHeat Eva”的技術(shù)，能從室外吸收更多熱量。
對于熱水器市場， ECOCUTE系統(tǒng)的家用市場在2006年約為50萬臺，其中約一半是415kW產(chǎn)品，而910kW的產(chǎn)品最近成為更普遍了。政府已采以幾項鼓勵方法來擴(kuò)大市場。預(yù)計至2010年將有累計520萬臺的銷量。熱水器的應(yīng)用已經(jīng)從家庭擴(kuò)大至小型商店，咖啡廳，學(xué)校，醫(yī)院和小旅館。最近在日本舉辦的展覽會上三菱重工，松下和大金都展示他們的商用ECOCUTE系統(tǒng)。東芝開利也開發(fā)成功大容量HFC系列熱器。大金，松下，三菱重工，東芝和開利都也開發(fā)了他們自己的地板取暖產(chǎn)品。松下開發(fā)的熱泵洗衣烘干機(jī)和三菱重工開發(fā)的融雪用的熱泵道路加熱器都是熱泵新的應(yīng)用成果。
1.7.3 中國
1.7.3.1 熱泵空調(diào)器
中國熱泵空調(diào)器的市場容量約為1500萬臺/年，占總市場的70%。產(chǎn)量的增加導(dǎo)致成本下降，熱泵房間空調(diào)器已接近單冷空調(diào)器，而熱泵的性能也正大大提高了。因此熱泵空調(diào)器即便在像華北和東北那樣的寒冷地區(qū)也變得普遍起來了。為了促進(jìn)節(jié)能，中國政府已經(jīng)制定了房間空調(diào)器、冷水機(jī)組和單元式空調(diào)器的能效等級。對于柜式空調(diào)市場，像‘格力’和‘美的’那樣的大型空調(diào)器制造商都已開發(fā)成功采用谷輪公司技術(shù)可以正常使用于寒冷地區(qū)的熱泵空調(diào)器。許多推出變流量VRF系統(tǒng)產(chǎn)品的日本和中國的公司也是熱泵機(jī)組。
1.7.3.2 燃?xì)鉄岜煤推渌?
近年來房地產(chǎn)市場有了迅速發(fā)展。每年新增建筑面積達(dá)15億至20億平方米。房間取暖約占建筑能耗的65%。在東北等寒冷地區(qū)每年需取暖的時間長達(dá)4到6個月。這些因素已為熱泵提供非常好的機(jī)會。
中國官方頒布的再生能源法在2006年起實施。許多城市也都出臺一系列政策來鼓勵采用熱泵系統(tǒng)。例如北京政府為那些選擇熱泵系統(tǒng)的建筑，根據(jù)市政規(guī)劃委員會測量的面積提供一些經(jīng)濟(jì)上的補(bǔ)助。對地表水源熱泵系統(tǒng)提供每平方米35元的補(bǔ)助而對燃?xì)鉄岜煤屠迷偕臒岜脛t提供每平方米的50元的補(bǔ)助。大連市已經(jīng)被選定為海水源熱泵的試點城市。該城市約有超過500萬平方米的建筑將由海水源熱泵提供取暖和制冷。國家將提供70%的資金。東北最大城市沈陽也已制定了推廣燃?xì)鉄岜玫木唧w規(guī)劃，幾乎所有在2007年建成的新建筑采用燃?xì)鉄岜脕砣∨Ｇ鄭u市也開始大量推廣海水源熱泵。一些地方政府也出臺鼓勵蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的政策。2006年中國約有400項大工程采用蓄冷技術(shù)。其中主要工程在浙江、北京、江蘇、山東、上海等地。
1.7.4 美國
熱泵是在上世紀(jì)50年代進(jìn)入家庭取暖市場的。當(dāng)時是從集中式空調(diào)器中增加了換向閥和一些工廠配件改制而成，可以在溫和的氣候下提供取暖。在美國單元式空調(diào)器中約有15%是熱泵型，2006年熱泵空調(diào)器銷售量約190萬臺。至2007年由于氣候和房地產(chǎn)市場的緩慢下降，會有20%的市場減退。在該國單冷空調(diào)器仍主導(dǎo)著空調(diào)器的市場。但是，在那些至今尚未使用空調(diào)器的地區(qū)會有熱泵的市場機(jī)遇的。一個很好的例子是，在餐館的候餐室安裝一臺無風(fēng)管的分體熱泵可以提供制冷和取暖的。
日本的空調(diào)器制熱泵空調(diào)器造商已經(jīng)開始注意到美國的多聯(lián)式熱泵市場了。三菱重工已經(jīng)嘗試在美國市場推廣其產(chǎn)品有多年了。該公司的多聯(lián)式機(jī)組已經(jīng)開始為美國所認(rèn)可了。公司也正在改進(jìn)其ZUBADAN系列產(chǎn)品使其更適合美國的氣候。大金這個最大的多聯(lián)式制造商已經(jīng)從2005年11月份開始在美國銷售多聯(lián)式機(jī)組。該公司在2007年美國展覽會上展示了其水2空氣多聯(lián)式熱泵空調(diào)機(jī)組(VRVWII)，說明該公司正強(qiáng)化其在美國的市場開發(fā)。富士通正在美國市場開發(fā)方面采取積極行動。該公司正銷售其無風(fēng)管空調(diào)器并取得顯著成功。由于美國在2006年實施了更嚴(yán)格的效率法規(guī)(SEER從10升至13)，其高性能的小型分體“Halcyon”系列已獲得更大的推廣。此外，該公司銷往美國的5種型號的產(chǎn)品獲得了“節(jié)能星級標(biāo)志”。三洋考慮到多聯(lián)式業(yè)務(wù)能對日本制造商帶來商機(jī)，正小心地觀察中。該公司2007年在亞特蘭大市設(shè)立了技術(shù)中心。
1.7.5 澳大利亞
澳大利亞北部是熱帶氣候，在南部則有著寒冷的冬季和暖和的夏季的干燥氣候。在北方主要使用單冷空調(diào)器而在南方則使用熱泵空調(diào)器。因為北方人口稀少，這個國家的主要產(chǎn)品是熱泵空調(diào)器。在2006年空調(diào)器市場估計約80萬臺。有著市場87%的份額的無風(fēng)管分體空調(diào)器獨(dú)占著市場，其中80%則是熱泵空調(diào)器。美國式樣的帶風(fēng)管分體機(jī)市場不如日本的用于家庭和商用帶風(fēng)管的小型分體機(jī)那樣的快速增長。在過去5年里熱泵機(jī)組和單冷機(jī)組的差價下降。業(yè)內(nèi)人士估計會使美國式樣的大型的帶風(fēng)管分體熱泵機(jī)組的總銷售量升至95%。只有北方有少量單冷機(jī)組的銷售量。
富士通在市場容量上居首位而大金則是在銷售金額上第一。競爭愈來愈激烈，富士通、大金、LG、松下、三菱重工和其他廠商之間正竭力競爭中。中國的品牌已經(jīng)在市場上多年了，估計占市場的15%左右。中國產(chǎn)品和生產(chǎn)成本的上升已經(jīng)使所有競爭者感到吃力。
由于能耗的增長和對環(huán)境的考慮，已經(jīng)出臺了能耗標(biāo)識和最低能耗標(biāo)準(zhǔn)等以鼓勵開發(fā)高效率熱泵產(chǎn)品。
1.8 空氣源熱泵的應(yīng)用前景
隨著能源緊缺的進(jìn)一步擴(kuò)大，全民的節(jié)能意識也得到了很大的提高。節(jié)能不再只是作為一種宣傳口號被傳播，而是切實地被各地的政府等相關(guān)職能部門提上了日程。從長江三角洲的“電荒”到涉及東北、華東、華南、西南等地區(qū)的“煤荒”與“缺油”，傳統(tǒng)能源緊缺的“紅燈籠”掛遍中國大地。能源危機(jī)的警鐘喚起了人們對能源戰(zhàn)略應(yīng)用的重新思考，同時也將人們的目光引向了新型能源的開發(fā)及利用。
伴隨著能源緊缺的影響，一些標(biāo)榜節(jié)能、環(huán)保的產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，特別是夏季來臨時各個行業(yè)對電能的嚴(yán)重依賴，“電荒”的影響對一些耗電大的產(chǎn)品的節(jié)能性提出了更高的要求，諸如空調(diào)、電熱水器等產(chǎn)品。近兩年來，一種更新型的節(jié)能熱水器產(chǎn)品——空氣源熱泵熱水器，在全國市場都吹響了號角?？諝庠礋岜门c目前常用的電熱水器不同，它不是用電熱管在水中直接加熱，而是通過熱泵集熱器從自然空氣中收集熱源，傳熱工質(zhì)吸熱自然汽化，經(jīng)壓縮后形成高溫高壓氣體，再通過冷凝盤管 “搬運(yùn)”到水中釋放熱量。冷凝后工質(zhì)變成液體經(jīng)膨脹閥回到終端，周而復(fù)始，閉合循環(huán)?？? 氣源熱泵熱水器具有太陽能熱水器節(jié)能、環(huán)保、安全的優(yōu)點，又解決了太陽能熱水器依靠陽光采熱和安裝不便的缺點。由于高安全、高節(jié)能、壽命長、不排放毒氣等諸多優(yōu)點，以及可以有效的解決目前國內(nèi)有關(guān)部門對節(jié)約能源、環(huán)保、安全等各方面較棘手問題，而日益受到社會各方面的廣泛關(guān)注。
從政府職能部門來看，各級市府部門都在大力推廣節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，并且在政策上也予以一定的扶持。今年2月16日，旨在限制溫室氣體排放、遏制全球變暖的《京都議定書》生效，大力鼓勵、推廣綠色環(huán)保新能源及其應(yīng)用產(chǎn)品成為各國必然的選擇。而能源緊張、拉閘限電、燃?xì)鉂q價等問題的凸現(xiàn)，正促使傳統(tǒng)的、高能耗的家電產(chǎn)品加速退出市場。國家建設(shè)部《建筑節(jié)能“十五”計劃和2010年規(guī)劃》提出，到2015年全國家庭太陽能熱水器普及率要達(dá)到20%-30%。中國科學(xué)院廣州能源研究所專家李凡提出，節(jié)能型熱水器產(chǎn)品并不能把眼睛只盯在傳統(tǒng)的熱水器之上，空氣能熱泵熱水器將是繼電熱水器、燃?xì)鉄崴骷疤柲軣崴髦蟮牡谒拇蠓N類熱水器，并且安裝不受建筑物或樓層限制，使用上也不受氣候條件限制。
由于熱泵具有較好的節(jié)能效果，《節(jié)能法》的頒布實施促進(jìn)了熱泵事業(yè)的發(fā)展，減少二氧化碳的排放量和限期停用CFCS工質(zhì)的環(huán)境保護(hù)政策。實施《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》后，建筑采暖能耗降低，降低了熱泵采暖方式的運(yùn)行費(fèi)用，增加了熱泵與集中供熱采暖方式的競爭能力。要解決大中城市能源消耗量大、污染嚴(yán)重的問題，必須改善能源結(jié)構(gòu)，這就為熱泵的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。我國節(jié)能政策和環(huán)境保護(hù)政策、巨大的建筑市場、豐富的工業(yè)余熱資源等因素將會極大地促進(jìn)空氣源熱泵熱水器市場的發(fā)展。
對于房地產(chǎn)開發(fā)商來說，隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)一步加速以及緘區(qū)舊城改造的開展，新建住宅幾乎全部安裝了熱水器；同時在八十年代中期、九十年代初期安裝的熱水器均面臨使用期已到須更新的高峰期。在今后的十年，中國將有33％的家庭遷入新居，意味著平均每年有260萬個以上的家庭需要熱水器，熱水器的市場容量將以兩位數(shù)增長。新型節(jié)能環(huán)保熱水器在建筑行業(yè)的推廣應(yīng)用也給他們帶來了新的利潤增長點，增加了樓盤的品質(zhì)。對業(yè)主而言，可以24小時使用熱水，且相比電熱水器而言，可以節(jié)省大量的運(yùn)行開支。
在空氣源熱泵制造行業(yè)中，以芬尼克茲節(jié)能設(shè)備有限公司為首的部分企業(yè)，在經(jīng)過了幾年時間的努力后，從目前市場對熱泵的接受程度及反響來看，無論從經(jīng)銷商層面還是終端用戶，其認(rèn)知程度都在大大提高，一些報刊、媒體也在大肆報道空氣能熱泵熱水器在業(yè)內(nèi)創(chuàng)造的種種神話；并且在過去一段時間，我們在全國市場所做的熱泵工程反映來看，空氣能熱泵熱水器確實是節(jié)能、環(huán)保的熱水產(chǎn)品，在為客戶創(chuàng)造價值的同時，用戶對熱泵的好評度也越來越高。
隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)一步加速以及城區(qū)舊城改造的開展，新建住宅幾乎全部安裝了熱水器；同時在八十年代中期、九十年代初期安裝的熱水器均面臨使用期已到須更新的高峰期。有關(guān)專家預(yù)測，在今后的十年，中國將有33％的家庭遷入新居，意味著平均每年有260萬個以上的家庭需要熱水器，家用熱水器的市場容量將以兩位數(shù)增長。熱泵還可替代部分鍋爐（太陽能大面積熱水系統(tǒng)跟其是無法比較的）供生活熱水，根據(jù)一些媒體、雜志得出的初步估算數(shù)據(jù)來看，當(dāng)熱泵熱水器進(jìn)入市場成長期和成熟期時，應(yīng)有400億以上的蛋糕等著分割。
現(xiàn)在，國內(nèi)生產(chǎn)熱泵的企業(yè)接近100家，單純從熱泵的競爭來看，并不是很激烈。當(dāng)前熱泵市場最主要的問題就是產(chǎn)品知名度的問題，一萬個人中，可能只有兩三個人知道熱泵熱水器。從國際上來看，熱泵熱水器已經(jīng)是一個很成熟的技術(shù)了，但在國內(nèi)來講熱泵熱水器的確還處于起步階段，猶如初生的嬰兒，因此就需要有更多本著對行業(yè)負(fù)責(zé)的生產(chǎn)廠家投入其中，為這一陽光產(chǎn)業(yè)的更進(jìn)一步發(fā)展做出不懈努力，給予更多的呵護(hù)與關(guān)愛。同時我們也呼吁相關(guān)的政府職能部門給予更多的政策支持，讓熱泵產(chǎn)業(yè)在健康的道路上長足發(fā)展。
2 方案的選擇與論證
2.1 制冷劑的論證
2.1.1 制冷劑的分類
制冷劑又稱制冷工質(zhì)，是制冷循環(huán)的工作介質(zhì)，利用制冷劑的相變來傳遞熱量，既制冷劑在蒸發(fā)器中汽化時吸熱，在冷凝器中凝結(jié)時放熱。當(dāng)前能用作制冷劑的物質(zhì)有80多種，最常用的是氨、氟里昂類、水和少數(shù)碳?xì)浠衔锏?。制冷劑主要有以下分類?
在壓縮式制冷劑中廣泛使用的制冷劑是氨、氟里昂和烴類。按照化學(xué)成分，制冷劑可分為五類：無機(jī)化合物制冷劑、氟里昂、飽和碳?xì)浠衔镏评鋭?、不飽和碳?xì)浠衔镏评鋭┖凸卜谢旌衔镏评鋭?。根?jù)冷凝壓力，制冷劑可分為三類：高溫（低壓）制冷劑、中溫（中壓）制冷劑和低溫（高壓）制冷劑。
無機(jī)化合物制冷劑：這類制冷劑使用得比較早，如氨（NH3）、水（H2O）、空氣、二氧化碳（CO2）和二氧化硫（SO2）等。對于無機(jī)化合物制冷劑，國際上規(guī)定的代號為R及后面的三位數(shù)字，其中第一位為“7”后兩位數(shù)字為分子量。如水R718等。
氟里昂（鹵碳化合物制冷劑）：氟里昂是飽和碳?xì)浠衔镏腥炕虿糠謿湓兀–L）、氟（F）和溴（Br）代替后衍生物的總稱。國際規(guī)定用“R”作為這類制冷劑的代號，如R22等。
飽和碳?xì)浠衔铮哼@類制冷劑中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和環(huán)狀有機(jī)化合物等。代號與氟里昂一樣采用“R”，這類制冷劑易燃易爆，安全性很差。如R50、R170、R290 等。
不飽和碳?xì)浠衔镏评鋭哼@類制冷劑中主要是乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）和它們的鹵族元素衍生物，它們的R后的數(shù)字多為“1”，如R113、R1150等。
共沸混合物制冷劑：這類制冷劑是由兩種以上不同制冷劑以一定比例混合而成的共沸混合物，這類制冷劑在一定壓力下能保持一定的蒸發(fā)溫度，其氣相或液相始終保持組成比例不變，但它們的熱力性質(zhì)卻不同于混合前的物質(zhì)，利用共沸混合物可以改善制冷劑的特性。如R500、R502等。
2.1.2 制冷劑性質(zhì)要求
2.1.2.1 熱力學(xué)性質(zhì)的要求
在大氣壓力下，制冷劑的蒸發(fā)溫度(沸點)要低。這是一個很重要的性能指標(biāo)。蒸發(fā)溫度愈低，則不僅可以制取較低的溫度，而且還可以在一定的蒸發(fā)溫度下，使其蒸發(fā)壓力Po高于大氣壓力。以避免空氣進(jìn)入制冷系統(tǒng)，發(fā)生泄漏時較容易發(fā)現(xiàn)。
要求制冷劑在常溫下的冷凝壓力Pc應(yīng)盡量低些，以免處于高壓下工作的壓縮機(jī)、冷凝器及排氣管道等設(shè)備的強(qiáng)度要求過高。并且，冷凝壓力過高也有導(dǎo)致制冷劑向外滲漏的可能和引起消耗功的增大。
對于大型活塞式壓縮機(jī)來說，制冷劑的單位容積制冷量要求盡可能大，這樣可以縮小壓縮機(jī)尺寸和減少制冷工質(zhì)的循環(huán)量；而對于小型或微型壓縮機(jī)，單位容積制冷量可小一些；對于小型離心式壓縮機(jī)亦要求制冷劑要小，以擴(kuò)大離心式壓縮機(jī)的使用范圍，并避免小尺寸葉輪制造之困難。
制冷劑的臨界溫度要高些、冷凝溫度要低些。臨界溫度的高低確定了制冷劑在常溫或普通低溫范圍內(nèi)能否液化。
凝固溫度是制冷劑使用范圍的下限，冷凝溫度越低制冷劑的適用范圍愈大。
2.1.2.1 物理化學(xué)性質(zhì)的要求
制冷劑的粘度應(yīng)盡可能小，以減少管道流動阻力、提換熱設(shè)備的傳熱強(qiáng)度。制冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)當(dāng)高，以提高換熱設(shè)備的效率，減少傳熱面積。制冷劑與油的互溶性質(zhì)：制冷劑溶解于潤滑油的性質(zhì)應(yīng)從兩個方面來分析。
如果制冷劑與潤滑油能任意互溶，其優(yōu)點是潤滑油能與制冷劑一起滲到壓縮機(jī)的各個部件，為機(jī)體潤滑創(chuàng)造良好條件；且在蒸發(fā)器和冷凝器的熱換熱面上不易形成油膜阻礙傳熱。其缺點是從壓縮機(jī)帶出的油量過多，并且能使蒸發(fā)器中的蒸發(fā)溫度升高。部分或微溶于油的制冷劑，其優(yōu)點是從壓縮機(jī)帶出的油量少，故蒸發(fā)器中蒸發(fā)溫度較穩(wěn)定。其缺點是在蒸發(fā)器和冷凝器換熱面上形成很難清除的油膜，影響了傳熱。
2.1.3 制冷劑的選用原則
在蒸氣壓縮式制冷機(jī)中，對制冷劑共性要求主要有以下幾點：
（1）應(yīng)是環(huán)境可接受物質(zhì)，即應(yīng)對環(huán)境無破壞作用或破壞作用輕微。
（2）臨界溫度要高。
（3）有合適的飽和蒸氣壓。
（4）化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。不燃燒、不爆炸、無毒；不腐蝕常用工程材料、與潤滑油不起化學(xué)反應(yīng)；在使用溫度下不分解、不變性。
（5）凝固溫度要低，以免制冷劑在蒸發(fā)溫度下凝固。
（6）粘度和密度要小，目的是減小制冷劑的流動阻力。
（7）導(dǎo)熱系數(shù)要高，這樣可提高換熱器的傳熱系數(shù)，減小傳熱面積，降低材料消耗。
（8）絕熱指數(shù)要小，可使壓縮過程耗功減少，降低壓縮終溫。
（9）液體比熱要小，這樣在節(jié)流時液體降溫放出的熱量少，節(jié)流產(chǎn)生的閃發(fā)蒸氣量小，節(jié)流損失較小。
（10）氣化潛熱要大，可獲得較大的單位制冷量，同時節(jié)流后的干度較小。
（11）價廉易得。
完全滿足上述各種要求的制冷劑并不存在，各種制冷劑都是某些方面較優(yōu)，而另一些方面不足。應(yīng)根據(jù)工程實際要求，在滿足特定要求的前提下，權(quán)衡取舍，找出最佳方案。
2.1.4 選擇制冷劑
本設(shè)計中仍采用制冷劑R22。
2.1.5 制冷劑R22的性質(zhì)
R22也是常用制冷劑，在相同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，R22的壓力比R12要高65%左右，在常溫下的冷凝壓力和單位容積制冷量與氨差不多，而比R12大。
R22無色、無味，不燃燒、不爆炸，毒性比R12略大，但仍是安全的制冷劑。傳熱性能與R12相近，溶水性比R12稍大，但仍屬不溶水的工質(zhì)，含水量仍然控制在0.0025%以內(nèi)，同時系統(tǒng)內(nèi)也應(yīng)裝設(shè)干燥器。R22的綜合性能極佳，具有良好的熱力性能。如：運(yùn)行壓力適中；單位容積制冷量大僅次于氨；等熵指數(shù)較?。欢覠o毒、無燃燒及無爆炸等優(yōu)點。
2.2 壓縮機(jī)的選擇
2.2.1各類型壓縮機(jī)比較
(1)往復(fù)式活塞式壓縮機(jī)
往復(fù)式制冷壓縮機(jī)迄今還是應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型，廣泛應(yīng)用于中、小型制冷裝置中，按其結(jié)構(gòu)分為滑管式和連桿式壓縮機(jī)兩類。
滑管式壓縮機(jī)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，它是往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的一種類型。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，成本較低，對零部件的加工精度要求不高，制造和裝配都比較容易，所以發(fā)展較快。目前這類壓縮機(jī)在國內(nèi)外的電冰箱等小型制冷設(shè)備生產(chǎn)中應(yīng)用比較普遍。缺點是活塞與缸壁間的側(cè)力較大、磨擦功耗大、能效比偏低，因此目前滑管式壓縮機(jī)正在進(jìn)入衰退期，將逐漸被連桿式壓縮機(jī)或旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)所取代。
連桿式壓縮機(jī)也屬往復(fù)活塞式，是制冷設(shè)備中采用時間較早的一種。其特點是運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)、噪聲低、磨損小、使用壽命長、能效比較高、工作可靠、綜合性能優(yōu)良。但由于零部件形狀復(fù)雜，加工精度要求較高，工藝難度較大，因此其發(fā)展一度受到限制，在電冰箱及其它小型制冷設(shè)備中被滑管式和旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)所取代。近幾年來隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方面的技術(shù)改進(jìn)。目前連桿式壓縮機(jī)已成為電冰箱壓縮機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品，總需求是有較大的提高。
(2)滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)
滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)是家用空調(diào)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)型式之一。滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)比往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單得多，而且體積小、重量輕、零部件少，尤其易損件少，比同樣制冷量的往復(fù)式壓縮機(jī)體積可減少60%，重量減少35%，零件減少50%。這種壓縮機(jī)只進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，不需將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運(yùn)動，所以運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動小、噪聲低、質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高。在結(jié)構(gòu)上，可把余隙容積做得很小，基本上沒有膨脹氣體的干擾。此外無吸氣閥，使流動阻力小，導(dǎo)致容積效率高、性能好、能效比高。但這種壓縮機(jī)對零件加工精度要求高，比活塞式的壽命短；而且這種壓縮機(jī)只有一個轉(zhuǎn)子且為偏心布置，轉(zhuǎn)動起來振動和噪聲仍較大，特別是對于較大功率機(jī)組，其氣缸排量一般在6～44cm/r。它分成幾個系列，從小功率到中功率，品種較多。而且為了便于管理和降低成本，使零、部件通用化程度較高，每個系列產(chǎn)品外形基本相似，均為定功率段的產(chǎn)品。
提高壓縮機(jī)COP值的措施主要是提高加工和裝配精度，對壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，改進(jìn)排氣閥結(jié)構(gòu)，增大電機(jī)疊片厚度，采用特低鐵損高磁通量的硅鋼片和提高槽前率等多方面來實現(xiàn)；降低壓縮機(jī)噪聲主要通過更好的動、靜平衡來減小振動， 緩沖壓力脈動，以及設(shè)計更好的消聲器等途徑來實現(xiàn)；而提高壓縮機(jī)的可靠性主要采用改進(jìn)材料、加強(qiáng)工藝控制，強(qiáng)化實驗手段，特別加工和設(shè)計保護(hù)元件和連接元件等來確保電機(jī)可靠性。利用徹底清除垃圾、應(yīng)用高強(qiáng)度材料、進(jìn)行各種試驗以及根據(jù)不同情況配以不同儲液器來確保壓縮機(jī)的可靠性。
(3)渦旋式壓縮機(jī)
渦旋式壓縮機(jī)是一類較新型的壓縮機(jī)，它也是家用空調(diào)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)型式之一。長期以來，由于軸向力不能穩(wěn)定平衡，防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不靈活，軸向、徑向密封不完善， 以及渦形盤加工困難，故未達(dá)到實用化程度。直至70年代后，經(jīng)美、日等國的研究， 才使渦旋式壓縮機(jī)走上實用化道路?？计仗m、開利、日立、三菱公司均生產(chǎn)這種壓縮機(jī)。其主要特點有：①無吸、排氣閥，吸氣壓力損失小，壓縮室壓差小，無余隙容積，容積效率高，可靠性高，功耗小，COP 大；②渦旋回旋運(yùn)動能形成幾對壓縮腔，因此力矩變化小，振動小，噪音低；③結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，尤其易損件少，體積小，重量輕；④對液擊不敏感；⑤轉(zhuǎn)速高，有利于實現(xiàn)變頻控制的方式來調(diào)節(jié)制冷量；⑥采用一種背壓可自動調(diào)節(jié)的可控推力機(jī)構(gòu)，這樣可保持軸向密封，減少機(jī)械損失，防止異常高壓，確保壓縮機(jī)安全；⑦便于采用氣體注入循環(huán)，從而可提高節(jié)能效果，減少壓縮機(jī)開、停頻率，控制室溫變化，實現(xiàn)舒適空調(diào)；⑧制造、加工精度高，成本較高。總體來說，其綜合性能稍好于滾動轉(zhuǎn)子式，特別適合于低噪聲要求。目前主要用在3～5HP3大功率高檔空調(diào)器上，是當(dāng)前產(chǎn)品中最先進(jìn)的。
目前渦旋式壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢主要在：①進(jìn)一步改進(jìn)渦旋盤加工制造工藝，降低成本；②提高加工和裝配精度，合理考慮實際運(yùn)行中密封間隙，降低泄漏損失，進(jìn)一步提高效率；③研究變轉(zhuǎn)速下渦旋式壓縮機(jī)性能，提高工作轉(zhuǎn)速；④研究開發(fā)自轉(zhuǎn)型渦旋式壓縮機(jī)等。
(4)螺桿式壓縮機(jī)
螺桿式壓縮機(jī)是靠汽缸中一對含有螺旋齒槽的轉(zhuǎn)子相互嚙合，造成有齒形空間組成的基元容積的變化，進(jìn)行制冷劑氣體壓縮。螺桿式空氣壓縮機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)始于1950 年，由于結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、外形緊湊、排氣溫度低、質(zhì)量輕、不怕氣體中帶液和帶塵壓縮等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了飛速的發(fā)展。在操作上， 螺桿壓縮機(jī)是壓縮機(jī)中最簡單的類型之一。在成本上，螺桿式壓縮機(jī)和往復(fù)的、重型水冷卻式壓縮機(jī)相比，每單位馬力的原始投資要低30%。
隨著螺桿式空氣壓縮機(jī)的更新?lián)Q代，它更是具備了高性能配置、高效率、高可靠性、高度智能化、友好的人機(jī)界面、安裝費(fèi)用低、適應(yīng)國內(nèi)電源、運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)能環(huán)保等特點。因此， 在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)，小容量空氣壓縮機(jī)將以螺桿式為主。
2.2.2選擇壓縮機(jī)
本設(shè)計中選用大金JT160BCBY1L渦旋壓縮機(jī)。
2.3換熱器的選擇
2.3.1冷凝器的選擇
冷凝器是空調(diào)裝置的主要換熱設(shè)備之一。其功能是將壓縮機(jī)排出的高溫過熱蒸汽冷卻成液態(tài)制冷劑，所放出的熱量被冷卻介質(zhì)吸收后排至周圍環(huán)境中。制冷劑在冷凝器中先由過熱蒸汽冷卻為干飽和蒸汽，放出濕熱，再由干飽和蒸汽冷凝為飽和液體，放出大量潛熱。如果飽和液體繼續(xù)得到冷卻，就成為過冷液體。按冷卻方式的不同，冷凝器可分為空氣冷卻式冷凝器、水冷卻式冷凝器、蒸發(fā)式冷凝器三大類。本設(shè)計中熱回收水箱采用水冷卻的套管式冷凝器，制冷模式下選用風(fēng)冷式的翅片管冷凝器。
2.3.2蒸發(fā)器的選擇
蒸發(fā)器的作用是將制冷劑液體氣化成為蒸氣，其作用是將低壓制冷劑液體與低溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換，將節(jié)流后的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)低壓蒸發(fā)吸熱，達(dá)到制冷目的。蒸發(fā)器是吸收熱量，為被冷卻對象提供冷量的設(shè)備。蒸發(fā)器按其供液方式不同，有滿液式、干式、循環(huán)式和噴淋式等。干式蒸發(fā)器是一種制冷劑液體在傳熱管內(nèi)能夠完全汽化的蒸發(fā)器。其傳熱管外側(cè)的被冷卻介質(zhì)只載冷劑(水)，制冷劑則在管內(nèi)吸熱蒸發(fā)，其流量約為傳熱管內(nèi)容積的20%～30%。增加制冷劑的質(zhì)量流量，可增加制冷劑液體在管內(nèi)的濕潤面積。同時其進(jìn)出口處的壓差隨流動阻力增大而增加，以至使制冷系數(shù)降低。
蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)中一個主要的換熱部件，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的大部分區(qū)域處于是蒸汽狀態(tài)，濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器時期蒸發(fā)的含量只占10%左右，其余都是液體。隨著蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)的流動與吸熱，液體逐漸蒸發(fā)為蒸汽，蒸汽越來越多，當(dāng)流至接近蒸發(fā)器出口處時，一般已成為干蒸汽，到蒸發(fā)器末段，繼續(xù)吸熱，成為過熱蒸汽。蒸發(fā)器按其冷