10匹商用空气源热泵热水器的设计文献综述

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

一、课题背景

能源是人类生产和生活必须的基本物质保障，是国家经济的重要的基础产业。能源行业发展水平是社会发展的重要标志之一。随着人们物质水平的提升以及国家的能源紧缺和环保节能政策的出台，热泵热水器已越来越得到人们的青睐。

空气源热泵热水器是自燃气热水器，燃气（油），太阳能热水器，电锅炉之后人类最新的节能环保热水器。其使用的成本是电热水器的1/5,太阳能热水器的2/3,其效率可达380%^[1] 。许多企业和公司都碰到用什么设备制造热水的难题，用柴油锅炉制造热水耗能大，消防手续复杂，价格昂贵。如今采用逆卡诺循环原理设计的空气源热泵热水机组，很好的解决了长期用锅炉制造热水能耗大、有危险的问题。空调、锅炉用多了都会产生城市热岛效应，然而热泵却不同，它在吸热制造热水的同时，还能带来清凉的空气，可谓一举两得^[2]。

由于过去几十年时间里，日趋严峻的能源性危机和全球的气候剧烈变化，能源有效利用已成为制约许多国家经济可否持续发展的一大关键瓶颈。因此，寻找到一个合理的能源格局，是提升国家经济发展速度和环境优化的必要途径。对于热水器市场而言，过去是燃气，太阳能，电热水器三分天下的市场格局，随着能源危机加深，电热水器，燃气的高耗能问题势必会成为其占领市场份额的先天阻力，由此，空气源热泵热水器行业承着低碳环保，节能惠民的发展趋势，乘势上位，也仅仅是时间问题^[3][4]。

二、商用空气源热泵工作原理

在自然界中，水都是由高处流向低处，热量也是，从高温传向低温。但人们可以将水从低处由水泵，泵送到高处，热量同样也可以从低泵送到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量,并把它递给被加热的对象^[5]。

商用热泵热水器是热泵技术在热水系统中的应用。它与热泵式空调的工作原理差不多，只是热泵空调是把室外环境的热量提取出，来向室内供暖。热泵热水器是把室外环境里蕴涵的热量提取出来加热生活热水。空气源热泵热水器结构与常规空调器、制冷机组相似，多为分体式系统，主要由热泵机组和储水系统两部分构成，根据储水箱的形式一般又可分为立柜式热泵热水器和壁挂式热泵热水器两大类。一台压缩式热泵装 置主要包括四大件：蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀（节流装置）^[6][7]。

其实利用逆卡诺循环工作的，使用较小的能量，将取之不尽的低品味的空气热能泵送到水中，从而加热水。其基本原理如图（1）所示：压缩机驱动下制冷剂在系统中循环流动。制冷剂吸收室外空气中的热量，压缩机从蒸发器中吸取低温低压的气态制冷剂，制冷剂在系统中循环流动。通过压缩机绝热压缩后变为高温高压的制冷剂蒸汽。

在冷凝盘管中,制冷剂冷凝成液体，并将热量释放给水从而将水加热。冷凝后制冷剂通过节流阀降压降温后进入蒸发器中再吸收空气中的热量，由此循环，不断地把室外环境中的热泵送到水中。在工作过程中水箱中的水被逐渐加热，当水温度升到设定上限温度时，压缩机停止；当热水温度降到设定下限温度时，压缩机再开始工作，从而使得热水的温度在一定范围内。冷水由蓄水箱下部分补入，生活热水由上部流出，蓄水箱始终保持满水的状态^[8]。

空气源热泵热水机按照其加热方式可以分为直热式、循环式、直热循环式、内盘管静态加热式、外盘管静态加热式等^[9]目前家用式空气源热泵热水器多采用循环式和静态加热式，而直热式和直热循环式多用于商用场合 。

简单地说直热式空气源热泵热水器，就是水经过水泵直接进入热泵机组，在热交换器中与冷凝剂进行换热，用一站式的流程形式被热泵机组加热到设定的温度，然后水进入保温水箱。而且热泵设备内部没有小水箱，保温水箱与设备之间没有循环水泵,设备的开启与停止完全是按照水箱的高低水位控制器来实现控制 ^[10]。其工作原理如图1 所示。

与循环式热泵热水器相比较，直热式热泵热水器优点主要有系统在高温热水时的可靠性,水温的精确调节以及机组模式切换的控制逻辑等^[11]。

三、空气源热泵热水器的节能分析

不同加热设备年运行费用如图2（江苏价格）所示^[12]。可以看出，空气源热泵热水器在运行费用方面是很有优势的。洗浴用水是使用保温水箱来存储热水的，所以完全可以使用商业谷电来加热热水, 节能优势尤其明显。与电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉相比，空气源热泵热水器的静态投资回收期分别为 1. 6~ 3. 0 a, 1. 5~ 2. 4 a, 3. 5 a 以上。

四、半导体热泵工作原理

半导体式的热泵利用的是半导体制冷原理^[13]制成的。半导体制冷又称热电制冷,主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用^[14,15]。热电制冷装置是由热电效应比较显著以及热电制冷效率比较高的半导体材料形成的电偶对构成的^[16]。图3为热电制冷原理示意图^[17]。当一块N 型半导体材料和一块P 型半导体材料联成电偶对时,在电路上接上直流电源,然后就会发生能量的转移。

位于上面的结点1 ,电流方向由N点 流至P 点。此时温度降低并且从外界吸收热量,成为冷端。位于下面的结点2 ,电流方向由P点 至N点 ，此时温度升高并且向外界释放热量，成为热端。按图3把若干半导体热电偶在电路上串联起来,而在传热方面则是并联，这就构成了一个制冷热电堆，接上直流电源后，这个热电堆的上面是冷端，下面是热端。再把热电堆的热端散出的热量通过传热元件导入水中，这样就达到了加热水的目的；把热电堆的冷端放到需要制冷的环境中，吸收环境中的热量,达到降温的目的。

五、商用空气源热泵热水器的应用

5.1 应用策略及建议

经过工程实例的验证，每一种热源的选用都有各自的情况和适应性，其中水温和环境温度最为显著。

水温是影响热泵热水器COP值的重要因素之一，图示4（定环境温度为25℃），改变水温所得的COP的变化示值。定水温，环境温度对COP的影响，通过实验在图5上表示出来^[18]。

同时作为一种新型的热源利用装置，空气源热泵热水机组安装应用及运行过程中应注意下列条件要求：

（1）最冷月地平均气温大于10℃的地区，可不设辅助加热；

（2）最冷月地平均气温在0℃～10℃的地区，应设辅助加热；

（3）空气源热泵机组常见允许下限值为负7℃，常见允许上限值为43℃。

此外，在空气源热水机组选择和安装时，应综合考虑以下几点因素和条件：

（1）无辅助热源的应根据全年最冷月平均气温和设计小时平均秒供热量选型；

（2）有辅助热源系统宜按春分、秋分所在的月平均气温和相应的设计小时平均秒供热量选型；

（3）一个系统中的机组数量不宜少于2 台。且宜为同一型号。

综上所述，空气热源热泵机组最适宜在长江以南地区（年平均气温在10℃以上地区）安装应用。最适合应用的领域为高档酒店式公寓、中小型康复疗养院或医院病房用水、大中小学集体宿舍用水及中小型酒店等^[19]。

5.2 商用空气源热泵的使用特点

优点：

（1）使用安全：由于空气源热泵不使用燃气也不使用电原件直接加热热水，这样就避免了CO中毒和触电的安全隐患；

（2）使用方便：通过对热泵机组进水的流量调节，使进入热泵机组的低温冷水经过热泵的加温，使冷水温度直接上升到设定水温后进入储热水箱保存；

（3）效率高：直接加热可以得到较高温度的热水，但高温时的制热效率较低，当储热水箱低于设定水温时，启动循环水泵加温，维持热水温度；

（4）经济环保：投资长远，寿命长，在低碳生活大环境下，空气源热泵热水器应运而生。通过将周围空气中的热量泵送到水中，做到零排放，对环境几乎不 产生影响。

缺点：

（1）杂质多，清洗繁琐，水源要求高。因此直热式系统需经严格软化处理的水源，并定期清洗除垢；

（2）不适用于制太高温的热水，受环境影响大^[20]。

六、结语

热泵热水器是利用制冷循环把热量从热源（环境空气或其他热源）中吸收再传递到水中，通常热源的温度要比水低，所以是把热量泵入水中的^[21]。能源是 重要的战略资源之一，在社会可持续发展中起着举足轻重的作用，然而目前世界 能源的消耗，主要以煤炭，石油，天然气等不可再生能源为主，由于能源在世界经济发展中的作用愈加凸现，节能已成为一个热门的话题和研究方向^[22]。

故其具有更强的经济性和战略性。电热水器虽然使用方便,但是效率很低。随着热水器的远行，半导体热泵热水器的能效系数及加热功率呈下降趋势，高效率、节能的优势不再明显^[。太阳能技术由于需大面积采光区故在高层建筑中使用受限^[23]。而采用直流式空气源热泵加热方式，具有即时供热水能力，且系统的能效比随热水流量的增加而增加。

建议在选择商用热泵热水器是，尽量选择直热式，因其储热水箱小，故设备所需面积有所降低；热水一次被加热后存储于储热水箱中，不需要循环加热（仅仅在水箱内温度降低时循环加热保温），让整个热水箱内水温度波动小，系统更加稳定^[24]。

尽管空气源热泵热水器有很多优点,但它也不是完美的，也存在致命弱点 , 因此，我们要正确认识它，再加上我们国家气候条件、地形条件复杂, 各地应该根据自身的情况选择适合的热水器，比如，西部光照时间充足的地方可以选择太阳能热水器, 北方寒冷地区可以选择地源热泵加热热水方式，这样同样可以让整个热水箱内水温度波动小，系统更加稳定^[25]。

参考文献：

[1] 西安美达科技开发公司. 空气源热泵热水器及其空调.[J].节能与环保. 2004,(10):26-28.

[2]毛慧敏，周萌. 空气源热泵热水器在民用工程中的应用. [J].装备机械.2014(2):42-46

[3] Farouk Fardouna*, Oussama Ibrahima, Assaad Zoughaibb . Quasi-Steady State Modeling of an Air Source Heat Pump Water Heater. [J].Elsevier.2011(6):325-330

[4] 王运启.空气源热泵热水器乘势上位 [J] .供热制冷.2013.10(5):62-64.

[5] 王惺妮 苏伟.浅议空气源热泵热水器.[J].山西建筑.2009.11(32):182-183.

[6] Arif Hepbasli a, Yildiz Kalinci. A review of heat pump water heating systems.Renewable and Sustainable Energy Reviews .2008.

[7] 陈家龙 邹得球.浙江国际海运技术学院学报[J]. 2012.6(2):8-12.

[8] 郭斌 沈炜华 陈九法.节能热水器-空气源热泵热水器. [J].制冷与空调.2001(4):816-819.

[9] 王忠华. 直热式热泵热水机组的开发初探. [J].制冷与空调.2009(4):45-47.

[10] Jie Ji, Tintai Chow. Domestic air2conditioner and inte2grated water heater for subtropical climate [ J ]. Ap2p lied T2hermal Engineering, 2003, 23: 5812592.

[11] 焦立志.叶檀. 商用直热式热泵热水机组. [J]. 制冷与空调.2009.

[12]郭强. 空气源热泵热水机组的研究进展.[J].工业安全与环保.2012（11）：94-96.

[13] 徐德胜. 半导体制冷与应用技术[M].上海交通大学出版社.1992.

[14] 张芸芸.李茂德.徐纪华. 半导体制冷空调器的应用前景.[J].应用能源技术.2007.(6)：54-57.

[15] Lu Aye, W. W. S. Charters. Electrical and engine driven heat pump s for effective utilization of renewable energy resources [ J ].App lied Thermal Engineering.2003,23: 129521300.

[16] 刘华军.李来凤.半导体热电制冷材料的研究进展.[J].低温工程.2004,(1):32-38.

[17] 李洪斌.杨先.半导体制冷技术原理与应用.[J].现代物理知识.2008,19(5):34-35.

[18] 蒋绿林,张晔. 空气源热泵热水器实验研究.[J].江苏工业学院学报.2009(1):57-59.

[19] 江睿,赵阳.空气源热泵热水机组在工程设计中的应用[J].规划设计.2008(1):25-29.

[20] 殷生楠.空气源热泵热水器的特点分析.[J].绿色科技.2014(9):247-248.

[21] Yildiz Kalinc, Arif Hepbasli. A review of heat pump water heating systems.[J]. Elsevier.2009(13):1221-1229

[22]张萍,俞璋凌.空气源热泵热水器的应用研究,安徽节能减排博士 科技论坛论文集.[J].2003:648-652.

[23] Grant Bourke, Pradeep Bansal. Energy consumption modeling of air source electric heat pump water heaters.[J]. Elsevier.2010(30):1769-1774.

[24]袁清澈.空气源热泵热水器储热水箱有效容积的确定方法.[J].给水排水。2010(36)：93-94.

[25]张华,俊陈伟,李勇.空气源热泵热水器研究与发展前景.[J].中国建设信息供热制冷.2007(8):11-13.

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

　毕业论文(设计)要求：

1.查阅资料,要求广泛查阅相关技术资料,了解空气源热泵热水器系统的工作原理, 热泵热水器的发展历史及应用,以及各种热水器类型的优缺点的比较。写文献综述,并作开题报告；

2.对系统进行设计计算。根据热力计算结果选择合适的压缩机，并设计冷凝器、蒸发器等主要部件；

3.蒸发器的计算与设计,传热计算,结构的确定；

4.冷凝器的计算与设计,传热计算,结构的确定；

5.系统总体的设计与优化；

6.系统及主要部件的图纸设计。

指导教师意见：

1．对文献综述的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

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所在专业审查意见：

负责人：

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