小型空气源热泵热水机组实验及能效分析

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 5.54MB 57 页 15积分
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摘 要
随人类生活水平不断的提高，生活热水的需求也越来越大，能源储备不足，
尤其是常规能源紧缺问题日益突显。空气源热泵热水器近年来倍受人们重视。该
新型热水器与传统的相比其优点是：安全、节能、环保等。本课题主要目的是探
讨在不同的变化条件下空气源热泵热水器系统的能效变化，结合国家《家用和类
似用途热泵热水器》标准，进行理论计算和应用计算机采集数据，设计了空气源
热泵热水器实验装置。以期提高空气源热泵热水器能效因素的手段和方法。
在系统运行特性实验过程中，实验研究了环境温度变化、水流量、电子膨胀
阀开度和制冷剂的充注量对系统制热冷凝压力（冷凝温度）、蒸发压力（蒸发温
度）、压缩机排气温度和制热 COP 等参数的影响。实验环境温度在 3℃到 35℃之
间变化，当环境温度为 35℃时,机组制热效率 COP 是环境温度为 3℃时的 2.7 倍，
COP 从1.8 增加到 4.9,增加了 172.2%；当环境温度 25℃，热水温度设定越高,系
统COP 越低,因此当热水的温度从 15℃升至 55℃时,空气源热泵热水器的系统
COP 从5.2 降到了 2.4, 降幅达 46.1%。循环水流量由 7L/min 增大到 8L/min 时，
COP 平均值增加了 20%。由 8L/min 增大到 9L/min 时，平均系统 COP 增加 3%。
在充注量不足 1.5 kg 时，随工质充注量的增加，系统 COP 值也相应增大．当充注
量为 1.5 kg 时，系统 COP 值为 4.5，达到最大，此时若继续增加工质充注量，系
统COP 值保持基本不变，只略微下降；水箱中热水温度 22℃到 55℃时，阀开度
8%时，过热度稳定在 5.3℃，阀开度 10%时，过热度稳定在 2.9℃，阀开度 12%时，
过热度稳定在 2.0℃。
关键词:空气源热泵热水器，R134a，性能系数，电子膨胀阀，节
能
ABSTRACT
With the standards of living continuing to improve, hot water is also growed to
demand, lack of energy reserves, especially the growing shortage of conventional
energy.In the recent years, people are attention to air source heat pump water heater. The
new water heater with the traditional compared to its advantages: safety, energy
conservation and environmental protection. The main purpose of this project is to
explore the different changes in the conditions of air source heat pump water heater
system's energy efficiency changes, combined with national standards for "household
and similar heat pump water heater" by theoretical calculation and application of
computer acquisition of data, and to design the air source heat pump water heater
experimental device .In order to improve the means and methods of air source heat
pump water heater energy efficiency factors.
In the experimental process of the system operating characteristics, the experimental
studies the changes in ambient temperature, water flow, the electronic expansion valve
opening and the filling of the refrigerant condensing pressure heating (condensing
temperature), the evaporation pressure (evaporating temperature), exhaust temperature
of the compressor and the heating COP parameters. Experimental ambient temperature
varies from 3°C to 35°C, when the ambient temperature is at 35°C, unit efficiency of the
heating COP is 2.7 times than the ambient temperature at 3°C, COP from 1.8 to 4.9, an
increase of 172.2%; at the environment temperature at 25°C,hot water temperature is
setted to be the higher, the lower the COP of the system is, so when the hot water
temperature roses from 15°C to 55°C, COP of air source heat pump water heater system
is dropped from 5.2 to 2.4, 46.1% drop. Circulating water flow rate increases from
7L/min to 8L/min, average COP increases of 20%. By 8L/min increases, the average
COP of the system is increased by 3% at 9L/min. Charge less than 1.5 kg, with the
increase of refrigerant charge quantity, COP of the system is increased accordingly. At
the filling volume of 1.5 kg, the system COP is 4.5 to achieve the maximum, then
continuing to increase the charging amount of refrigerant, the COP of the system
remains basically unchanged, only a slight decrease; hot water tank temperature from
22°C to 55℃, when the valve opening is at 8 percent, superheat is stable at 5.3°C;the
valve opening 10% superheat stable at 2.9°C, the valve opening 12% superheat stable at
2.0℃.
Key words: Air-source heat pump water heater, R134a, Coefficient of
performance, Electronic expansion valves, Energy conservation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题的宏观背景和意义 ....................................................................................... 1
§1.1.1 世界能源消费现状和发展趋势 ....................................................................1
§1.1.2 我国能源消费现状和发展趋势 ....................................................................1
§1.2 热泵热水器与节能 .............................................................................................2
§1.2.1 几种常见热泵热水器介绍 ............................................................................3
§1.2.2 空气源热泵热水器的实验研究的重要意义 ................................................4
§1.3 本章小结 ............................................................................................................... 5
第二章 课题研究内容介绍 .............................................................................................6
§2.1 逆卡诺循环 .........................................................................................................6
§2.2 空气源热泵热水器工作原理 ............................................................................... 6
§2.3 空气源热泵热水器的节能原理 ........................................................................... 7
§2.4 目前空气源热泵热水器的实验研究热点 ........................................................... 8
§2.4.1 新型环保制冷剂的替代研究 ........................................................................8
§2.4.2 空气源热泵热水器水箱的研究 ....................................................................9
§2.4.3 空气源热泵热水器蒸发器在冬季除霜的研究 ..........................................10
§2.5 本课题研究的目的、主要任务和实施方案 ..................................................... 11
§2.5.1 实验目的 ......................................................................................................11
§2.5.2 课题主要工作 ..............................................................................................11
§2.5.3 具体实施方案 ..............................................................................................11
§2.6 本章小结 ............................................................................................................. 12
第三章 空气源热泵热水器的实验装置 .......................................................................13
§3.1 实验系统设计 ..................................................................................................... 13
§3.2 实验系统介绍和实验装置设计选型计算 ......................................................... 14
§3.3 基于 PLC 与三维力控的数据采集监控界面 ....................................................23
§3.3.1 实验系统控制要求 ......................................................................................24
§3.3.2 实验系统总体控制图 ..................................................................................25
§3.3.3PLC 控制系统设计 ...................................................................................... 25
§3.3.4 力控工业组态软件-人机监控界面设计 .................................................... 25
§3.3.5 主要参数的测量 ..........................................................................................26
§3.3.6 实验台主要操作界面介绍 ..........................................................................26
§3.4 操作流程 ............................................................................................................. 30
§3.5 试验装置中各种设备的日常维护操作要求 ..................................................... 31
§3.6 本章小结 ............................................................................................................. 32
§3.7 附录 ..................................................................................................................... 32
第四章 小型空气源热泵热水器实验研究与结果分析 ...............................................34
§4.1 环境温度变化对 R134A制热循环系统的影响 ................................................ 34
§4.1.1 冷凝压力和蒸发压力在不同环境温度下的变化曲线 ..............................34
§4.1.2 冷凝器进水温度的变化对冷凝温度和蒸发温度的影响 .........................35
§4.1.3 不同环境温度对压缩机排气温度的影响 .................................................36
§4.1.4 不同环境温度下的制热量和 COP 性能的曲线 .......................................36
§4.2 循环热水温度和流量变化对系统的影响分析 ................................................. 37
§4.2.1 水箱内水的在加热过程中温度的变化 ......................................................37
§4.2.2 水箱设定温度对系统 COP 性能的影响 ....................................................38
§4.2.3 不同循环水流量对系统 COP 性能的影响 ...............................................39
§4.3 制冷剂充注量对系统 COP 的影响分析 ........................................................... 39
§4.4 电子膨胀阀的开度对系统性能的影响 ............................................................ 40
§4.4.1 蒸发温度、过热度和蒸发器出口温度随电子膨胀阀在不同开度下的变
化曲线 .............................................................................................................................40
§4.4.2 制热 COP 随电子膨胀阀在不同开度下的变化曲线 ...............................42
§4.5 小结 ..................................................................................................................... 43
第五章 小型空气源热泵热水机组运行经济性分析 ...................................................44
§5.1 各种小型热源设备机组运行费用对比分析 ..................................................... 44
§5.2 价格敏感性分析 ................................................................................................. 45
§5.3 小结 .................................................................................................................... 46
第六章 工作总结及展望 ...............................................................................................47
§6.1 工作总结 ............................................................................................................. 47
§6.1.1.研究的意义 ..................................................................................................47
§6.1.2.研究的内容 ..................................................................................................47
§6.2 展望 .................................................................................................................... 47
主要符号说明 .................................................................................................................49
参考文献 .........................................................................................................................51
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................54
致 谢 ...............................................................................................................................55
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的宏观背景和意义
§1.1.1 世界能源消费现状和发展趋势
当今，在能源紧张及环境污染等问题的影响下，对于能够充分地使用能源，
并减少温室气体的排放的空气源热泵热水器来说，它具有无与伦比的优势，能够
利用大自然中的低品位热源制取高品位热能。尽管空气源热泵热水器需要电能驱
动，但它所制取的热量是消耗的电能和从环境中吸取的热量之和，所以使用空气
源热泵热水器能够充分合理利用能源。因此，推广空气源热泵热水器技术对各国
的资源结构和经济发展有着重要的意义。
对于环境状况来讲，化石燃料燃烧释放的污染性物质是环境受到污染的主要
原因。然而在我国的能源组成中煤炭量要占到总能源的 70%以上，煤炭能源的使
用必将造成大气受到严重的污染。一份调查报告表明，尽管我国各大城市已经采
取各种保护环境措施，但是空气污染程度仍然较重，环境的污染必将导致自然界
中生物生态平衡遭到严重破坏。同时能源紧缺是一个严峻的挑战，能够合理的开
发和使用新能源将是全世界都将要面临的一个严重的问题。这使得节能环保的高
效空气源热泵技术受到人们的重视。随着经济的发展，人们对生活品质要求越来
越高，对生活水平的追求必将使得热水的用量越来越大。工业全球化会使能源短
缺、温室效应增加和环境污染严重，这些因素都会让节能环保型的产品成为首要
选择。
从市场上来看，家用的电热水器、燃气热水器和太阳能热水器已成为家用热
水的主要供应设备，工业用的热水供应设备有电加热锅炉、燃油锅炉、燃煤锅炉
和燃气锅炉等，这些供应热水的设备中不同程度上存在着效率低、污染环境、不
安全运行费用高等缺点。因此，当热水需求量比例越来越大时，能源紧缺，节能
和安全突出优点的高效型空气源热泵热水器得到了巨大的发展空间。从能源和环
境的角度来说，空气源热泵热水器具有独特的优势和广阔的市场前景[1]。
§1.1.2 我国能源消费现状和发展趋势
当前，处于工业化发展过程中的中国，其社会经济发展对能源的依赖性要明
显大于发达国家。从全球范围内的能源生产和能源消费情况来看，一次能源的生
产量和存储量是能够满足需求的，但是能源的生产分布不均衡，相应能源价格也
逐渐成为了改变各国财富分配的关键因素。我国能源储备总量比较丰富，其中煤
炭为主要资源，另外一次能源的生产能力从 1970 年以后快速发展，基本能够满足
我国社会经济发展的需求。表 1-1 显示了我国从 2000 年至 2008 年间一次能源消费
小型空气源热泵热水机组实验及能效分析
2
情况。
表1-1 我国一次性能源消耗总量及其构成
年份
能源消耗总量
（万吨标准煤）
占能源生产总量的比重（%）
煤炭
石油
天然气
水电、核电、风电
2000
128978
71.95
18.05
2.80
7.19
2001
137445
71.80
17.04
2.93
8.23
2002
143810
72.25
16.59
3.02
8.14
2003
163842
75.07
14.79
2.84
7.30
2004
187341
75.96
13.41
2.94
7.68
2005
205876
76.50
12.62
3.20
7.70
2006
221056
76.68
11.94
3.52
7.86
2007
235415
76.60
11.30
3.90
8.20
2008
260000
76.70
10.44
3.89
8.98
表中数据所示，从 2000 年至 2008 年，煤炭、水电、核电、风电和天然气的
消耗量不断的增加，但石油的消耗量是逐渐减少的，三大化石燃料仍是主导能源，
水利资源利用在 2008 年只占到 8.89%。我国节能规划旨在提高单位能源利用率。
同时依照我国可持续发展战略，需要不断控制温室气体的排放量。因此依据当前
国情，我国应发展先进科技，采取积极的政策，利用和发展清洁能源，节约资源，
提高能力利用率，加快开发可再生能源，并积极学习掌握当前国际先进科技，不
断完善我国能源机构设施。
§1.2 热泵热水器与节能
人民生活水平的不断提高，导致热水供应也不断增多。当今能源紧缺、天然
气和电价持续高涨、环境污染越发严重，对热水器的深入研究更是刻不容缓。随
家庭住宅消费的不断提高，家用型热水器倍受关注。家用型热水器主要有电热水
器、太阳能热水器、燃气热水器以及空气源热泵热水器等几种类型。
对比上述几种热水器，燃气热水器需要消耗煤气、天然气等高品位能源，电
热水器需要消耗电能，太阳能热水器受安装条件和气候的限制，致使其发展受到
一定约束。空气源热泵热水器其COP值远远大于1，具有诸多优点：节能环保、运
行安全及不受安装条件和气候条件的限制等。空气源热泵热水器最早出现于20世
纪50年代。能源危机过后，热泵热水技术有了广阔发展，较之传统热水供应技术，
空气源热泵热水器有其突出优点：第一，充分利用自然资源，减少了一次能源的
摘要：

摘要随人类生活水平不断的提高，生活热水的需求也越来越大，能源储备不足，尤其是常规能源紧缺问题日益突显。空气源热泵热水器近年来倍受人们重视。该新型热水器与传统的相比其优点是：安全、节能、环保等。本课题主要目的是探讨在不同的变化条件下空气源热泵热水器系统的能效变化，结合国家《家用和类似用途热泵热水器》标准，进行理论计算和应用计算机采集数据，设计了空气源热泵热水器实验装置。以期提高空气源热泵热水器能效因素的手段和方法。在系统运行特性实验过程中，实验研究了环境温度变化、水流量、电子膨胀阀开度和制冷剂的充注量对系统制热冷凝压力（冷凝温度）、蒸发压力（蒸发温度）、压缩机排气温度和制热COP等参数的影响。实...

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