环保节能型空调热水一体机的实验研究
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摘 要
为了缓解目前能源紧张和环境污染的局面，加速制冷剂R22的替代步伐，以及
满足人们对热水需求的日益增长的现状，本文本着节能创新的思想，设计出了环
保节能型空调热水一体机。它是一种使用环保型自然工质——丙烷（R290）作为
制冷工质的，并能够回收冷凝热用于制备生活热水的热泵空调装置。它既具有常
规热泵空调的制冷、制热功能，同时还可实现制冷兼制热水、制热兼制热水以及
单独制热水的功能，可在一年四季内为用户制取60℃左右的生活用热水。
首先，本文通过查阅国内外关于冷凝热回收及 R22 替代的研究现状，从而明
确了课题研究的目的及意义；其次，在对比 R290、R410A 及R22 的基本物性及
热力性能以及借鉴已较成熟的热回收方案的基础上，完成了环保节能型空调热水
一体机的原理图设计；然后，本文对系统的各部件进行了合理详细地选型计算；
最后，根据相关标准及实验目的，制定了实验方案，全年工况下实验样机的各运
行模式的可行性、运行特性和节能性实验，并对实验数据进行了处理和分析。
可行性及运行特性实验结果表明，在各运行模式下，试验样机运行安全可靠
平稳，样机的冷凝热回收方案及其控制策略合理可行。节能性实验结果则表明，
环保节能性空调热水一体机符合国家规定的空气调节器的节能标准。水箱制热水
时实验结果表明，环保节能型空调热水一体机的制热水时间随着室外环境温度的
降低而延长。其综合能效比则随室外环境温度的升高而升高。在夏季名义工况下，
只需 110 分钟即可制取 150 升温度为 60℃的热水，综合能效比最高可达到 3.77，
平均为 3.47。而在冬季的名义工况下则需要 200 分钟，其综合能效比最高可达 3.25，
平均为 2.64。相对于其他类型的热水器而言，其节能性是最为突出的。因此，本
文所设计的具有五种运行模式的环保节能型空调热水一体机的确是一个环保节能
且满足市场要求的实用性成果。
本文为家用热泵空调系统冷凝热回收利用技术提供了一定的依据，相关的实
验数据还可以对今后相关产品的开发和实际推广具有一定的借鉴与参考价值。
关键词：空调热水一体机 丙烷 冷凝热回收 热水器 环保 节能
ABSTRACT
As to ease the current situation of energy shortage and environment pollution, to
accelerate the replacement space of R22, and to meet the increasing demand of hot
water, with the spirit of conserving energy and innovation, the environment-friendly
and energy-saving air conditioner with hot water was designed. It used the natural
refrigerants – Propane as its working fluids. It has five operating mode,such as
cooling-only mode, heating-only mode, water heating-only mode, cooling with water
heating mode,heating with water heating mode. So it can provide hot water for daily
life all the year.
Firstly, through consulting relevant research material at home and abroad,
introduced the research status of condensation heat recovery and R22 replacement,
clear the research purposes and significance. Secondly, after contrasting of the physical
and thermal performance parameters of R22, R410A and R290, and referencing the
mature condensation heating recovery systems, then completed the experimental
prototype schematic design of the environment-friendly and energy-saving air
conditioner with hot water. Thirdly, the system components are reasonably selected
after calculating. Finally, according to the experimental purposes and contents, testify
the feasibility, operating and energy-saving characteristics of the experimental
prototype, deal with and analysis the experimental data.
The experimental results show that the environment-friendly and energy-saving air
conditioner with hot water and its control strategy are practicable. All of the operating
mode of this system is safe, stable and reliable in the experimental conditions, even the
ambient temperature reached -12℃. When in cooling-only mode or heating-only mode,
the energy efficiency rate (EER) and the coefficient of performance (COP) all conform
to the national energy-saving standards for air conditioner. It can heat 150 liters water
to 60℃in 110 minutes when the ambient temperature at 35℃，and in 200minutes
when the ambient temperature at 7℃. The average COP reached to 3.47 in summer
nominal condition, and to 2.64 in winter nominal condition. Compare with other types
of water heaters, its energy-saving performance is more prominent. Therefore, the
environment-friendly and energy-saving air condition with hot water which has five
operating modes is verified to be an applicable device.
The experimental data of this paper provide references for designing and
manufacturing the new condensation heat recovery air conditioner products.
Key words: air conditioner with hot water, propane, condensing heat
recycle, water heater, environment friendly, energy saving
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................................................................................... 1
§1.1 课题背景及研究目的和意义 ................................................................................... 1
§1.1.1 课题背景 ........................................................................................................... 1
§1.1.2 课题研究的目的及意义 ................................................................................... 3
§1.2 国内外研究现状 ....................................................................................................... 4
§1.2.1 冷凝热回收的国内外研究现状 ...................................................................... 4
§1.2.2 使用 R290 制冷剂的国内外研究现状 ........................................................... 8
§1. 3 本课题研究的主要内容 ......................................................................................... 8
第二章 R290 替代 R22、R410A 的可行性的理论分析 .................................................... 11
§2.1 R290、R22 及R410A 的基本物性对比 ................................................................ 11
§2.2 R290、R22 及R410A 的热力性能对比 ................................................................ 12
§2.3 空调用制冷循环工作参数确定及热力计算 ......................................................... 15
§2.3.1 空调用制冷循环工作参数确定 ...................................................................... 15
§2.3.2 空调用理论制冷循环热力计算 ...................................................................... 17
§2.3.3 空调用压缩机选型 .......................................................................................... 18
§2.4 本章小结 ................................................................................................................. 19
第三章 环保节能型空调热水一体机系统设计 ................................................................. 21
§3.1 家用热泵空调器冷凝热回收流程方案探讨 ......................................................... 21
§3.1.1 前置串联式冷凝热回收方案 .......................................................................... 21
§3.1.2 后置串联式冷凝热回收方案 .......................................................................... 22
§3.1.3 并联独立回路式冷凝热回收方案 .................................................................. 22
§3.2 环保节能型空调热水一体机系统方案的确定 ..................................................... 23
§3.2.1 环保节能型空调热水一体机系统设计原则 ................................................. 23
§3.2.2 环保节能型空调热水一体机系统组成 ......................................................... 24
§3.2.3 环保节能型空调热水一体机运行模式介绍 .................................................. 25
§3.2.4 环保节能型空调热水一体机运行模式转换条件 .......................................... 27
§3.3 本章小结 ................................................................................................................. 28
第四章 环保节能型空调热水一体机的部件设计 ............................................................. 29
§4.1 蒸发器、冷凝器以及节流机构的选型计算 ....................................................... 29
§4.1.1 蒸发器的选型计算 ......................................................................................... 29
§4.1.2 冷凝器的选型计算 ......................................................................................... 34
§4.1.3 节流机构的确定 ............................................................................................. 39
§4.2 管路及辅助设备的设计和选用 ........................................................................... 40
§4.2.1 管路计算 ......................................................................................................... 40
§4.2.2 辅助部件的选型计算 ..................................................................................... 41
§4.2.3 制冷系统部件清单 ......................................................................................... 42
§4.3 水箱的选型 ........................................................................................................... 43
§4.4 本章小结 ............................................................................................................... 43
第五章 环保节能型空调热水一体机的实验设计 ............................................................. 45
§5.1 实验目的及内容 ..................................................................................................... 45
§5.1.1 实验目的 ......................................................................................................... 45
§5.1.2 实验内容 ......................................................................................................... 45
§5.2 实验装置的介绍 ..................................................................................................... 49
§5.2.1 实验室室内、外侧空气处理系统 ................................................................. 50
§5.2.2 实验室室内、外侧水系统 ............................................................................. 51
§5.2.3 实验室参数控制、测量与记录 ..................................................................... 51
§5.3 实验样机的安装与测点布置 ................................................................................. 53
§5.3.1 实验样机的安装与布置 ................................................................................. 53
§5.3.2 实验样机测点的布置 ..................................................................................... 56
§5.4 本章小结 ................................................................................................................. 58
第六章 实验数据处理与分析 ............................................................................................. 59
§6.1 空调热水一体机的常规空调性能实验 ................................................................. 59
§6.1.1 制冷工况下运行特性的实验分析 ................................................................. 59
§6.1.2 制热工况下运行特性的实验分析 ................................................................. 60
§6.1.3 制冷、制热工况下节能性的实验分析 .......................................................... 61
§6.2 空调热水一体机恒温进水时制热水性能实验 ..................................................... 62
§6.2.1 单独制热水模式运行特性的实验分析 ......................................................... 62
§6.2.2 制冷兼制热水及制热兼制热水模式的运行特性实验分析 ......................... 64
§6.2.3 制冷兼制热水、制热兼制热水及单独制热水模式下的节能性
实验分析 ..................................................................................................................... 65
§6.3 空调热水一体机水箱制热水性能实验 ................................................................. 66
§6.3.1 水箱制热水时的运行特性实验分析 ............................................................. 66
§6.3.2 水箱制热水时的节能性实验分析 ................................................................. 71
§6.4 空调热水一体机的舒适性及安全性实验 ............................................................. 72
§6.4.1 空调热水一体机的热舒适性实验分析 ......................................................... 72
§6.4.2 空调热水一体机的安全性实验分析 ............................................................. 73
§6.5 本章小结 ................................................................................................................. 74
第七章 结论与展望 ............................................................................................................. 77
§7.1 主要研究成果 ......................................................................................................... 77
§7.2 需要进一步开展的工作 ......................................................................................... 78
§7.3 展望 ......................................................................................................................... 79
参考文献 ............................................................................................................................... 81
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................................................85
致谢 ....................................................................................................................................... 87
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题背景及研究目的和意义
§1.1.1 课题背景
随着世界经济的快速增长，人类对生活质量的要求也不断提高。这势必加速
对地球有限能源的消耗与枯竭以及对周围环境的污染与破坏。为避免世界范围内
的能源危机，还人类一个舒适安全的生存环境，能源与环境问题已成为当今社会
最为关注的焦点问题，也成为了制约我国国民经济发展的两大因素。
在建筑耗能方面，随着社会的发展，建筑能耗在总能耗中所占的比例越来越
大，不同发展状况的国家和地区，它在社会总能耗中的份额也不同。据统计，西
方的发达国家建筑能耗占总能耗的 30%～40%，而中国的建筑能耗约占总能耗的
27.6%。在建筑能耗中，采暖、制冷、空调和热水约占 75% [1]。一方面随着人民
生活水平的提高，我国住宅建筑空调器的普及率增长迅猛。1995 年空调器产量为
519.88 万台。2000 年产量增至 1826.7 万台，至 2004 年产量达到 6645.22 万台[2]。
2008 年，美国次贷危机引发的全球金融危机向实体经济蔓延，从而使得全球的市
场需求严重萎缩。尽管如此，全球制冷空调市场仍然实现市场销售额 700 亿美元，
同比 2007 年上涨了 2.5%。而我国也已经发展成为全球第二大制冷空调设备的消
费市场和第一大生产市场，制冷空调行业已成为我国装备工业的有生力量和国民
经济的重要组成部分[3]。另一方面，由于人们对清洁卫生的要求提高，特别是对
新型卫生设备的采用，使得卫生生活热水的供应需求也就越来越高。而目前，国
内家庭日用热水供应主要通过专门的热水加热器（如电热水器、燃气及燃油热水
器等）供给。据估计，发达国家家庭热水供应的能耗将成为继室内供暖空调后的
第二大能耗[4]。现有的暖通空调系统与电热水器所使用的能源基本上是高品位的
不可再生能源，其中电能占绝大比例。众所周知，我国的能源结构不尽合理，煤
炭是我国消耗的主要能源，占总消耗能源的 70%以上[2]。因此建筑节能工作迫在
眉睫。
能源的大量使用，使得地球资源日益匮乏，同时也带来严重的环境问题。
首先，城市是人口、商业、工业、交通高度集中的区域，由于人的活动和工
业生产排放出大量的热量，使城市气温比周围郊区气温高，这种现象被称为城市
的热岛(Heat island)。而空调、热水器等设备的迅速普及，使城市的热岛效应雪
上加霜。一方面由于我国大多采用火力发电。而煤、石油、天然气的等常规能源
的大规模使用，能源利用率低，矿物燃料燃烧时释放出的二氧化碳、氮氧化物、
环保节能型空调热水一体机的实验研究
2
硫化物、烟尘等有害物质严重危害到我们赖以生存的环境[5]。其中 CO2等温室气
体的大量排放是形成热岛效应的主要原因之一。另一方面，大量的空调冷凝热直
接或间接地排放至大气中也是形成热岛效应的原因之一。而环境温度的不断升高
恶化了空调的运行条件，使得空调 COP 下降、运行效率低下，空调器需要长时间
高负荷运行来保证人类的舒适感。这种低效率的运行将家中电能消耗，同时排放
更多的冷凝热形成恶性循环[6]，加重了城市热岛效应。在全球变暖的形势下，城
市热环境的恶化不容忽视。所以，空调系统冷凝热的回收也就得到了空调行业学
者的高度重视。
其次，空调用制冷剂氟利昂的排放与泄漏严重破坏了大气臭氧层。自 1936
以来，R22 在商业化生产与使用中已成为空调、冷库等制冷装置中应用最为广泛
的制冷剂之一。然而，由于 R22 是HCFCs 类物质，根据《关于破坏臭氧层物质
的蒙特利尔议定书》规定，R22 是继 R12 之后第二批要被淘汰的制冷剂。1993 年
《哥本哈根修正案》将 HCFCs 类物质的禁用日期规定为 2030 年，但基于对环境
保护的进一步认识，2007 年9月举行的《19 届蒙特利尔议定书关于耗损臭氧层物
质缔约方大会》中进行了明确地规定：对于发达国家到 2010 年削减 75%，到 2015
年削减 90%，2020 年完成生产量与消费量的加速淘汰，在 2020-2030 年期间只允
许有 0.5%供维修用；对于发展中国家，其消费量与生产量以 2009 年与 2010 年的
平均水平为基准，到 2015 年削减 10%，到 2020 年削减 35%，到 2025 年削减 67.5%，
在2030 年完成生产量与消费量的淘汰，在 2030-2040 年只允许有年平均 2.5%的
数量供维修用[7]。作为空调、冰箱的生产、消费和出口大国，这就促使我国加快
替代 HCFCs 的步伐。因此，寻找与使用 R22 替代工质的任务极其紧迫。
基于人们不断的研究，发现目前 R22 的主要替代工质包括 HFCs 类工质和天
然工质两大类。其中，美国和日本主张以 HFCs 类工质作为替代工质。呼声较高
的HFCs 类工质有二元近共沸混合制冷工质 R410A 和三元非共沸混合工质
R407C。这两种制冷剂均已成功替代 R22 并用于小型空调器批量生产中。尤其是
近几年来，R410A 的替代研究已成为热点。且其替代趋势明显超过了 R407C。该
类非共沸混合物理论上可利用各组分沸点不同来实现劳伦兹循环，提高制冷循环
效率。但是 HFCs 类工质仍然存在缺点：首先，它具有一定的 GWP 值(全球变暖
潜能值)，其中 R407C 的GWP100 为1530，R410A 的为 1730，属于需减排的温室
气体。其次，如 R410A 的排气压力比 R22 高50%~60%，这样就需要增强压缩机
运动部件的耐磨性和系统的管路强度；而 R407C 的热工性能稍差，是非共沸混合
物。另外，HFCs 类工质与 R22 使用的矿物油存在不相溶的缺点。这就需要使用
与之相溶的合成油。并且与干燥剂、密封材料及其他材料的相容性也需要进一步
第一章 绪论
3
研究。
而以德国为代表的欧盟国家则主张采用碳氢化合物等自然工质替代 HCFCs
和HFCs 等化工合成制冷剂。其 ODP 为0，GWP 值约 20 左右，不会对环境造成
危害，是一种完全环保制冷剂[8]。其中自然工质：R290（丙烷）的标准沸点、凝
固点等和 R22 接近，而导热系数比 R22 大，因此传热效果优良，粘性系数比 R22
小故而传热效果更好，能耗更低，从而使 R290 具有良好的性能指数。另外，
R290
的汽化潜热是 R22 的1.84 倍，因而过热损失和节流损失相对减少，该方面也可使
制冷循环效率有所提高，能耗有所降低。此外，R290 价格便宜，与目前广泛使用
的矿物油互溶，还与金属材料、软管材料相容，因此对干燥剂、密封材料也无更
高的要求。几乎无需改动就可在原机中直接充注。因此，R290 是一种比较理想的
替代物[9]。目前在我国和欧洲，R290 已经成功广泛地用于家用冰箱中。由于 R290
为易燃易爆气体，所以为采用自然工质替代 HCFCs 与HFCs，已有各种规则、标
准中逐渐放宽和明确规定可燃、可爆制冷剂的使用量，并已在移动空调器等整体
式空调器中开始得到应用。随着越来越多的人将目光投向了自然工质。自然工质
被已故前国际制冷学会主席 G. Lorentzen 称为解决环境问题的最终方案[10]。
§1.1.2 课题研究的目的及意义
近年来，随着生活水平的不断提高，家用空调在城市中日益普及，对生活热
水的需求也越来越大。为保证室内的热舒适性及生活热水的供应，常规系统不得
不分别提供室内空调及室内热水加热这两套独立的系统。独立运行方式的优势在
于易于调节，互不干扰。但也存在许多的弊端。首先，空调器运行时会向室外释
放出约为制冷量的1.3倍左右的冷凝热[11]。家用空调的大量使用将导致大量冷凝热
大量排放,这样一方面会造成浪费能源，另一方面也会使周围环境温度升高，造成
环境热污染，加剧城市及街区的“热岛效应”。其次，常规的空调器与电加热热水
器都要消耗大量的电能，加大一次能耗。而中国的电力供应主要由燃烧大量煤实
现，从而间接造成室外大气污染。这样以来，从有效利用能量的角度来讲，常规
家用空调系统和常规热水系统的分别用能方式不尽合理，也不符合我国可持续发
展战略的基本要求[12]。通常情况下，压缩机的排气温度一般在80℃左右，夏季空
调ARI为标准下机组的冷凝温度54.4℃，而家庭卫生生活用水的温度一般在40℃左
右[13]。因此，回收家用空调冷凝热用于加热生活热水是可行的。这样不仅减少了
冷凝热对环境造成的热污染，而且能够大量的节约用于加热热水的一次能源。同
时，作为环保型自然制冷工质，R290的使用能够有效保护环境，可谓一举两得。
另外，将空调的热泵系统和热泵热水器的热水系统两者合二为一，只使用一套热
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摘要为了缓解目前能源紧张和环境污染的局面，加速制冷剂R22的替代步伐，以及满足人们对热水需求的日益增长的现状，本文本着节能创新的思想，设计出了环保节能型空调热水一体机。它是一种使用环保型自然工质——丙烷（R290）作为制冷工质的，并能够回收冷凝热用于制备生活热水的热泵空调装置。它既具有常规热泵空调的制冷、制热功能，同时还可实现制冷兼制热水、制热兼制热水以及单独制热水的功能，可在一年四季内为用户制取60℃左右的生活用热水。首先，本文通过查阅国内外关于冷凝热回收及R22替代的研究现状，从而明确了课题研究的目的及意义；其次，在对比R290、R410A及R22的基本物性及热力性能以及借鉴已较成熟的热回...
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