空气源热泵热水器的性能和除霜实验研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 7 4 2.58MB 65 页 15积分
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摘要
能源紧张、拉闸限电、燃气涨价等问题的日益严峻使得人们重新思考能
源战略应用，同时人们的目光也被引向了新型能源的开发与利用，这促使传
统的、高能耗的家电产品逐步退出市场。空气源热泵热水器由于其节能、安
全、环保等特点顺应时代的发展。
空气作为热泵热水装置低温热源有着随处可取，无偿使用，且取之不尽，
用之不竭等优点。然而，由于环境空气在一年四季中的温度变化很大，而空
气温度对空气源热泵热水装置的能源效率、热水产率以及其它性能参数有着
直接的影响。为了研究全年不同环境条件下，空气源热泵热水装置的 COP、
热水产率、压缩机耗功、制冷剂流量特性等的变化情况，本文设计并建立了
空气源热泵热水装置实验台，根据所需参数确定精度和量程范围合适的实验
仪器，并对实验台进行调试，以确保实验的准确进行。
另外，当蒸发器表面温度低于 0℃且低于空气的露点温度时，空气流过蒸
发器时会在其表面结霜。在蒸发器表面结霜的早期，由于霜层形成时释放潜
热，且增加了传热表面的粗糙度及传热面积，对蒸发器的传热能力有所加强，
但随着霜层的加厚，使得翅片间的有效空气流通面积减少，增加了空气的阻
力，降低了空气的流量，且由于霜层的热导率约只有 0.23W/（m·℃），增加了
蒸发器内热泵工质与空气间的传热热阻，因而使蒸发器的传热恶化，热泵工
质从空气中的吸热能力下降，热泵的制热量下降，热水的加热温度达不到要
求值或加热时间过长。本文针对几种除霜方式，特别是利用载热剂循环除霜，
与四通阀换向除霜，进行了实验比较。
关键词：空气源热泵热水器 全年工况 性能系数 除霜 载热剂
四通阀
ABSTRACT
Problems such as energy shortage, power rationing and rise in price of gas are
getting more and more severe. That makes people rethink the energy strategy and takes
people’s view to exploitation and application of the new energy. In the meanwhile, the
traditional and high energy-consuming household appliances gradually withdraw from
the market. The air source heat pump water heater (ASHPWH) conforms to the trend of
the times due to its energy conservation, safety and environment protection.
As the low temperature heat source of ASHPWH, air is one of inexhaustible energy
which can be gotten everywhere and used without compensation. The ambient air
temperature varies widely throughout the year. Changes of the ambient air temperature
influence the COP, productivity of water, and other performance parameters directly. In
order to research the performance of ASHPWH in the year-round environment
condition, an experiment table is established.
When the surface temperature of evaporator is under 0 ℃and the dew-point
temperature of ambient air, frost will form in the surface while wind passes across it. In
the early stage of frosting, the heat-transfer capability of evaporator will be enhanced
because of the increased surface roughness and heat transfer area. But the effective area
of air will decrease and the air resistance increases with the thickening of frost. Besides,
the thermal resistances between heat pump fluids and air will increase as the thermal
conductivity of frost is only 0.23W/（m·℃）. Then problems come, such as decrease of
heat absorption capacity of heat pump fluids, heating capacity and COP, or the
over-long heating time. A new defrosting method is promoted, which uses heating
medium circulation. Another experiment table is established to analyze the performance
of ASHPWH when using this defrosting method and compare it to conventional
four-way valve reversion defrosting.
Keywords: ASHPWH, year-round, environment condition, COP,
defrosting, heating medium, four-way valve
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论..............................................................................................................1
§1.1 引言...............................................................................................................1
§1.2 选题背景及研究意义...................................................................................2
§1.2.1 卫生热水能耗.........................................................................................2
§1.2.2 热水器技术的发展.................................................................................3
§1.2.3 空气源热泵热水器概述及其经济性分析.............................................4
§1.3 国内外研究现状...........................................................................................5
§1.3.1 空气源热泵热水器的设计.....................................................................5
§1.3.2 系统结构形式.........................................................................................6
§1.3.3 蓄热水箱.................................................................................................7
§1.3.4 工质替代技术.........................................................................................8
§1.3.5 低温适应性.............................................................................................8
§1.3.6 除霜技术.................................................................................................9
§1.4 本课题的研究内容.....................................................................................10
第二章 空气源热泵热水器的工作过程和性能分析............................................11
§2.1 热泵技术.....................................................................................................11
§2.2 空气源热泵热水器简介.............................................................................12
§2.3 空气源热泵热水器的工作循环过程以及热力学分析.............................17
§2.3.1 空气源热泵热水器的工作过程..........................................................17
§2.3.2 空气源热泵热水器的典型循环..........................................................18
§2.3.3 工况参数对空气源热泵热水器的影响..............................................20
§2.4 本章小结.....................................................................................................22
第三章 空气源热泵热水器实验台设计及其全年工况下的性能研究................23
§3.1 实验台的设计.............................................................................................23
§3.2 测量系统.....................................................................................................24
§3.2.1 实验系统的水温测量...........................................................................24
§3.2.2 环境干湿球温度的测量.......................................................................31
§3.2.3 压力测量...............................................................................................32
§3.2.4 制冷剂流量测量...................................................................................32
§3.2.5 热泵装置功率测量...............................................................................33
§3.2.6 控制系统...............................................................................................33
§3.3 系统性能实验结果分析.............................................................................34
§3.3.1 实验系统热平衡分析..........................................................................34
§3.3.2 全年工况下的系统性能 ....................................................................36
§3.3.3 加热过程中水温对系统瞬时 COP 的影响........................................37
§3.3.4 不同环境温度下的热水加热时间......................................................37
§3.3.1 放水实验..............................................................................................38
§3.4 本章小结.....................................................................................................39
第四章 几种不同除霜方法的实验比较................................................................40
§4.1 常用除霜方法简介.....................................................................................40
§4.2 利用载热剂循环除霜的可行性研究..........................................................42
§4.3 对比试验台的建立.....................................................................................43
§4.3.1 实验思路..............................................................................................43
§4.3.2 载热剂的选择......................................................................................44
§4.3.3 理论分析..............................................................................................44
§4.3.4 测量系统..............................................................................................47
§4.4 实验内容.....................................................................................................49
§4.5 实验结果.....................................................................................................50
§4.5.1 热平衡分析..........................................................................................50
§4.5.2 三组对比实验性能比较......................................................................50
§4.5.3 两种除霜方式性能比较......................................................................51
§4.6 对利用载热剂循环除霜的改进意见.........................................................52
§4.7 本章小结.....................................................................................................53
第五章 结论............................................................................................................54
主要符号表..............................................................................................................55
参考文献..................................................................................................................56
在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果..........................................61
致谢..........................................................................................................................62
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
能源问题是一个世界性的问题，而且迫在眉睫。能源危机涉及到政治、
军事、经济等方面，同时也影响着社会稳定。现在全球的气候条件正在发生
着剧烈的变化，节能减排已成为社会最为关注的话题之一。2009 年12 月7日，
为期两周的联合国气候变化大会在丹麦首都哥本哈根开幕，192 个国家的领导
人就未来应对气候变化的全球行动签署新的协议。
随着社会的进步和人民生活水平的提高，建筑热水的能耗在不断增加。
在节能为主题的当今社会，利用太阳能、地热能、空气能等低品位能源是解
决建筑热水高能耗问题的有效途径，2006 年，旨在限制温室气体排放、遏制
全球变暖的《京都议定书》生效，大力鼓励并推广绿色环保新能源。此外，
热泵技术作为一种新能源技术，近年来在全世界范围内越来越受到人们的关
注。 “热泵”是一种能从空气、水或土壤中获取低品位能量，通过电力做功，
用来产生可被人们所利用的高品位热能的装置[1]。目前热泵已广泛应用于多个
领域，比如供暖、制取热水、干燥、浓缩、娱乐健身、种植、养殖、人工温
室等。进一步了解各种生产工艺中的热需求，并把热泵技术和工艺有机结合，
能够为热泵拓展更多的应用领域[2]。本课题的研究对象涉及到建筑能耗中的一
方面，利用热泵技术，从空气中获取能量，为人们提供日常生活所需的热量
和热水制备。
§1.2 选题背景及研究意义
§1.2.1 卫生热水能耗
我国是一个发展中大国，同时又是一个建筑大国，每年新建房屋的面积
高达 17-18 亿m2，超过了所有发达国家每年新建建筑面积的总和。建筑能耗
伴随着人们采暖、空调、采光等日常需求以及娱乐、工作等活动产生。2004
年，建筑能耗占全球总能耗的比例已高达 30%[3]。所谓建筑能耗指建筑使用能
耗，包括采暖、空调、热水供应、照明、炊事等方面的能耗。其中采暖、空
调能耗所占比例约为 60%~70% [4]。
随着经济发展和“城镇化”进程的加快，人们生活质量越来越高，卫生
空气源热泵热水器的性能和除霜实验研究
2
热水能耗在建筑能耗中越来越占有较大的比例，卫生热水节能也日益受到人
们重视。有调查显示，在各类商业建筑能耗中，卫生热水能耗比重为：写字
楼2.7%，商场 10.7%，饭店 31%，医院 41.8%[5]。城市居民建筑热水能耗，仅
洗澡热水用能就占据大约 20%的比重[6]。我国城镇人口已达 5亿左右，城镇家
庭热水器普及率已达 70%以上，富裕地区的农村也有很大一部分家庭开始使
用热水器。国外有调查研究得出，对于 42℃的卫生热水，人均耗量为 25~35 L/d，
4人家庭规模年人均耗量最大[7]。参照这一调查结果，考虑地区、气候条件等
差异，自来水初始温度定为 12℃，常规热水器效率为 90%，在我国，仅城镇
居民卫生热水的年能耗折算为电力消耗达到 175~245 亿kWh[8]。2002 年外经
贸部研究院市场研究部的研究结果显示，上海和广州生活热水洗澡用能占家
庭生活用能的比例分别是 13.1%和19.1%，各类公共建筑卫生热水能耗占总运
行能耗的比例范围为 20% ~40%[9,10]。
由上可见，建筑卫生热水能耗占据建筑能耗的比例越来越大，然而我国
目前商业建筑热水的供应主要是燃煤、燃油、燃气以及电锅炉等形式，也有
部分商业建筑采用了热泵技术，但范围还很有限。城镇居民建筑热水的获取
方式主要为电热水器以及燃气热水器 [11]。在许多欧洲国家，80％的家用热泵
用于供应生活用热水，在丹麦和挪威，热泵式热水器占家用热泵总数的比例
分别为 50％和 30％，甚至在南非等发展中国家，热泵热水器已占有市场 16%
的份额[12]。
2008 年9月，欧盟议会工业研究及能源委员会（ITRE）通过一项提案，
明确规定将所有类型的热泵技术视为可再生能源技术。在这项提案中，所有
类型的热泵（空气热源、水热源和地热源）均被纳入可再生能源技术范畴，
而且提案要求所有欧盟成员国都必须促进或强制要求在新建和现有建筑中使
用可再生能源技术[13]。所以深入开发热泵热水器可提高能源利用效率，回收
各种低品位废热，是解决建筑热水高能耗的有效途径之一。
§1.2.2 热水器技术的发展
随着人们生活水平的提高，生活热水的人均需求量也在日益增多，这使
得热水器逐步走入千家万户。根据有关调查显示，城镇居民家庭每百户拥有
热水器数量：1997 年为 39.8%，2000 年为 49.3%，2002 年为 62.4%[14] 。从
这些数据可以看出热水器的市场慢慢在扩大。此外，随着农村居民收入水平
逐步提高，国家对农村基础设施投入力度不断加大，加快农村电网建设和改
第一章 绪论
3
造步伐，家电消费环境大为改善，以及居民住房条件的改善等因素大大开拓
了热水器在农村的市场。
据中国五金制品协会的统计，2002 年中国城市家庭中，使用燃气热水器
的家庭所占比例为 57.4%，电热水器为 31.3%，太阳能热水器仅有 7.6%。但
是，一项城市家庭的购买预期调查则表明，三者的比例将演变成为 35.8%、
30.2%和23.2%。这三种常规热水器的特点比较如表 1-1 所示。
表1-1 三种常规热水器的特点比较
电热水器
燃气热水器
太阳能热水器
工 作
原理
利用电能通过电热丝
或陶瓷管加热热水
以燃气作为燃料，通过燃
烧加热方式将热量传递到
流经热交换器的冷水中以
达到制备热水的目的
利用太阳光能转化为热
能，将水从低温度加热到
高温度，以满足人们在生
活、生产中的热水使用
优点
电热水器是目前结构最简
单，使用最方便的一种热水
制取装置，电能百分百地转
换为热能；同时具有环保等
特点，对安装的要求也比较
简单，不受空间限制，可以
因地制宜。
开启就有热水，方便快速，
水温一致性好；用天然气
加热水，能源平衡性好；
占用空间小，便于安装，
较美观。
太阳能取之不尽、用之不
竭；只要有阳光，太阳能热
水器就可进行光热转换，太
阳能热水器一年四季均可
运行，节能且经济效益好；
使用寿命长；可与其它能源
配套使用，实现全天候运
行；太阳能作为一种洁净的
可再生能源，无环境污染，
无安全隐患。
缺点
即热式电热水器由于要大
功率供电，一般居民难以承
受，并且由于加热时水电不
分离，存在着较大安全隐
患。当用户需水量较大时，
等待时间较长，或需要功率
较大的加热器，代价较高。
尽管技术的进步使得安全
性方面大幅度提高，但由于
电是高品位热源，而热水获
取仅需要低品位热源，用高
品位能量制取低品位能量，
没有实现能量的分级利用，
本身就是一种能量的浪费。
能耗较高，热效率差，气
热水器尽管采用一次低品
位能源去制取热水，表面
看来，没有利用到高品位
能量，但由于燃气器的温
差较大，造成了较大的不
可逆损失；燃气燃烧后排
出大量的废气污染了大气
环境，同时也带走了大量
的热，损失严重，且加重
了城市的“热岛效应”
[15-17]。
初投资大，体积庞大，不利
于向城市推广；安装复杂，
如安装不当，会影响住房
的外观、质量及城市的市
容市貌；因太阳能热水器
安装在室外，多数在楼
顶、房顶，维护较麻烦；
受外界气候环境影响严重。
当冬天或阴雨天太阳能不
充足时，往往还需要附加其
它加热设备，以满足人们的
热水需求
国内利用热泵热水器也有产品报道，热泵技术运用于大型热水供应系统
仍有待深化研究和市场推广[18]。热泵热水器的优势主要体现在节能，可“移
摘要：

摘要能源紧张、拉闸限电、燃气涨价等问题的日益严峻使得人们重新思考能源战略应用，同时人们的目光也被引向了新型能源的开发与利用，这促使传统的、高能耗的家电产品逐步退出市场。空气源热泵热水器由于其节能、安全、环保等特点顺应时代的发展。空气作为热泵热水装置低温热源有着随处可取，无偿使用，且取之不尽，用之不竭等优点。然而，由于环境空气在一年四季中的温度变化很大，而空气温度对空气源热泵热水装置的能源效率、热水产率以及其它性能参数有着直接的影响。为了研究全年不同环境条件下，空气源热泵热水装置的COP、热水产率、压缩机耗功、制冷剂流量特性等的变化情况，本文设计并建立了空气源热泵热水装置实验台，根据所需参数确定...

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