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文獻綜述
題 目 30KW空氣源熱泵熱水器
學生姓名
專業(yè)班級
學 號
院 （系）
指導教師(職稱)
完成時間
空氣源熱泵熱水器
0.引言
能源是當今各個國家可持續(xù)發(fā)展中的重要課題。我國經(jīng)濟已經(jīng)經(jīng)歷了近 30 年的高速增長，而支持我國經(jīng)濟快速發(fā)展的基礎之一是能源利用水平的迅速提高。但是隨著經(jīng)濟規(guī)模的迅速擴大，能源資源缺乏、結構不夠合理、環(huán)境污染嚴重等問題日益突出。黨的十八大提出了到2020年國內(nèi)生產(chǎn)總值要比2000年再翻兩番的宏偉戰(zhàn)略目標，這對能源安全等問題提出了更高的要求。在新的形勢下，我國有必要大力發(fā)展可再生能源[1]， 。而熱泵產(chǎn)品是當今世界先進的節(jié)能產(chǎn)品之一，空氣源熱泵熱水器就是在這種背景下被人們所重視及推崇起來的。
1課題研究背景及意義
1.1 能源是人類活動的物質基礎
在某種意義上講，人類社會的發(fā)展離不開優(yōu)質能源的出現(xiàn)和先進能源技術的使用。在節(jié)約不可再生能源的同時，人類還在尋求開發(fā)利用新能源以適應人口增加和能源枯竭的現(xiàn)實，這是歷史賦予現(xiàn)代人的使命，而新能源有效地開發(fā)利用必定要以高科技為依托。如開發(fā)利用太陽能、風能、潮汐能、水力、地熱及其他可再生的自然界能源，必須借助于先進的技術手段，并且要不斷地完善和提高，以達到更有效地利用這些能源[2]。同時盡量減少不可再生能源的消耗，提高能源的使用效率也是節(jié)能技術中的一個重要課題。
中國是目前世界上第二位能源生產(chǎn)國和消費國。能源供應持續(xù)增長，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供了重要的支撐。能源消費的快速增長，為世界能源市場創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展空間。中國已經(jīng)成為世界能源市場不可或缺的重要組成部分，對維護全球能源安全，正在發(fā)揮著越來越重要的積極作用。
1.2中國能源資源有的特點
新中國成立以來，不斷加大能源資源勘查力度，組織開展了多次資源評價。中國能源資源有以下特點：
1)能源資源總量比較豐富;
2)人均能源資源擁有量較低;
3)能源資源賦存分布不均衡;
4)能源資源開發(fā)難度較大。
1.3小結
隨著資源環(huán)境問題的日益突出，節(jié)能減排工作已成為我國政府的工作重點，可再生能源的開發(fā)和利用得到了前所未有的重視和發(fā)展。 近年來，空氣源熱泵技術作為安全、節(jié)能、環(huán)保、高效的可再生能源真空泵技術已日趨成熟，被國內(nèi)不少專家和企業(yè)看好。熱水器行業(yè)中的空氣源熱泵熱水器行業(yè)發(fā)展迅速，逐漸從商業(yè)應用步入到尋常百姓家庭，同時隨著推廣力度的加大，空氣源熱泵新一代熱水器也正為我國的環(huán)保事業(yè)貢獻著更大的力量。
2.熱泵熱水器國內(nèi)外發(fā)展情況
2.1國外研究狀況
1824 年，卡諾提出熱-功轉換概念即“卡諾循環(huán)”，奠定了熱泵的理論基礎。1850 年，開爾文在此理論的基礎上，提出了“逆卡諾循環(huán)”的熱泵概念。從此以后，世界各國開始對熱泵技術的研究，熱泵產(chǎn)業(yè)得到很大的發(fā)展[3]。
從目前的研究現(xiàn)狀來說，在技術創(chuàng)新上，1998 年 Petter Neksa 等提出了利用二氧化碳作為空氣源熱泵熱水器工質來解決 R22 的溫室效應問題，并且開發(fā)樣機進行實驗研究。該系統(tǒng)在氣候環(huán)境 0℃的情況下能夠把水的溫度從 9℃升高到 60℃，并且 COP 值高達 4.3。二氧化碳熱泵系統(tǒng)不僅比電加熱設備減少 75%的能耗，并且另外一個特點就是出水溫度很容易可以達到 90℃[4]。Masahiro Kobayashi 對低溫寒冷地區(qū)進行了 CO2熱泵熱水器研究，為日本寒冷地區(qū)的 CO2熱泵熱水器使用提供依據(jù)[5]。
在系統(tǒng)結構方面，美國學者 Stefans.Bertsch[6]等通過對帶中間冷卻器的雙級壓縮循環(huán)、帶經(jīng)濟器的雙級壓縮循環(huán)、復疊式循環(huán)三種循環(huán)進行穩(wěn)態(tài)模擬，認為在－30℃環(huán)境溫度下復疊式循環(huán)具有最好運行特性。Satoru Okamoto 研制的熱泵系統(tǒng)利用海水作為低溫熱源，向房間進行供熱[7]。由于單熱源熱泵系統(tǒng)很多時候受到氣候、地域的限制，因此近年來不少高校、研究所都在從事復合熱源熱泵系統(tǒng)的研究，例如晴天可以充分利用太陽能，陰雨天則可以采用空氣源熱泵輔助供熱[8]。 在動態(tài)模擬上，G.L.Morrison[9]等提出了利用 Trnsys 仿真軟件對熱泵進行全年綜合性的動態(tài)仿真，并且評定了各類熱泵性能等級；Minsung Kim[10]等對熱泵熱水器的不同型號水箱進行動態(tài)模擬，認為水箱體積越小，瞬間性能退化越大；相反水箱體積越大，熱量損失越快。Christian J. L.Hermes 等利用熱力學第一定律對家用冰箱的開啟閉合建立了瞬間動態(tài)仿真，對比實驗數(shù)據(jù)表明誤差值在 10%內(nèi)[11]。
總之，目前國外針對普通的定頻空氣源熱泵熱水器進行了很多研究,取得了一定的成果，例如，針對定頻空氣源熱泵熱水器目前存在的問題,提出了一種直流變頻空氣源熱水器[12]。面對國際上正在限用HCFC類制冷劑,國外HCFC—22的主要替代物為R407C、 R410A和HFC -134a等。有關HCFC—22的替代物,從環(huán)保性能、使用性能和經(jīng)濟成本等方面來講，都不是太理想，國外正在做進一步的探索和研究[13]。
2.2國內(nèi)研究狀況
我國的熱泵研究相對其他發(fā)達國家的熱泵發(fā)展來說，有一段明顯的滯后期[14]。目前，空氣源熱泵熱水器的理論基礎漸趨成熟，并且在工程應用上越來越普遍。然而空氣源熱泵熱水器對環(huán)境氣候依賴性大，因此國內(nèi)不少研發(fā)人員不斷提出系統(tǒng)結構改良、系統(tǒng)優(yōu)化、技術創(chuàng)新方案。具體如下：
在技術改良方面，以西安交通大學、哈爾濱工業(yè)大學為代表，探討降低蒸發(fā)器空氣側的結霜，減少傳熱熱阻，強化蒸發(fā)器對流換熱[15-17]。
在結構創(chuàng)新方面，陳光明[18]等提出了一種用于低溫環(huán)境下新型空氣源熱泵裝置，它既可以采用傳統(tǒng)單級空氣源熱泵方式運行，又可按復疊循環(huán)方式運行，這樣熱泵制熱應在最佳節(jié)能控制條件下運行以實現(xiàn)最大限度節(jié)能。但是這樣的系統(tǒng)相對復雜，投資成本高。
在系統(tǒng)優(yōu)化方面，上海交通大學的張潔[19]等在空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品的基礎上，對系統(tǒng)的充注量、冷凝盤管長度以及系統(tǒng)匹配問題加以討論，提出優(yōu)化并進行相應計算和試驗驗證；
同濟大學蘇生、陳汝東教授[20] 從經(jīng)濟學的角度出發(fā)，把握熱泵供熱量、功率消耗、環(huán)境因素以及價格問題，認為熱泵熱水器具有一個最佳熱容量的選取問題。
在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬上，國內(nèi)已經(jīng)有很多相關的研究[21]，這里不一一細述。在動態(tài)模擬方面，華南理工大學劉金平教授[22]在已有的熱泵熱水器動態(tài)試驗數(shù)據(jù)基礎上擬合試驗結果，建立模型，研究儲熱水箱水溫變化和外界環(huán)境的溫濕度變化對運行性能影響，并計算分析我國南方地區(qū)熱泵年供熱性能系數(shù)。
總的來說，國內(nèi)熱泵技術研究開發(fā)工作的起點和發(fā)展歷史與國外相比有較大差距。我國的熱泵事業(yè)剛開始起步,而且發(fā)展勢頭看好。目前,利用較多的是水源熱泵,而用空氣源熱泵制取生活用熱水在國內(nèi)近幾年剛剛起步?？諝庠礋岜脽崴饔捎诎踩?、節(jié)能、壽命長、不排放毒氣等諸多優(yōu)點,以及可以有效解決目前國內(nèi)有關部門對節(jié)約能源、環(huán)保、安全等各方面比較棘手的問題,而受到社會各方面的廣泛關注。最近,由于其在節(jié)能創(chuàng)新方面業(yè)績突出,熱泵熱水器已經(jīng)被國家科技部列入"火炬計劃"[23]。
3.工作原理
空氣源熱泵熱水器一般由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、過濾器、儲液罐、儲水箱及輔助熱源等部分組成，如圖1。運用逆卡諾循環(huán)原理，以空氣作為低溫熱源獲取熱量，經(jīng)過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責崮?，并傳遞到水箱中把冷水加熱。其工作流程如下: 首先，傳熱工質( 過熱液體媒體) 在蒸發(fā)器內(nèi)吸收低溫熱源的熱量，蒸發(fā)成氣體媒體，經(jīng)過壓縮器的壓縮，變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w媒體;高溫高壓的氣體媒體流經(jīng)冷凝器將熱能傳遞給冷水，同時自身變?yōu)楦邏阂后w媒體; 高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變成過熱液體媒體，進入蒸發(fā)器，完成一個循環(huán); 通過冷凝器向冷水中不斷放熱，使水逐漸升溫，達到制熱水的目的。
4 .空氣源熱泵熱水器節(jié)能、經(jīng)濟和環(huán)保效益分析
4.1.1 節(jié)能效益分析
通過計算，使用四種不同形式熱水器供一戶家庭全年生活熱水，全年實際耗熱量、空氣源熱泵熱水器較其他形式熱水器全年節(jié)約的耗熱量如表2 所示?？梢?，空氣源熱泵熱水器除和太陽能熱水器耗能量相差不大，幾乎可以忽略不計，但較其他兩種形式熱水器大大節(jié)省了常規(guī)能源的費用，具有很好的節(jié)能效益。
4.1.2 經(jīng)濟效益分析
根據(jù)杭州市物價局規(guī)定，居民生活電價取0． 53 元( 不考慮杭州市實行的階梯電價制度) ，居民生活用氣價格2． 4 元/m3 ，則四種形式的熱水器運行費用、空氣源熱泵熱水器較其他形式熱水器節(jié)約費用如表3 所示。
可見，空氣源熱泵熱水器運行費用是電熱水器運行費用的1 /3，是燃氣熱水器運行費用的2 /3 左右，與太陽能熱水器的運行費用幾乎可以忽略不計。相對于普通的電熱水器，計算出空氣源熱泵熱水器的靜態(tài)回收年限、靜態(tài)投資回報率等，如表4 所示。
可見，使用空氣源熱泵系統(tǒng)的初始投資雖然較電熱水器稍貴，但由于在運行時通過少量的電能輸入獲得了其3 倍～ 4 倍的能量，較電能直接制熱大大節(jié)省了能源消耗和費用，增加投資額可以通過使用過程中節(jié)省的常規(guī)能源費用償還，在使用周期內(nèi)完全可以回收成本，并減少常規(guī)能源費用。
4.1.3 環(huán)保效益分析
根據(jù)上述分析，一臺家用空氣源熱泵熱水器相對于家用電熱水器一年可節(jié)約5 840 MJ 能量，折合成用電量約為1 622 kWh。根據(jù)國家發(fā)展改革委氣候司2006 年～2008 年電量邊際排放因子的加權平均值，華東區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子0． 859 2 kg( CO2) /kWh，則可減少1 393 kg 二氧化碳排放量，在使用壽命( 按10 年計) 內(nèi)，則可減少13． 93 t 二氧化碳的排放，具有良好的環(huán)保效益。
4.1.4小結
空氣源熱泵熱水器較其他形式熱水器，具有節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保、使用便利等諸多優(yōu)點，十分適用于我國南方地區(qū)家庭使用。在解決好除霜問題后，其應用范圍可逐漸擴大到北方地區(qū)。由于空氣源熱泵熱水器行業(yè)成長時間較短、政府扶持力度相對較小、產(chǎn)品價格較高，導致其市場份額、市場認知度都較低，但在能源緊缺的今天，其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢日益突出，已逐步受到重視。隨著國家和地方政府一系列補助、扶持政策的推出，會極大地推動該項技術的普及應用，其發(fā)展前景十分良好。
4.2空氣源熱泵熱水器發(fā)展特點
隨著國民經(jīng)濟持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，人民生活水平逐漸提高，如熱泵熱水器這樣的綠色、環(huán)保、節(jié)能等產(chǎn)品逐漸受到消費者的認知，市場份額也在這年增加。近幾年熱泵熱水器行業(yè)的發(fā)展，呈現(xiàn)出如下幾個方面的特點：
1、 行業(yè)成長時間短，整體認知度較低
熱泵產(chǎn)品作為一種創(chuàng)新型的節(jié)能產(chǎn)品，對于消費者來說是一種新生事物，2003 年前后國內(nèi)市場才剛剛啟動，整體知名度非常低。據(jù)新華社在 2007 年針對我國 5 個城市 1035名消費者的問卷調查，只有 4.2%的消費者了解這一產(chǎn)品，有 78.6%的家庭用戶從未聽說過熱泵熱水器。熱泵產(chǎn)品的社會普及面臨著巨大的困難，消費者的認知需要一個漫長的過程。不過可喜的是，曾經(jīng)使用過熱泵熱水器的家庭再次購買熱水器時，幾乎會選擇熱泵熱水器，并且大家都愿意推薦親戚朋友購買。
2、 太陽能熱水器、家電企業(yè)紛紛進入
近年來熱泵熱水器市場快速、高水平增長，吸引大量的資本進入。這幾年，傳統(tǒng)家電競爭日益激烈，利潤日益萎縮，可再生能源行業(yè)的政策傾斜和高利潤的驅使，如：美的、海爾、長虹、小天鵝、美菱、榮事達、格力、清華同方等部分傳統(tǒng)家電企業(yè)或是多元化或是轉型進入熱泵行業(yè)。另外，一些太陽能熱水器生產(chǎn)企業(yè)看好空氣能的發(fā)展前景，以完全轉型或者貼牌的方式上馬項目，比如華揚、輝煌、榮事達、日利達、清華陽光、金比得、天舒、太陽雨、五星等已經(jīng)介入熱泵行業(yè)。有關專家預計，最近幾年將會有更多的企業(yè)涌入熱泵行業(yè)，使熱泵產(chǎn)業(yè)迅速壯大，從而也使熱泵行業(yè)的競爭加劇。
3、 行業(yè)整體規(guī)模小，缺乏領軍品牌
目前熱泵行業(yè)規(guī)模還比較小，領軍品牌缺位。第一，行業(yè)銷售規(guī)模小。根據(jù)大美研究中心預測 2008 年的銷售過麼大約在 15 個億，和銷售規(guī)模接近 400 億元的太陽能熱水器相比相差很遠，和電熱水器或者燃氣熱水器相比就更遠了。第二，熱泵行業(yè)還未出現(xiàn)一個領軍品牌。由于市場需求急劇膨脹以及行業(yè)準入制度的得不完善，一些具備和不具備生產(chǎn)能力的資本紛紛涌入，造成絕大多數(shù)空氣源熱泵熱水器生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模很小，專業(yè)生產(chǎn)水平較低，市場開拓力度不夠，目前僅數(shù)家品牌具有知名度。
4、 與太陽能相比，政策扶持力度不夠 目前，國家已經(jīng)或正在陸續(xù)出臺一些與鼓勵太陽能利用相當?shù)难a貼政策、產(chǎn)業(yè)基地政策；地方政府也在出臺一些相關政策，如：江蘇省建設廳發(fā)布了相關文件，即 12 層以下住宅強制安裝太陽能的補充政策，消費者選擇空氣能視同太陽能一樣的待遇。然而，和太陽能行業(yè)國家級、部級、地方級的 100 多項政策相比， 熱泵熱水器企業(yè)還沒有完全享受到節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)業(yè)的優(yōu)惠財稅政策，熱泵熱水工程用戶也沒有享受到相關的補貼政策，政府對于熱泵行業(yè)的政策支持還不能與太陽能行業(yè)相比。
5、行業(yè)加速標準化勢頭明顯 國家相關標準不斷推出，熱泵行業(yè)產(chǎn)品質量良莠不齊的局面正在加速改觀。2008 年1 月 14 日，《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機》國家標準由國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會聯(lián)合批準發(fā)布，該標準于 2008 年 05 月 01 日起實施。2008 年 4 月，全國冷凍空調設備標準化技術委員會頒布了工商業(yè)用熱泵熱水機國家標準(GB／T213622008)。2008 年 6 月，北京中冷通質量認證中心按該國家標準制定了熱泵熱水機認證規(guī)則，開始在熱泵熱水機行業(yè)里推行 CRAA 認證。截至到 2008 年 10 月 1日，有 27 家企業(yè)取得了熱泵熱水器單元的工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證。行業(yè)標準的推出，可以有效地規(guī)避競爭，淘汰不符合標準的企業(yè)，提高競爭門檻，提升整個行業(yè)的美譽度，促進行業(yè)進入規(guī)范化的經(jīng)營階段。
6、 行業(yè)技術水平仍需進一步提高
近年來，一些有實力的企業(yè)一直非常重視技術的研發(fā)，而且也取得了可喜的成績。但是整體來看，由于空氣源熱泵熱水器進入我國市場時間較短，行業(yè)準入制度不完善，企業(yè)參差不齊，企業(yè)普遍研發(fā)投入不夠，產(chǎn)品技術水平不高。具體表現(xiàn)在如下幾個方面：第一，熱泵熱水器的核心部件壓縮機技術落后，據(jù)悉，目前國內(nèi)只有廣州三菱電機等幾家可提供熱泵熱水器專用壓縮機，絕大多數(shù)企業(yè)從國外進口壓縮機或者使用空調壓縮機。第二，目前仍有眾多熱泵熱水器及時加熱效果差、沒有解決好化霜的問題，在進入冬季之后出現(xiàn)結霜現(xiàn)象。第三，就是空氣源熱泵熱水器的水箱技術也不夠成熟，有時造成水箱爆裂。總體來看，我國熱泵熱水器的技術水平與世界相比，無論是制造水平還是設計工藝方面，還有一定的差距，還有很大的提升空間。
7、行業(yè)內(nèi)專業(yè)技術人員短缺現(xiàn)象明顯 因為空氣源熱泵熱水器作為一個新產(chǎn)品進入市場，對技術服務的依賴性很大，從產(chǎn)品安裝、正確使用到售后維修，每個環(huán)節(jié)都需要工作人員具有較強的綜合專業(yè)知識與技能。一方面，很少人知道熱泵熱水器，這就需要經(jīng)銷商一方面銷售產(chǎn)品，一方面還對相應的知識進行普及和講解。另外，熱泵有特殊的原理，需要專業(yè)人員進行安裝與調試，尤其是在熱泵機組的工程中顯得尤為突出，從方案的制定、管道的鋪設到管道壓力的控制甚至管道連接處的一個墊圈，都離不開專業(yè)技術人員的設計施工。但是由于目前我國熱泵產(chǎn)業(yè)很多企業(yè)是“半路出家”，由家電或者太陽能企業(yè)等其他類型轉型而來，所以熱泵專業(yè)技術人員的短缺是目前熱泵產(chǎn)業(yè)一個普遍現(xiàn)象。
4.3空氣源熱泵有待解決的問題及改進方向
目前國內(nèi)外對商用熱泵熱水器已進行了大量深入的研究，并取得了一定的成果及較廣泛的應用。但是，目前家用熱泵熱水器尚存在許多問題亟待解決。
總的來說，當前應用家用熱泵熱水器亟待解決四大問題：
第一、COP 水平,涉及熱泵循環(huán)的選擇；壓縮機的性能、壽命、成本設計；熱交換器換熱能力與阻力的匹配，熱媒的選擇等問題。
第二、可靠性，與傳統(tǒng)熱水器相比熱泵熱水器使用較多的零部件，換熱系統(tǒng)須承受可變壓力下的蒸汽壓力，并目要在變化的環(huán)境中工作，尤其在嚴酷寒冷條件下熱泵熱水器的壽命尤感不足，所以工作可靠性和壽命是必須獲得保證的。
第三、經(jīng)濟性。衡量熱泵熱水器的經(jīng)濟性一方面要考慮運行費另一方面要考慮初投資及隨后的維修費等其余費用。運行費用除了能源價格外還必須考慮一次能使用的經(jīng)性。
第四、噪聲。熱泵熱水器的噪吉來源有風機噪聲、壓縮機噪聲、散熱器回路噪聲及發(fā)動機噪聲。 另外空氣源熱泵熱水器，特別是家用儲水式熱泵熱水器，由于系統(tǒng)對熱負荷變化的響應時間較長，還存在熱惰性大、出熱水較慢以及連續(xù)出水溫度隨時間下降快等技術問題。
5.結論與展望
事實上，目前國內(nèi)的熱水器市場仍以燃電當家。而太陽能熱水器品牌眾多但由于自身的缺點目前還不能與燃電并駕齊驅。熱泵熱水器被稱為第四類熱水器產(chǎn)品，其所具有的優(yōu)點決定了它必將成為一種極具發(fā)展前途的熱水器，同時熱泵熱水器產(chǎn)品更加符合國家的能源政策，特別是近年來由于能源問題而促使世界各國正大力倡導及支持節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)和推廣。相信隨著技術的進一步發(fā)展、制造成本的進一步降低，熱泵熱水器是最有理由成為取代太陽能熱水器及高端大容量電熱水器以及容積式燃氣熱水器的理想產(chǎn)品，并最終將在龐大的熱水器市場中占有重要的一席之位[24].
總的看來, 我國空氣源熱泵的研究和應用工作已經(jīng)取得了一定的成就, 但仍存在一些不足之處, 如: 節(jié)能除霜方法、新工質新循環(huán)的替代、系統(tǒng)的智能控制等方面仍有待改進。在今后的研究中應努力解決好這些問題, 以此促進空氣源熱泵在我國獲得更加廣闊的發(fā)展空間和應用前景。[25]。
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