文献综述张珂热能100256 30KW空.docx
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文献综述张珂热能10025630KW空
文献综述
题目30KW空气源热泵热水器
学生姓名张珂
专业班级热能与动力工程10-2班
学号541002020256院(系机电工程学院
指导教师(职称李春艳(副教授完成时间2014年3月7日
空气源热泵热水器
引言
能源是当今各个国家可持续发展中的重要课题。
我国经济已经经历了近30年的高速增长,而支持我国经济快速发展的基础之一是能源利用水平的迅速提高。
但是随着经济规模的迅速扩大,能源资源缺乏、结构不够合理、环境污染严重等问题日益突出。
党的十八大提出了到2020年国内生产总值要比2000年再翻两番的宏伟战略目标,这对能源安全等问题提出了更高的要求。
在新的形势下,我国有必要大力发展可再生能源[1],。
而热泵产品是当今世界先进的节能产品之一,空气源热泵热水器就是在这种背景下被人们所重视及推崇起来的。
1课题研究背景及意义
1.1能源是人类活动的物质基础
在某种意义上讲,人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。
在节约不可再生能源的同时,人类还在寻求开发利用新能源以适应人口增加和能源枯竭的现实,这是历史赋予现代人的使命,而新能源有效地开发利用必定要以高科技为依托。
如开发利用太阳能、风能、潮汐能、水力、地热及其他可再生的自然界能源,必须借助于先进的技术手段,并且要不断地完善和提高,以达到更有效地利用这些能源[2]。
同时尽量减少不可再生能源的消耗,提高能源的使用效率也是节能技术中的一个重要课题。
中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国。
能源供应持续增长,为经济社会发展提供了重要的支撑。
能源消费的快速增长,为世界能源市场创造了广阔的发展空间。
中国已经成为世界能源市场不可或缺的重要组成部分,对维护全球能源安全,正在发挥着越来越重要的积极作用。
1.2中国能源资源现有特点及分类
新中国成立以来,不断加大能源资源勘查力度,组织开展了多次资源评价。
中国能源资源有以下特点:
1能源资源总量比较丰富;
2人均能源资源拥有量较低;
3能源资源赋存分布不均衡;
4能源资源开发难度较大。
1低位热源
低位热源处处皆是,形式颇多,数量可观,其利用的前景也很远大。
但是这些低位热源的利用过程还存在一些技术和经济上的困难。
1.1空气
空气作为低位热源用之不竭,取之不尽。
空气源热泵装置和使用也都比较方便,但其使用也有一些缺点。
室外空气的状态参数随地区和季节的不同而变化,这对热泵的容量和制热性能系数影响很大。
当室外温度较低、供热量较大时,热泵供热量与建筑物耗热量之间就存在着供需矛盾问题。
冬季室外温度很低时,空气在换热器表面有凝结成霜的可能性,因此在寒冷地区要解决除霜问题。
此外,由于空气热容量小,所以风机的容量较大,空气源热泵装置的噪声也较大。
1.2水
水是很理想的热源,其热容量大,传热性能好,换热设备较为紧凑,而且水源一般较稳定。
但是水不像空气那样随处可得,而且水的使用也有一定的局限性。
以水为低位热源的热泵必须靠近水源,或有一定的蓄水装置。
1.3土壤
土壤也是良好的低温热源。
它像空气一样处处皆有,其温度变化不大,换热器基本上不需要除霜,并有一定的蓄热作用。
同其他热源一样,它的使用也有局限性,比如导热系数小、土壤对埋地盘管的腐蚀作用以及地温变化等影响因素。
1.4太阳能
太阳能是一切能源的主要来源,也是一种无污染、无穷尽的自然可再生能源。
在能源和环境已成为人类面临的两大社会问题的今天,太阳能的利用得到了越来越广泛的重视。
而且可以保护环境。
太阳能的利用率与蓄热水池容量有密切关系。
在同样的情况下,蓄热水池容积若增大若干倍,则几乎可以提供全年的需要热量,同时系统的利用率也很高。
但是,我们通常不可能设置相当庞大的蓄热水池,因此,在利用太阳能作为热源时,一般都将其和其他热源结合,或是增设补充加热设备。
选择低位热源时应注意因地制宜。
低位热源要有足够的数量和较高的品味。
热泵热源温度的高低是影响热泵运行性能的主要因素之一。
在一定得供热温度条件下,热泵的热源温度与供热温度之间的温差越小,热泵的理论制热性能就越大。
为了减少热泵与供热之间的温度,我们需采取相应措施以提高热泵的经济效益。
例如,采用地板辐射采暖或采用大面积的加热器,可以使供热温度降低40度-45度,大大提高系统的性能系数。
由于各种低位热源存在的固有问题尚无有效的解决方法,所以研究土壤、空气、水、太阳能及蓄热的综合利用措施是当前的发展趋势。
使用具有双热源的热泵综合各种热源的优点,提高性能系数。
1.3小结
随着资源环境问题的日益突出,节能减排工作已成为我国政府的工作重点,可再生能源的开发和利用得到了前所未有的重视和发展。
近年来,空气源热泵技术作为安全、节能、环保、高效的可再生能源真空泵技术已日趋成熟,被国内不少专家和企业看好。
热水器行业中的空气源热泵热水器行业发展迅速,逐渐从商业应用步入到寻常百姓家庭,同时随着推广力度的加大,空气源热泵新一代热水器也正为我国的环保事业贡献着更大的力量。
2.热泵热水器国内外发展情况
2.1国外研究状况
1824年,卡诺提出热-功转换概念即“卡诺循环”,奠定了热泵的理论基础。
1850年,开尔文在此理论的基础上,提出了“逆卡诺循环”的热泵概念。
从此以后,世界各国开始对热泵技术的研究,热泵产业得到很大的发展[3]。
从目前的研究现状来说,在技术创新上,1998年PetterNeksa等提出了利用二氧化碳作为空气源热泵热水器工质来解决R22的温室效应问题,并且开发样机进行实验研究。
该系统在气候环境0℃的情况下能够把水的温度从9℃升高到60℃,并且COP值高达4.3。
二氧化碳热泵系统不仅比电加热设备减少75%的能耗,并且另外一个特点就是出水温度很容易可以达到90℃[4]。
MasahiroKobayashi对低温寒冷地区进行了CO2热泵热水器研究,为日本寒冷地区的CO2热泵热水器使用提供依据[5]。
在系统结构方面,美国学者Stefans.Bertsch[6]等通过对带中间冷却器的双级压缩循环、带经济器的双级压缩循环、复叠式循环三种循环进行稳态模拟,认为在-30℃环境温度下复叠式循环具有最好运行特性。
SatoruOkamoto研制的热泵系统利用海水作为低温热源,向房间进行供热[7]。
由于单热源热泵系统很多时候受到气候、地域的限制,因此近年来不少高校、研究所都在从事复合热源热泵系统的研究,例如晴天可以充分利用太阳能,阴雨天则可以采用空气源热泵辅助供热[8]。
在动态模拟上,G.L.Morrison[9]等提出了利用Trnsys仿真软件对热泵进行全年综合性的动态仿真,并且评定了各类热泵性能等级;MinsungKim[10]等对热泵热水器的不同型号水箱进行动态模拟,认为水箱体积越小,瞬间性能退化越大;相反水箱体积越大,热量损失越快。
ChristianJ.L.Hermes等利用热力学第一定律对家用冰箱的开启闭合建立了瞬间动态仿真,对比实验数据表明误差值在10%内[11]。
总之,目前国外针对普通的定频空气源热泵热水器进行了很多研究,取得了一定的成果,例如,针对定频空气源热泵热水器目前存在的问题,提出了一种直流变频空气源热水器[12]。
面对国际上正在限用HCFC类制冷剂,国外HCFC—22的主要替代物为R407C、R410A和HFC-134a等。
有关HCFC—22的替代物,从环保性能、使用性能和经济成本等方面来讲,都不是太理想,国外正在做进一步的探索和研究[13]。
2.2国内研究状况
我国的热泵研究相对其他发达国家的热泵发展来说,有一段明显的滞后期[14]。
目前,空气源热泵热水器的理论基础渐趋成熟,并且在工程应用上越来越普遍。
然而空气源热泵热水器对环境气候依赖性大,因此国内不少研发人员不断提出系统结构改良、系统优化、技术创新方案。
具体如下:
在技术改良方面,以西安交通大学、哈尔滨工业大学为代表,探讨降低蒸发器空气侧的结霜,减少传热热阻,强化蒸发器对流换热[15-17]。
在结构创新方面,陈光明[18]等提出了一种用于低温环境下新型空气源热泵装置,它既可以采用传统单级空气源热泵方式运行,又可按复叠循环方式运行,这样热泵制热应在最佳节能控制条件下运行以实现最大限度节能。
但是这样的系统相对复杂,投资成本高。
在系统优化方面,上海交通大学的张洁[19]等在空气源热泵热水器产品的基础上,对系统的充注量、冷凝盘管长度以及系统匹配问题加以讨论,提出优化并进行相应计算和试验验证;
同济大学苏生、陈汝东教授[20]从经济学的角度出发,把握热泵供热量、功率消耗、环境因素以及价格问题,认为热泵热水器具有一个最佳热容量的选取问题。
在系统稳态模拟上,国内已经有很多相关的研究[21],这里不一一细述。
在动态模拟方面,华南理工大学刘金平教授[22]在已有的热泵热水器动态试验数据基础上拟合试验结果,建立模型,研究储热水箱水温变化和外界环境的温湿度变化对运行性能影响,并计算分析我国南方地区热泵年供热性能系数。
总的来说,国内热泵技术研究开发工作的起点和发展历史与国外相比有较大差距。
我国的热泵事业刚开始起步,而且发展势头看好。
目前,利用较多的是水源热泵,而用空气源热泵制取生活用热水在国内近几年刚刚起步。
空气源热泵热水器由于安全、节能、寿命长、不排放毒气等诸多优点,以及可以有效解决目前国内有关部门对节约能源、环保、安全等各方面比较棘手的问题,而受到社会各方面的广泛关注。
最近,由于其在节能创新方面业绩突出,热泵热水器已经被国家科技部列入"火炬计划"[23]。
3.工作原理
空气源热泵热水器一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、过滤器、储液罐、储水箱及辅助热源等部分组成,如图1。
运用逆卡诺循环原理,以空气作为低温热源获取热量,经过压缩机的压缩变为高温热能,并传递到水箱中把冷水加热。
其工作流程如下:
首先,传热工质(过热液体媒体在蒸发器内吸收低温热源的热量,蒸发成气体媒体,经过压缩器的压缩,变为高温高压的气体媒体;高温高压的气体媒体流经冷凝器将热能传递给冷水,同时自身变为高压液体媒体;高压液体媒体在膨胀阀中减压,再变成过热液体媒体,进入蒸发器,完成一个循环;通过冷凝器向冷水中不断放热,使水逐渐升温,达到制热水的目的。
4.空气源热泵热水器节能、经济和环保效益分析
4.1.1节能效益分析
通过计算,使用四种不同形式热水器供一户家庭全年生活热水,全年实际耗热量、空气源热泵热水器较其他形式热水器全年节约的耗热量如表2所示。
可见,空气源热泵热水器除和太阳能热水器耗能量相差不大,几乎可以忽略不计,但较其他两种形式热水器大大节省了常规能源的费用,具有很好的节能效益。
4.1.2经济效益分析
根据杭州市物价局规定,居民生活电价取0.53元(不考虑杭州市实行的阶梯电价制度,居民生活用气价格2.4元/m3,则四种形式的热水器运行费用、空气源热泵热水器较其他形式热水器节约费用如表3所示。
可见,空气源热泵热水器运行费用是电热水器运行费用的1/3,是燃气热水器运行费用的2/3左右,与太阳能热水器的运行费用几乎可以忽略不计。
相对于普通的电热水器,计算出空气源热泵热水器的静态回收年限、静态投资回报率等,如表4所示。
可见,使用空气源热泵系统的初始投资虽然较电热水器稍贵,但由于在运行时通过少量的电能输入获得了其3倍~4倍的能量,较电能直接制热大大节省
了能源消耗和费用,增加投资额可以通过使用过程中节省的常规能源费用偿还,在使用周期内完全可以回收成本,并减少常规能源费用。
4.1.3环保效益分析
根据上述分析,一台家用空气源热泵热水器相对于家用电热水器一年可节约5840MJ能量,折合成用电量约为1622kWh。
根据国家发展改革委气候司2006年~2008年电量边际排放因子的加权平均值,华东区域电网的碳排放因子0.8592kg(CO2/kWh,则可减少1393kg二氧化碳排放量,在使用寿命(按10年计内,则可减少13.93t二氧化碳的排放,具有良好的环保效益。
4.1.4小结
空气源热泵热水器较其他形式热水器,具有节能、经济、环保、使用便利等诸多优点,十分适用于我国南方地区家庭使用。
在解决好除霜问题后,其应用范围可逐渐扩大到北方地区。
由于空气源热泵热水器行业成长时间较短、政府扶持力度相对较小、产品价格较高,导致其市场份额、市场认知度都较低,但在能源紧缺的今天,其节能环保的优势日益突出,已逐步受到重视。
随着国家和地方政府一系列补助、扶持政策的推出,会极大地推动该项技术的普及应用,其发展前景十分良好。
4.2空气源热泵热水器发展特点
随着国民经济持续、稳定发展,人民生活水平逐渐提高,如热泵热水器这样的绿色、环保、节能等产品逐渐受到消费者的认知,市场份额也在这年增加。
近几年热泵热水器行业的发展,呈现出如下几个方面的特点:
1、行业成长时间短,整体认知度较低
热泵产品作为一种创新型的节能产品,对于消费者来说是一种新生事物,2003年前后国内市场才刚刚启动,整体知名度非常低。
据新华社在2007年针对我国5个城市1035名消费者的问卷调查,只有4.2%的消费者了解这一产品,有78.6%的家庭用户从未听说过热泵热水器。
热泵产品的社会普及面临着巨大的困难,消费者的认知需要一个漫长的过程。
不过可喜的是,曾经使用过热泵热水器的家庭再次购买热水器时,几乎会选择热泵热水器,并且大家都愿意推荐亲戚朋友购买。
2、太阳能热水器、家电企业纷纷进入
近年来热泵热水器市场快速、高水平增长,吸引大量的资本进入。
这几年,传统家电竞争日益激烈,利润日益萎缩,可再生能源行业的政策倾斜和高利润的驱使,如:
美的、海尔、长虹、小天鹅、美菱、荣事达、格力、清华同方等部分传统家电企业或是多元化或是转型进入热泵行业。
另外,一些太阳能热水器生产企业看好空气能的发展前景,以完全转型或者贴牌的方式上马项目,比如华扬、辉煌、荣事达、日利达、清华阳光、金比得、天舒、太阳雨、五星等已经介入热泵行业。
有关专家预计,最近几年将会有更多的企业涌入热泵行业,使热泵产业迅速壮大,从而也使热泵行业的竞争加剧。
3、行业整体规模小,缺乏领军品牌
目前热泵行业规模还比较小,领军品牌缺位。
第一,行业销售规模小。
根据大美研究中心预测2008年的销售过麽大约在15个亿,和销售规模接近400亿元的太阳能热水器相比相差很远,和电热水器或者燃气热水器相比就更远了。
第二,热泵行业还未出现一个领军品牌。
由于市场需求急剧膨胀以及行业准入制度的得不完善,一些具备和不具备生产能力的资本纷纷涌入,造成绝大多数空气源热泵热水器生产企业规模很小,专业生产水平较低,市场开拓力度不够,目前仅数家品牌具有知名度。
4、与太阳能相比,政策扶持力度不够目前,国家已经或正在陆续出台一些与鼓励太阳能利用相当的补贴政策、产业基地政策;地方政府也在出台一些相关政策,如:
江苏省建设厅发布了相关文件,即12层以下住宅强制安装太阳能的补充政策,消费者选择空气能视同太阳能一样的待遇。
然而,和太阳能行业国家级、部级、地方级的100多项政策相比,热泵热水器企业还没有完全享受到节能、环保产业的优惠财税政策,热泵热水工程用户也没有享受到相关的补贴政策,政府对于热泵行业的政策支持还不能与太阳能行业相比。
5、行业加速标准化势头明显国家相关标准不断推出,热泵行业产品质量良莠不齐的局面正在加速改观。
2008年1月14日,《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》国家标准由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合批准发布,该标准于2008年05月01日起实施。
2008年4月,全国冷冻空调设备标准化技术委员会颁布了工商业用热泵热水机国家标准(GB/T213622008。
2008年6月,北京中冷通质量认证中心按该国家标准制定了热泵热水机认证规
则,开始在热泵热水机行业里推行CRAA认证。
截至到2008年10月1日,有27家企业取得了热泵热水器单元的工业产品生产许可证。
行业标准的推出,可以有效地规避竞争,淘汰不符合标准的企业,提高竞争门槛,提升整个行业的美誉度,促进行业进入规范化的经营阶段。
6、行业技术水平仍需进一步提高
近年来,一些有实力的企业一直非常重视技术的研发,而且也取得了可喜的成绩。
但是整体来看,由于空气源热泵热水器进入我国市场时间较短,行业准入制度不完善,企业参差不齐,企业普遍研发投入不够,产品技术水平不高。
具体表现在如下几个方面:
第一,热泵热水器的核心部件压缩机技术落后,据悉,目前国内只有广州三菱电机等几家可提供热泵热水器专用压缩机,绝大多数企业从国外进口压缩机或者使用空调压缩机。
第二,目前仍有众多热泵热水器及时加热效果差、没有解决好化霜的问题,在进入冬季之后出现结霜现象。
第三,就是空气源热泵热水器的水箱技术也不够成熟,有时造成水箱爆裂。
总体来看,我国热泵热水器的技术水平与世界相比,无论是制造水平还是设计工艺方面,还有一定的差距,还有很大的提升空间。
7、行业内专业技术人员短缺现象明显因为空气源热泵热水器作为一个新产品进入市场,对技术服务的依赖性很大,从产品安装、正确使用到售后维修,每个环节都需要工作人员具有较强的综合专业知识与技能。
一方面,很少人知道热泵热水器,这就需要经销商一方面销售产品,一方面还对相应的知识进行普及和讲解。
另外,热泵有特殊的原理,需要专业人员进行安装与调试,尤其是在热泵机组的工程中显得尤为突出,从方案的制定、管道的铺设到管道压力的控制甚至管道连接处的一个垫圈,都离不开专业技术人员的设计施工。
但是由于目前我国热泵产业很多企业是“半路出家”,由家电或者太阳能企业等其他类型转型而来,所以热泵专业技术人员的短缺是目前热泵产业一个普遍现象。
4.3空气源热泵有待解决的问题及改进方向
目前国内外对商用热泵热水器已进行了大量深入的研究,并取得了一定的成果及较广泛的应用。
但是,目前家用热泵热水器尚存在许多问题亟待解决。
总的来说,当前应用家用热泵热水器亟待解决四大问题:
第一、COP水平,涉及热泵循环的选择;压缩机的性能、寿命、成本设计;热交换器换热能力与阻力的匹配,热媒的选择等问题。
第二、可靠性,与传统热水器相比热泵热水器使用较多的零部件,换热系统须承受可变压力下的蒸汽压力,并目要在变化的环境中工作,尤其在严酷寒冷条件下热泵热水器的寿命尤感不足,所以工作可靠性和寿命是必须获得保证的。
第三、经济性。
衡量热泵热水器的经济性一方面要考虑运行费另一方面要考虑初投资及随后的维修费等其余费用。
运行费用除了能源价格外还必须考虑一次能使用的经性。
第四、噪声。
热泵热水器的噪吉来源有风机噪声、压缩机噪声、散热器回路噪声及发动机噪声。
另外空气源热泵热水器,特别是家用储水式热泵热水器,由于系统对热负荷变化的响应时间较长,还存在热惰性大、出热水较慢以及连续出水温度随时间下降快等技术问题。
5.结论与展望
事实上,目前国内的热水器市场仍以燃电当家。
而太阳能热水器品牌众多但由于自身的缺点目前还不能与燃电并驾齐驱。
热泵热水器被称为第四类热水器产品,其所具有的优点决定了它必将成为一种极具发展前途的热水器,同时热泵热水器产品更加符合国家的能源政策,特别是近年来由于能源问题而促使世界各国正大力倡导及支持节能产品的开发和推广。
相信随着技术的进一步发展、制造成本的进一步降低,热泵热水器是最有理由成为取代太阳能热水器及高端大容量电热水器以及容积式燃气热水器的理想产品,并最终将在庞大的热水器市场中占有重要的一席之位[24].
总的看来,我国空气源热泵的研究和应用工作已经取得了一定的成就,但仍存在一些不足之处,如:
节能除霜方法、新工质新循环的替代、系统的智能控制等方面仍有待改进。
在今后的研究中应努力解决好这些问题,以此促进空气源热泵在我国获得更加广阔的发展空间和应用前景。
[25]。
参考文献
[1]倪金莲,独具魅力的空气源热泵热水器.节能与环保,2011
[2]项招鹏.复叠式蓄热型热泵热水器性能优化分析.保存地:
华南理工大学,2010
[3]吴薇.空气源—水源复合热泵循环系统的性能研究[D],保存地:
东南大学,2005
[4]PetterNeksa.CO2-heatpumpwaterheater:
characteristics,systemdesignandexperimentalResults[J].IntJ.Refrig,1998,21(3:
172-179
[5]MasahiroKobayashietal.ColdAreasCO2heatpumpheatingandwaterheatersystem
forcoldareas[R].9thIEAHeatPumpConference,Sweden,2008
[6]StefanS.Bertsch,EckhardA.Groll.Two-stageair-sourceheatpumpforresidentialheatingandcoolingapplicationsinnorthernU.S.climates[J].IntJ.Refrigeration,2008
[7]SatoruOkamoto.Aheatpumpsystemwithalatentheatstorageutilizingseawaterinstalledinanaquarium[J].EnergyandBuilding,2006(38:
121-128
[8]OzerKaraetal,Exergeticassessmentofdirect-expansionsolar-assistedheatpumpsystems:
Reviewandmodeling[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2008(12:
1383-1401
[9]G.L.Morrison,T.Anderson,M.Behnia.Seasonalperformanceratingofheatpumpwaterheaters.SolarEnergy,2004(76:
147-152
[10]MinsungKim,MinSooKim,JaeDongChung.Transientthermalbehaviorof
awaterheatersystemdrivenbyaheatpump[J].IntJ.Refrigeration,2004,27(4:
415~421
[11]ChristianJ.L.Hermes,CláudioMelo.Afirst-principlessimulationmodelforthestart-upandcyclingtransientsofhouseholdrefrigerators[J].IntJ.Refrigeration,2008(31:
1341-1357
[12]蔡芳芳,刘乃玲,李楠,直流变频空气源热泵热水器的实验研究[J].节能.2010年2月:
33-35.
[13]朱明善、史林、王鑫。
国际上限用HCFC类制冷剂的态势与我国对策的建议[J].制冷与空调。
2001年12月:
1-7
[14]蒋能照.空调用热泵技术及应用[D].机械工业出版社,1999
[15]YangYao,YiqiangJiang,ShimingDeng,ZuiliangMa.Astudyo
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