张飞 空气源热泵技术研究现状及其应用.docx

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张飞空气源热泵技术研究现状及其应用

河南农业大学

本科生毕业论文（设计）

题目空气源热泵技术研究现状及其应用

学院机电工程学院

专业班级09级能源1班

学生姓名张飞

指导教师荆艳艳

撰写日期：

2013年4月27日

摘要

随着人们生活水平的提高，热水器几乎走进了各家各户。

在节能减排已经成为时代潮流的今天，节约能源，减少碳排放是最时尚的生活方式。

空气源热泵热水器在人们的生活中越来越多地被运用。

众所周知它的优点有很多，安全、省电、舒适、环保，但是还有一些因素影响着它的发展与推广。

本文主要论述空气源热泵技术在国内外的发展历史，工作原理，工作流程，现阶段的Turbo技术，高效换热,，采用新型制冷工质及双频压缩变频等空气源热泵技术的研究现状，接着论述空气源热泵技术应用，有优势，最后论述它的应用及存在的两大主要问题和改进建议。

关键词：

空气源热泵；热水器；节能减排；研究现状

AirsourceheatpumptechnologyResearchandApplication

Abstract

Withtheimprovementofpeople'slivingstandard,waterheatersalmostwalkedintoeachhousehold.Energyconservationhasbecomethetrendofthetimes,savingenergy,reducingcarbonemissionsisthemostfashionablelifestyle.Airtowaterheaterhasbeenusedmoreandmoreinpeople'slives.Aseveryoneknowsithasalotofadvantages,safety,powersaving,comfortable,environmentalprotection,buttherearesomefactorsaffectingitsdevelopmentandpromotion.Thispapermainlydiscussesthedevelopmenthistoryoftheairsourceheatpumptechnologyathomeandabroad,workingprinciple,workingprocess,atthisstageoftheTurbotechnology,efficientheatexchange,researchstatus,thenewrefrigerantanddual-frequencycompressionvariablefrequencyairsourceheatpumptechnology,thendiscussestheapplicationofairsourceheatpumptechnologyandtheadvantage，finallydiscussesitsapplicationandtheexistenceoftwomajorproblemsandsuggestionsforitsimprovement.

Keyword:

Airsourceheatpump;waterheater;energysaving;researchstatus

目录

1引言1

2空气源热泵技术的发展1

2.1空气源热泵在国外发展1

2.2空气源热泵在国内的发展2

3空气源热泵工作原理及流程2

3.1空气源热泵的工作原理2

3.2空气源热泵的工作流程4

4空气源热泵制热方式及特点4

4.1空气源热泵制热方式.4

4.2空气源热泵的特点5

5空气源热泵的主要技术及其优势6

5.1空气源热泵的主要技术6

5.1.1Turbo技术6

5.1.2高效换热技术7

5.1.3采用新型制冷工质7

5.1.4双级压缩变频技术7

5.2空气源热泵的研究8

5.2.1空气源热泵结霜及除霜问题研究8

5.2.2空气源热泵除霜特性及控制方法问题的研究10

5.3空气源热泵的优势12

6空气源热泵的应用及存在问题13

6.1空气源热泵的应用13

6.2空气源热泵存在的问题14

7空气源热泵改进方向建议14

参考文献16

致谢17

1引言

随着节能环保政策的提出，空气源热泵的优点已被广大用户所接受。

首先，空气作为低温热源，取之不尽，用之不竭，随处可见，可以无条件的使用。

其次，一机两用，冬季供热水，夏季降温，可以节省一套冷却水系统及锅炉。

第三，可安装在室外，有效面积，不占用建筑安装方便，操作管理方便。

最后，设备齐全的保护和控制系统，设备的可靠性高。

空气源热泵的工作原理即逆卡诺循环原理，是一种从空气中吸收热量并输送到室内采暖的能量应用方式。

在节能减排已经成为时代潮流的今天，节约能源，减少碳排放是最时尚的生活方式，空气源的绿色环保，低碳减排特点带给了空气源热泵更广阔的市场，尤其随着双级压缩，复叠循环，变频压缩，Turbo，高效换热等技术的发展和使用，空气源热泵技术结霜技术的相应解决，其应用前景更是越来越广了。

2空气源热泵技术的发展

随着科学技术的发展和工业革命的到来空气源热泵技术行业在国内和国外都得到了快速的发展。

2.1空气源热泵在国外发展

随着工业革命的发展，从1924年，人们对将热量是否能从较低的介质“泵”到较高的介质这个问题产生了强烈兴趣。

英国物理学家J.P.Joule提出通过“改变可压缩流体的压力就可以改变其温度”的原理。

1854年，教授W.Thomson（开尔文勋爵），是著名的论文提出热量倍增器这一概念，并第一次描述了热泵的想法。

当时，热泵加热主要对象还是是平民，总供热需求不大，特别是加热方式及其对环境的影响还没有足够的意识。

加热方式主要靠煤和木材，因此，热泵的发展已经长时间落后于空调的发展。

在20世纪30年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵随着快速发展起来。

特别是在第二次世界大战后，工业经济的发展带来了供暖大量需求和能源相对的短缺，于是促进了大型供热和工业热泵发展。

1973年全球能源危机，进一步促进了热泵在世界范围内的发展。

在热泵在世界上大规模商业应用的最近20年当中，如美国，在1985有14000台地源热泵，1997年，安装45000，到目前为止，已安装的400000台，并且保持稳定的经济增长率为每年10%。

2.2空气源热泵在国内的发展

在中国，空气热水器在2002年左右第一次进入，并登陆与广东。

由于其超高的效率和全天的特点，在低于60℃热水市场中迅速推广到酒店，学校，工厂，体育场馆和其它的企事业单位中。

中国对热泵的研究是从20世纪开始的，从20世纪50年代开始，天津大学的学者开始对热泵研究，20世纪60年代在中国应用空调暖通中，20世纪70年代末，热泵的开发和应用的机会到来，在20世纪80年代初至20世纪90年代末，中国暖通空调出现热泵。

2008年，空气能热水器得到国家政策的支持，实现更大发展，业内人士表示，迎来了“空气能热水器的青春期”。

2008年5月1日，《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》国家标准的颁布实施，对商用热泵热水器生产和工程安装提供了参考依据，对行业内的公司行为发挥引导和规范的作用，同时，提高了行业的进入门槛，帮助了提高该行业的整体技术水平，有助于行业的健康发展。

空气能热泵热水等节能环保项目，各级政府财政给予补贴支持。

政府的政策鼓励和支持社会各界人士对空气热泵热水节能效果的逐步认知认可，空气能热泵热水器经历了几年的起步阶段，开始进入快速增长阶段。

近几年，中国关于空气源热泵技术的研究发展到：

对空气源热泵结霜、化霜问题的研究，空气源热泵节能问题的研究以及计算机模拟在空气源热泵系统中的应用阶段了。

3空气源热泵工作原理及流程

3.1空气源热泵的工作原理

空气源热泵是一种全新型生产热水的设备。

空气源热泵热水器又称为“空气源热泵热水器”“热泵热水器”“空气能热水器”等。

空气源热泵主要包含两个部分：

一个是空气源，另一个是热泵。

空气源是热量的源泉，热泵是利用相对较少的能源（如电力）来使热量从低温环境流向高温环境的的一种节能装置，其工作原理与制冷机相似，都是按逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。

一台完整的空气源热水器包含2个主要部分：

制造冷气部分和加热热水部分。

但其实这两个部分又是紧密的联系在一起的，密不可分，必须同时工作。

即在加热热水的同时，给厨房制冷。

或者说在给厨房制冷的同时也在加热热水。

空气源热泵中央热水机组一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、过滤器、储液罐、单向阀、电磁阀、冷凝压力调节水阀、储水箱等几部分组成。

其系统简图如图1所示

图1空气源热泵系统简图

空气源热泵工作原理：

1.低温低压制冷剂经膨胀机构节流降压后，进入空气交换机中蒸发吸热，从空气中吸收大量的热量QA

2.蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压的制冷剂（此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分：

一部分是从空气中吸收的热量QA，一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量QB）；

3.被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器，将其所含热量（QA+QB）释放给进入热换热器中的冷水，冷水被加热到55℃（最高达65℃）直接进入保温水箱储存起来供用户使用；

4.放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机构，节流降，如此不间断进行循环。

通过让工质不断完成蒸发（吸取环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。

空气源热水器与空调的原理有一定的相似性，并且应用程序的逆卡诺原理。

通过吸收空气中大量的低温热能，经过压缩机压缩后变为高温度的热量就会传递到罐中，水被加热。

整个过程是一个能量传递过程中（转移到用于从空气中的水），不是能量转换过程中，没有一个是通过电加热元件，用于加热的热水，或燃烧产生的可燃气体的热水中加热。

因此，采用热泵技术可以节约大量的电能，空气能热水器是传统电热水器的1/4，燃气、燃油热水器的1/6，燃煤锅炉的3/5，太阳能热水器的1/2。

3.2空气源热泵的工作流程

空气源热泵工作流程如图2所示：

压缩机将回流的低压冷媒压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经缠绕在水箱外面的铜管，热量经铜管传导到水箱内，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，并吸收大量的热量。

同时，在风扇的作用下，大量的空气流过蒸发器外表面，空气中的能量被蒸发器吸收，空气温度迅速降低，变成冷气排进厨房。

随后吸收了一定能量的冷媒回流到压缩机，进入下一个循环。

图2空气源热泵工作流程图

4空气源热泵制热方式及特点

4.1空气源热泵制热方式.

1.直热式

蒸发器和冷凝器都在主机内，冷水直接进入主机，经冷凝器一次性直接加热到预设温度，然后在冷水压力的自作用下，直接送到保温水箱中。

优点是保持出水就是预设温度也就是人们需要的热水，节能效果较好;缺点是当保温水箱中的水温降时，还要用水泵抽回到主机加热或是用电辅加热。

2.循环式

蒸发器和冷凝器都在主机内，但冷水直接进到保温水箱中，再用水泵抽回到主机加热，必须多要一个循环泵，加热的方式是分层式循环加热，因为他是把水温经多次循环分层次加热到预设温度。

优点是能效比较直热式高一些，因为所要增加的温度越接近原始温度，热传导效果越好，能效也越高。

缺点是必须用循环泵所以会浪费一些电，热水输送的管径较长，所以能耗要多一些，冷水从上面进入保温水箱，从下面出热水，而一般热水比冷水轻，所在一个容器中的水通常上面的要比下面的热，所以上面加冷水会导致出水温度不能恒定，会混水。

3.分体直热式（又称之为：

速热式）

主机中只有蒸发器，冷凝器却在保温水箱中，冷水从下面注入，热水是透过冷水向上的顶力排出，所以其不必象循环机那样必须要循环泵，而且其冷凝器直接在水箱中与水交换热量，所以换热直接，不要经过任何管径，那样能效和加热速度肯定要高于循环机，因其从上面出热水，所以能基本保持排出的热水恒定。

[如因特殊情况必须用循环式，那么用大小水箱的方式就能解决，所以他的另一优势是具有可变性强。

4.2空气源热泵的特点

不同种类的空气源热泵其特点有一定的差异，但从整体角度考虑的话基本上是相同的，都具有很多优越的特点，其主要特点所述如下：

1）安全性：

利用从空气中吸收热量来加热水的温度，水，电完全分离，并设置了多重保护，没有安全隐患。

2）节能：

空气源热泵处理加热水的能源消耗量小，是电热水器的1/5，燃气热水器的1/6，燃油热水器的1/4，普通太阳能的2/3，更可以利用低谷电，以达到更节能的效果。

3）环保：

通过国家节能协会的“绿色节能产品”，不污染环境，低噪音运行的标准。

通过采用美国“谷轮”最先进的控制系统加本公司的人性化设计，设有记忆功能，停电后自动恢复，温度控制运行，亦可实现时间控制，插上插头，一切不用您操心，便可产生源源不断的热水。

4）自动清洗：

岗松热泵热水器长期使用的公共，自动清洗，以确保热泵水箱清洁，保持热效率，延长寿命。

5）全天使用：

一个二十四小时热水供应系统，无论阴天，雨天，春天，夏天，秋天和冬天，白天和黑夜，只要有空气就有热水，可以从-100℃至30℃的低温热源，通过热泵机组作用，达到温度约60℃的热水。

6）使用寿命长：

空气能热泵热水器采用世界上先进的涡旋式压缩机和的双开槽亲水性的铝制散热器，有效防止酸雨的腐蚀，在主机上。

7）多重功能：

空气源热泵热水器既有热水，空调，采暖的多种功能，这么典型的能源节约热水制冷设备

8）环保产品，无污染，无任何燃烧外排物，不会对人体造成伤害，具有良好的社会效益。

9）空气能热水器系统运行自动化，自动运行，无需值守，自带温控装置和保温层，自动加水，供热，电力，24小时热水。

用户可以在任何天气条件下，热水随时享用。

10）方便：

空气能热水器具有占地面积小，与形状相似的空调室外机，可直接连接到保温水箱或供热管网连接，不仅十分方面，安装相当简便容易操作，而且更能够吸引人的是适用范围比较广泛，主要集中于高层建筑的大型，中型城市，大型中央供暖问题，其优势相当突出。

没有太阳能电池板，减少占面积95％，比使用太阳能集热器和太阳能水加热设备面积减少50％左右，节省了大量的太阳能集热器面积，减少了储热水箱的体积。

5空气源热泵的主要技术及其优势

5.1空气源热泵的主要技术

5.1.1Turbo技术

使用Turbo技术的空气源热泵，启动压缩机时的同时，启动了Turbo功能，使压缩机的输出功率瞬间增加20％左右，因此实现了快速升降温，并且使空气源热泵快速达到预设的温度并进入保温阶段，耗能严重的启动阶段的时间就大大缩短了，从而达到了节能的目的。

与一般的压缩技术相比，其缩短启动时间能够达到40％左右，从而节约电能约为30％。

采用Turbo技术热泵的启动时间效果与一般热泵启动时间比较如图3所示。

图3采用Turbo技术的热泵与一般热泵比较图

5.1.2高效换热技术

高效节能空调是通过增大与空气的换热面来实现的。

根据自然物理现象“水蒸发效率”这一原理，依靠蒸发吸收空气中的热量达到降温目的：

当热空气经过实际换热面积100倍有水蒸发的湿帘时，其大量的热量都被空气吸收了，从而实现了空气降温的过程。

因此其与传统的压缩技术相比，其特点不是体现在压缩机上，而是体现在增大换热面上。

5.1.3采用新型制冷工质

研制出新型的制冷工质，使空气源热泵系统能随着环境温度的变化，而改变参加循环的制冷剂。

这种系统型式复杂，采用此技术的障碍是如何根据实际状况确定制冷剂的组成、充注量，如何解决制冷剂的泄漏速度对系统热力性能的影响等。

采用Ｒ505A和R404A工质，其在高压缩比下仍可稳定运行，但是相对于其它低温热泵系统来说，COP相对较低。

曾经提出的非共沸制冷剂，，通过改变系统中混合工质的成分等方法，来提高和改善在空气源热泵在低温环境下的制热性能。

5.1.4双级压缩变频技术[2]

针对单级系统低温工况下制热性能低、排气温度高的特点，提出了双级压缩变频空气源热泵系统，当蒸发温度小于-25度，压缩机的压缩比大于8时，应当采用双级压缩技术。

由蒸发器出来的低压蒸气先经过压缩机的低压级（一级）压缩机吸入进行压缩至中间压力的气态制冷剂，经中冷器冷却后的蒸气再由高压级（二级）压缩机吸入，压缩到冷凝压力后排入冷凝器。

其工作流程为：

低压缸吸气—低压级压缩—低压缸排气—中压冷却（中冷器）—高压缸吸气—高压级压缩—高压缸排气（冷凝压力），采用一次节流不完全冷却，双级压缩的方式。

变频压缩技术是相对于转速恒定的压缩技术来讲的，其通过一种控制方式或手段使转速在一定范围内连续调节，并且能够连续改变输出能量的压缩技术。

其核心部件是变频器。

变频器通过改变压缩机的供电频率加上调节压缩机的转速。

依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的。

室温波动小，电能消耗少，舒适度在很大程度上都有所提高。

而运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷以及除湿运转方式，使居室不仅能够在短时间内迅速达到需求的温度，并且能够在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动，实现了快速、节能及舒适控制温度的效果。

把两者有机结合起来就形成了双级压缩变频空气源热泵。

如图4所示为双级压缩变频空气源热泵系统原理图，

图4双级压缩变频空气源热泵系统原理图

系统通过切换四通阀和电磁阀来改变制冷剂流向以实现制冷、单级压缩制热和双级压缩制热功能。

制冷工况和单级压缩制热工况和一般空气源热泵系统，高压级噩缩枫不工作，节流装置B关闭，电磁阀开启。

制冷工况时，四通阀断电并且处于制冷位置，室内换热器为蒸发器，而室外换热器为冷凝器；单级压缩制热工况时，四通阀通电此时处于制热位置，室内换热器为冷凝器，室外换热器为蒸发器。

当环境温度较低时，打开节流装置B，关闭电磁阀，高压级压缩机投入运行，热泵系统开始按照双级压缩制热工况工作。

冬季制热工况时采用逆向除霜方式对室外换热器进行除霜，除霜时开启除除霜旁通阀，同时提高低压级压缩机频率，从而能够缩短除霜时间。

除双级压缩技术以外，还有双级耦合技术和复叠式热泵技术，对解决空气源热泵的低温适用性问题也能起到了明显的效果。

双级耦合热泵系统，利用空气源热泵从室外空气中吸取热量，制取10～20℃的水作作为水源热泵的低位热源，再制取较高温度热水向建筑物供暖，使热泵机组低温运行范围将有效扩大。

对于复叠热泵机组，该机组通过电磁阀可以在单级与复叠循环间进行切换。

计算结果表明，该机组在冬季较低的室外环境温度下也能够节能运行中。

5.2空气源热泵的研究

5.2.1空气源热泵结霜及除霜问题研究[3]

关于如何处理空气源热泵的结霜，提高空气源热泵的效率这一问题，曾经做了大量的技术研究，包括结霜、防止或延缓的研究及除霜的研究。

1）空气源热泵结霜的理论研究

结霜是除霜和防止或延缓结霜的基础，也是一个相当复杂的。

通过引入理论建立模型的方式来进行研究。

根据成核理论、晶体动力学理论和气象理论等，建立起关于结霜的较为准确的数学物理模型，并进行抑制结霜方面的研究。

从理论和实验２个方面研究了结霜对蒸发器传热特性及热泵性能的影响。

为了分析结霜对蒸发器性能的影响，根据分布参数法，在热质平衡及压力平衡的基础上，将结霜过程视为准稳态过程，建立了空气－空气热泵蒸发器的数学模型，将结霜模型和传热特性联系起来，建立较为详细的翅片管换热器结霜模型和翅片管式蒸发器结霜工况下的数学模型。

2）空气源热泵结霜的实验研究

主要通过实验对翅片管式换热器结霜过程进行研究，这是因为这种换热器的几何形状和它的表面形状都比较复杂。

因此只有通过实验研究不同的翅片结构随着换热器结霜状态下性能的变化，并采用对结霜的动态过程拍照后借助计算机图像处理的方法和对复杂几何形状表面的结霜及其沿空气流动方向结霜厚度分布情况进行定量分析，才能为翅片管蒸发器动态结霜过程的模拟提供定量化的实验数据。

对流条件下结霜现象实验研究表明：

随着空气流速的增大，过冷水珠存续时间先缩短后延长，冻结粒径却随着增大，但是空气流速对初始霜晶形状的影响并不明显。

通过大量的实验研究，已经掌握有关结霜的物理过程和结霜规律，并为下一步的防止或延缓结霜和除霜的研究打下了良好的基础。

3）空气源热泵防止或延缓结霜方法的研究

（1）改变室外换热器周围环境参数

关于室外换热器周围的空气状态与其表面结霜是否有着密切关系的问题，做过大量的研究。

在室外换热器入口布置固体除湿剂，来降低室外换热器入口空气的含湿量，从而抑制结霜。

研究表明：

固体除湿剂对抑制结霜随时间的长短而有所变化，在开始的一段时间内，固体除湿剂对抑制结霜有明显效果，但随着除湿剂吸收水蒸气能力的减弱，抑制结霜的作用也随之降低。

关于在蒸发器空气入口处安装一个吸附床，来降低入口空气湿度，用来抑制蒸发器表面结霜。

由于该系统只能间歇运行，在没有太阳照射的时间里，吸附床的再生主要依靠吸附床内的电加热器完成。

还有辅助室外换热器的热泵系统，供热工况正常运行时，辅助室外换热器能够提高主室外换热器周围的空气温度，从而起到延缓结霜的作用的。

（2）改变机组系统流程或蒸发器结构参数

在改变空气源热泵系统流程方面的研究不是很多。

通过在压缩机出口与蒸发器入口间连接上一根旁通管，通过增加旁通管内的制冷剂流量来抑制蒸发器的表面结霜，但是因蒸发器入口温度的提高，导致了系统制热量降低。

通过在热泵系统的室内换热器中，加上一个制冷剂电加热器。

在接通电加热器时，该系统工质压力及温度较普通系统高，使室外换热器表面温度比普通的热泵系统高1~2℃，能起到了有效地延缓结霜时间的作用。

但此系统消耗电能且工艺复杂。

在改变蒸发器结构方面，结果表明：

当室外蒸发器面积比原来的增大1倍时，热泵机组的蒸发温度平均提高2.5℃左右，机组结霜时间减少5.1％～82％左右。

此外，学者通过研究还表明，通过增加气流入口处沿气流方向的肋片尺寸，也有减少其结霜的倾向；增大翅片间距可以延缓结霜，但是翅片间湿度的对抑制作用会产生影响。

（3）改变蒸发器表面特性

通过表面处理技术在室外换热器表面添加疏水镀层可使水滴，使容易脱落，从而延缓了结霜。

也有研究表明：

亲水性表面上霜层较普通表面上霜层薄，其表面结霜密度要大，且随着相对湿度的增大亲水性涂层延缓结霜的能力将不断降低，疏水处理延缓结霜的效果明显强于亲水处理。

虽然目前人们针对延缓结霜做了大量研究性的工作，部分技术可以起到延缓结霜的作用，但是由于受到应用条件、效率、技术和经济等方面的制约，防止或延缓结霜的研究尚未取明显的突破性进展，目前也没有找到一种切实可行的方式。

5.2.2空气源热泵除霜特性及控制方法问题的研究[4]

空气源热泵除霜方法分为：

人工或机械清除室外换热器上的结霜；电加热器或蒸汽加热器融霜；淋水除霜；热气除霜等。

目前热气除霜法成为目前主要的除霜方法。

1空气源热泵除霜特性研究

除霜过程是虽然很复杂的过程，但通过大量的研究已取得了显著地成效。

研究主要包括除霜数学模型研究，实验研究及除霜影响因素研究。

（1）在理论研究方面

1974年Sanders就建立了蒸发器除霜数学模型，蒸发水量求解方程现在是研究除霜问题的常用方程，O’NealD.L通过实验分析肯定了模型的可用性。