蓄热式热泵热水器的热力性能分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1引言

随着我国经济的发展，人们对生活质量的要求越来越高，对环境的保护意识越来越强。同时，化石能源（如天然气，煤，石油）日益枯竭，燃油锅炉，燃煤锅炉等高消耗、高污染的设备石油受到严格限制甚至被禁止石油。寻找一种可替代原有旧式的设备，而且安全、环保、节能，显得越来越紧迫。热泵设备在这种环境下应运而生。热泵设备已经在很多领域成功运行，创造巨大的社会效益和经济效益。

热水供应占据了家庭及小型商业用户能源消耗中的一大部分。目前，我国热水器市场上的主流产品包括气热水器、电热水器和太阳能热水器三类。上述热水器设备都存在一些问题与不足。太阳能热水器供热能力受气候条件影响很大；电热水器供热系数低于1；燃气热水器存在煤气中毒的隐患。热泵热水器相比前三大类主流热水器而言，具有节约能源、运行费用低廉、使用区域广泛等优点。而蓄热式热泵热水器由于其特殊的相变储能装置可有效的改变热量在时间空间上的调配，同时使蓄热式热泵热水器的贮罐形状不受压力容器限制减少系统体积并可根据实际需要而改变热水器的款式。热泵技术的发展有利于合理利用自然资源，提高人们的生活水平，保护环境以减少污染，它可以把社会效益、经济效益和环境效益很好的结合起来，是节能科技发展的主流方向之一。长期以来，热泵作为一种有效的节能供热装置，己在发达国家的工业、商业、民用等许多部门得到应，我国也在大力研究推广热泵供热技术。2、热泵热水器研究现状 热泵节能的实质是从低温环境泵送热量到高温环境，在能量品位上“损不足以补有余”，使之适合人们利用。热泵式电热水器，以消耗一部分电能为代价(补偿)，通过热力循环，把环境介质水、地热源、空气等中贮存的能量(热量)加以发掘利用，用来生产热水。研究资料分析表明，在各种能量消耗的最后物理形态中，以热消耗最大，且以小于100℃的热消耗量最大。通过热力学分析可知，在小于100℃的热消耗领域内，热泵节能技术有很好的应用前景。热泵技术在国际上并非新技术，早在一八二四年N. Carnot就已奠定了热泵的理论基础，直到一八五O年L. Kelvin才提出冷冻装置也可以用于加热的具体设想。继而在几十年内热泵成为学术研究者的兴趣所在，许多科学家和工程师竞相研究，企图使这种新技术得到快速发展。关于热泵热水器，不少学者进行了专业研究，Vince C Mei研究了R22和R407C在热泵热水器的运行特性，结果发现使用R407C的热泵热水器的功耗明显高于使用R22的。同时，在高温出水时，R407C的制热效率高于R22，尤其在配置R407C专用的蒸发器时，其制热效率会比R22系统高出20%，水加热耗功也相应增加4%。张太康等通过空调器性能测试平台使用R134a、R147a和R22，进行了空气源热泵热水器在各种典型工况下的对比试验。对所测得的参数进行分析，结果表明R417a、R134a的吸排气压力要优于R22，这有利于热泵热水器机组的运行；R134a在7℃以下的室温环境中，其COP比R417a的要低。杨礼桢等从节流装置出发，通过建立小型热泵热水器模型，在不同工况下，对使用不同长度毛细管的热泵热水器的运行特性进行研究，实验表明当热源温度过高时，毛细管是热泵制热效率较低的主要制约因素。 当前常规热泵热水器市场占有率低，推广难度大，主要原因是成本架构导致的价格较高、输入功率大、消费者节能环保意识不强；其次我国以单元房为主要的住房结构与常规热泵热水器需配置较大体积储水箱也相矛盾。在电能年利用率方面，为满足冬、夏季的高峰电力需求，需投入巨资配置相关的电力设备。另外，这种峰谷用电的悬殊，会降低发电设备年负荷利用小时数。为实现将高峰用电量向电力的低谷区转移，目前世界许多国家（包括中国）的许多城市都实行分时电价，大幅提升用电高峰时段的电价，国外峰谷电价比高达5～7:1，国内则为2～4:1。 为克服常规热泵热水器的不足，并结合当前国家用电政策，考虑使用低谷电力以实验宏观节能的目的。国内学者做了很多研究。 2003年浙江大学陈光明等设计了一种相变蓄热预热式热泵热水器，它是将蓄热式换热器与加热换热器串联起来构成热泵系统的冷凝器，使蓄热与供热的优点得到充分发挥。 华南理工大学朱冬生课题组在2004年提出相变蓄热式热泵热水器的设想，实验利用石蜡作为相变材料，相变温度在60℃左右该系统不仅克服了常规热泵热水器的不足，而且继承了常规热泵热水器节能和能够使用低谷电的优点。 2009年李凡等提出了一种热泵热水器相变蓄热器，它是一种高效的热泵系统，将冷凝器和蓄热材料置于蓄热箱内，实验表明该系统由于没有保温水箱，机组无需长时间在高温高压下运行，系统可靠性得到加强，同时也提高了系统效率。3、相变蓄热技术的研究现状 相变材料(Phase Change Material，简称PCM)是一种具有特定功能的物质，它能在特定温度(相变温度)下发生物相变化，并且伴随着相变过程吸收或放出大量的热量。它在日常生活中的应用可以追溯到远古时代。人们利用相变储能材料的这一特性，来储存或放出热量，从而调节、控制热源或材料周围环境的温度，以实现其特定的应用功能。 美国DOW公司在20世纪80年代制造了采用六水氯化钙结晶水合物为蓄热材料的太阳能系统壁橱式蓄热器；2005年K. C. Na yak等为强化蓄热器的传热，利用有限容积法对两种类型的换热器进行了数值模拟，针对在相变蓄热器中添加传热强化装置后，传热的变化进行研究。结果显示传热强化装置对增强蓄热器的传热，改善其运行起了很重要的作用。 2010年Zohir Younsi等针对运用在被动式太阳能热回收系统中的相变材料，介绍了一种新的测试方法，这种方法能够同时测量热流量和温度，对于测量相变材料的状态和热导率具有很大优势。 张寅平等对相变蓄能技术进行了较为深入地研究，在理论探索和实验研究方面都取得了丰硕的成果。 1992年清华大学对应用于太阳房的相变蓄热设备进行了实验研究；2007年朱孝钦等研究了一种以传统的管壳式换热器作为结构基础，利用六水氯化钙结晶水合物作为填充物的新型换热器的蓄热性能。2008年姜益强等研究了圆柱形壳管式相变蓄热单元的蓄热特性，结果表明流体温度与流速深刻影响着该单元的蓄热特性。 LTES具有蓄热密度高、储热放热近似等温、过程易控制的特点，主要包括液-固 (L-S)、固-固(S-S)两种相变形式，其中液-固(L-S)研究应用最为广泛。由于固-气、液-气相变时体积变化太大，尽管其潜热很大，但却因此限制了它们的用途。潜热蓄热是有效利用新能源和节能的重要途径。发明新的蓄热系统、提高蓄热系统的相变速率、热效率蓄热密度和长期稳定性是目前面临的重要课题。研究潜热蓄热的核心是研究相变材料的相变传热过程。4、相变蓄热材料研究现状 相变蓄热换热设备与普通换热设备和显热蓄热设备相比，其突出的特点是换热设备中布置流体管道的同时需布置相变材料，并且根据相变传热的特征，相变材料与流体传热的过程中因相变材料不断发生相变而使相变材料侧的传热热阻逐渐增大，当相变材料层完全发生相变后便会使系统的有效传热面积逐渐减小，从而导致流体侧的温度随之发生变化，因此采用有效的强化传热技术与设计高效的蓄热换热设备是提高潜热蓄热效率的关键。 蓄热材料作为相变蓄热技术的核心，热量的吸收或释放伴随相变过程而发生，相变过程能否发生取决于温度是否达到，同时相变过程中温度变化相对平稳，使得蓄热材料被广泛应用于热量储存和温度控制领域。20世纪60年代，随着航天技术的迅速发展，相变材料（phase change material，PCM）被美国国家航空航天局率先利用于热控技术；阿波罗15号利用相变材料系统作信号处理单元，以驱动电子控制器件和月球通讯单元。通常将相变温度在-50℃～90℃范围内的材料划为常低温相变蓄热材料，此类材料主要有：无机盐化合物、有机物和高分子等，在建筑和日常生活中使用较为广泛。Freitag以三水醋酸钠结晶水合物作为相变蓄热材料进行了研究；1978年葛新石等对相变材料的理论和应用进行了详细的研究；阮德等用步冷曲线法，对Na2HPO4及其低共熔物进行了测试，得出了体系的相图、成核和过冷等热物性。 近年来，在新型相变蓄热材料的研制过程中，存在着从宏观到纳米/微胶囊、从无机到有机、成分有单一到复杂的趋势，并且研究特点越来越集中于定形相变材料、微胶囊化相变材料及功能相变材料等。为克服以往相变材料导热系数小、相分离容易出错、结构稳定性差、对密封外壳腐蚀严重的缺陷，在相变材料中应用纳米微材料合成技术和纳米尺传热技术，研制出满足各级余热蓄热要求的纳微结构蓄热材料，该方向发展潜力巨大，也极具挑战性。

2. 研究的基本内容与方案

1、基本内容及目标 蓄热式热泵热水器在理论上不仅继承了常规热泵热水器节能和能使用低谷廉价电力的优点，而且与冷凝器结合在一起的相变蓄热器，具有体积小、可灵活布置等优点，适用于我国单元式住宅。

但当前的研究主要集中于相变材料的理论研究，对于蓄热式热水器的整体系统结构研究较少，因此对于蓄热式热水器的整体热力性能分析与研究很有必要。

2、拟采用的技术方案及措施： 本文针对以上提出对蓄热式热泵热水器的热力性能分析，主要工作如下：（1） 蓄热式热泵热水器概述 查阅资料与整理，调查分析各种蓄热式热泵热水器的特点，并以空气源热泵热水器为例进行三方面的研究：系统结构、相变材料、技术创新。

3. 研究计划与安排

① 开题报告 开学第一周进行蓄热式热泵热水器基础知识学习，第二周进行课题与知识整合，初步构想研究方案，第三周进行开题报告撰写，并交于指导老师审阅给出修改意见修改，直至完成开题报告的提交；② 建立模型 深入学习蓄热式热泵热水器的原理与应用，在第四周和第六周之间完成蓄热式热泵热水器热力性能分析模型，并且在第十周完成地源式热泵热水器系统部件模型。

③ 改善方法 通过第二阶段的研究成果，在第十五周进行探讨蓄热式热泵热水器热力性能提高的方法。

④ 完成论文及答辩 第十六周完成论文型式总结结果，进行答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]王如竹.制冷原理与技术北京[M]北京,科学出版社，2003[2]吴业正.制冷与低温技术原理[M]北京,高等敎育出版社，2004[3]苏长荪.高等工程热力学[M]北京,高等教育出版社,1987[4]丁国良.制冷空调装置仿真与优化[M]北京,科学出版社,2001[5]张洁.空气源热泵热水器的季节性能优化与制冷剂流量特性研究[D].上海交通大学，2007年[6] 张寅平.相变储能理论与应用[M]. 中国科学技术大学出版社 . 1996[7] JP Chyng，CP Lee，BJ Huang. Performance analysis of a solar-assisted heat pump water heater [M].Solar Energy, 2003, 74(03):33-44[8]张泽国,曹向军,周俊海等.循环加热式空气源热水机性能评价研究[J].低温与超导.2013(10)[9] 范有东,刘晓燕,王海军等.多种生活热水供热系统技术及经济对比分析[J]-建筑节能.2011(11)[10] Stephen,Tangwe,Michael ect. Analytical Evaluation of the Energy Losses of an Air Source Heat Pump Water Heater：A Retrofit Type Stephen Tang we Michael Simon Edson Meyer [M]. Nihon Kikai Gakkai Ronbunshu B Hen/transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Part B. 2014, 53(492):553-557 [11] SK Chaturvedi，JY Shen .Thermal performancean alysis of a direct-expansionsolar-assisted heat pump water heater [M]. Solar Energy, 1984, 33(2):155-162 [12] JJ Guo，JY Wu，RZ Wang，S Li.Experimental research and operation optimization of an air-source heat pump water heater [M]. Applied Energy, 2011, 88(11):4128-4138[13]巫江虹，刘超鹏 .一种用于热泵热水器的外盘微通道式蓄热水箱[D].2012[14] 李玲俐.以洗浴废水为热源的浴室热泵热水系统的研究[D].天津科技大学.2013[15] 涛敏.冬季寒冷条件下太阳能—空气源热泵热水器的数值模拟[D].兰州理工大学.2013