400L空气源热泵热水器的设计开题报告

文 献 综 述

一、课题背景

在我国，随着经济发展和城镇化进程的加快，卫生热水能耗在建筑能耗中的比例越来越大，对卫生热水节能的研究催生了新一代热水器 空气源热泵热水器^[1] 。空气源热泵热水器在我国可以算是新兴产品，市场前景广阔，据最新调查显示，在3～5年内市场占有率可望达到10％～20％ 销售总额将达到400亿元。随着经济发展和城镇化进程的加快，新建住宅几乎全部需要安装热水器，再加之一些存在安全隐患的燃气热水器需要替换，因此，可以预见在未来几年内，空气源热泵热水器将成为我国家庭特别是商品楼房的热水设备首选产品。

2012 年国内市场的注册的空气源热泵生产厂家达300 余家，具有热泵功能的房间空气调节器生产总量达1 亿3 千万台^[2]。当今这几年，随着空气能热水器能效衡量标准的出炉，将有20%左右的厂商面临市场淘汰，此举更加利于实力品牌进一步拓宽市场，实现品牌化销售。近几年来，空气能热水器的技术突破有目共睹，不仅缩小了自身体积，解决了许多设计上的难题，更克服了低温问题和能损问题^[3]。由于其拥有低耗能，高环保等优势，因此受到国家节能惠民工程政策的支持，加大对其补贴额度，利于全民推广。

二、空气源热泵热水器

空气源热泵热水器，也称空气能热水器冷水热水器，是把空气中的热量通过冷媒搬运到水中，传统的电热水器和燃气热水器是通过消耗燃气和电能来获得热能，而空气能热水器是通过吸收空气中的热量来达到加热水的目的，在消耗相同电能的情况下可以吸收相当于三倍电能左右的热能来加热水^[4,5]。该产品克服了太阳能热水器依靠阳光采热和安装不便的缺点。由于空气能热水器的工作是通过介质换热，因此其不需要电加热元件与水直接接触，避免了电热水器漏电的危险，也防止了燃气热水器有可能爆炸和中毒的危险，更有效控制了燃气热水器排放废气造成的空气污染。

空气源热泵热水器的特点主要有以下几个方面^[6,7,8,9]：

1.适用性强：安装位置局限性小，解决了太阳能只能安装在顶层的不足，而且建筑朝向没有影响；

2. 高效节能：运行费用比传统的太阳能热水器（带电辅热）更省，是电热水器的1/4，燃气热水器的1/3，消耗较少电能，即可获得4 倍热量；

3. 全天候：总体受天气影响不大，晴天、阴雨天、夜间都能高效地制取热水；

4.寿命长：制冷剂作为工作介质，不存在夜间冻管及管路腐蚀等问题，系统寿命长，一般可达15～20 年；

5. 电脑自控：无需专门配备管理人员，电脑控制更安全稳定；

6. 安全可靠：勿需大电流的电气连接，运行安全可靠；安全环保，热能来源于空气，供水和产水分离，末端供水没有安全隐患；

7. 方便舒适：承压出水，自来水压沐浴，全自动运行，快速加热，超大容量；

8. 蓄热运行：移峰填谷，对于有峰谷电价的地方，宜充分利用晚间低谷电价运行。空气源热泵热水器具有较高的能效比，大大节约了用于低温热水生产的电能和矿物燃料的消耗，符合我国能源政策和环保政策。

三、空气源热泵热水器的工作原理

图1 空气源热泵热水器原理图^[10]

工作原理^[11,12]：

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Q1

2. 蒸发吸热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（此时制冷剂中所蕴含的热量分为两部分：一部分是从空气中吸收的热量Q1，一部分是输入压缩机的电能在压缩制冷剂时转化成的热量Q2）；

3. 被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器，将其所含的热量（Q1 Q2）释放给进入热交换器中的冷水，冷水被加热到55℃（最高达65℃）直接进入保温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，节流降压如此不间断的进行循环

循环加热式空气源热泵热水器的工作原理^[13]

工作原理：应用逆卡诺循环原理，通过热泵系统(压缩机、水换热器膨胀阀、空气换热器)，吸取空气中的能量并转移到水中，使初始冷水多次流过热泵热水器内的换热器逐渐达到设定温度。图2为循环式热水器的原理图，当控制器检测到水箱水温小于某温度时，流量开关接通，循环泵启动，热水器开始工作；当控制器检测到水温等于设定值时机组关

图2 循环加热式空气源热泵热水器原理图^[14]

五、空气源热泵热水器结构分类

空气源热泵热水器分为整体式和分体式^[15]。

1.户内分体机^[16]

户内分体机的蒸发器与主机分离，安装在外墙上或室内排风口处。蒸发器与主机连接的制冷剂管道较长，需要保温。蒸发器安装在室内卫生间排风口时，换热后的空气直接排放至排风竖井内。蒸发器风机单独控制，可省去原有的换风扇。

图3户内分体机结构

2.户外分体机

户外分体机将主机置于室外，蓄水箱置于室内，降低了室内噪声。主机置于室外时，必须考虑低温环境和高温环境对机组制热性能的影响。

图4 户外分体机结构

六、空气源热泵热水器的设计

空气源热泵热水器的设计主要就是换热器(蒸发器、冷凝器的设计)的设计。

1.蒸发器的设计 ：蒸发器是将冷藏室内热量传递给制冷剂的热交换器，它的主要作用是把膨胀阀送来低温低压制冷T质，经吸收空气中热量后蒸发为饱和制冷剂蒸气，达到吸热的目的。为了保证换热良好，蒸发器采用翅片式换热器，为了充分提高蒸发器内外气体的热交换，采取的方法是在蒸发器的侧面加设风扇，这样可加大蒸发器壁外的空气流速，增加流体湍动程度，防止液膜和霜的形成，减小传热边界层内滞流内层的厚度，以提高对流传热系数。

2.冷凝器(储水箱)的设计：将制冷剂的热量传递给外界的热交换器，它的主要作用是把压缩机压缩后排出的高温高压制冷剂蒸汽冷却，变为高温高压的液态制冷剂，而达到向周围环境散热的目的。采用储水箱内加冷凝排管的方式，使得排管内的制冷剂冷却的同时加热储水箱内的冷水，使其温度提高，排管采用蛇管式盘管

3.根据制冷剂性能和结构的变化选用R134a制冷剂^[17,18]。

4.根据寒冷地区和温暖地区的温度变化选用较合理的COP值^[19,20]。

5.最后还要进行可靠性研究和绿色评价方法^[21,22,23]。

七、空气源热泵热水器的设计计算步骤

图 5 空气源热泵热水器的设计计算步骤

空气源热泵热水器的整体计算流程^[24]是将建立的压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器联立起来，通过各部件进出口参数的耦合关系，沿空气热泵热水器实际运行流程分别进行计算，获得系统制热量、压缩机输入功率和制热系数等热泵热水器稳态运行参数。热泵热水器整体计算流程图如图5.

八、结语

空气源热泵热水器是一种新型的供热设备，是一种可替代锅炉的供暖设备和热水装置。它通过制冷剂温差吸热和压缩机压缩制热，与水换热，从而提高热效率，具有高效节能、适用性强、安全可靠等优点。同时，也出现了太阳能和空气源热泵的结合产品。^[25,26]近几年来，空气源热泵热水器势头强劲，尤其是在商用市场上，它迅速抢占了其他几类热水机组的市场份额。

为了满足日常生活中热水的需求，在此设计了400L空气源热泵热水器，为空气热泵热水器设计奠定理论基础。

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1、课题内容

本课题是空气源热泵热水器的设计计算。它是对旨在通过对空气源热泵热水器进行准确的结构计算和校核从而设计出一种更加高效，更加节能，更加绿色的环保型空气源热泵热水器。

本课题将通过初始参数和已知条件对热泵热水器系统进行设计计算。根据热力计算结果选择合适的压缩机，并设计冷凝器、蒸发器等主要部件，对蒸发器、冷凝器进行计算和设计，传热计算和确定结构并通过图纸立体地表现出来，使设计出的空气源热泵热水器科学合理，能够在实际中有良好的性能和认可度。

2、原始设计参数

制热功率：4.5kW

热水最终温度：60℃

水箱容积：400L

3、主要设计内容

1． 查阅相关资料并阅读，充分熟悉设计的基本原理和相关要求；

2．空气源热泵热水器结构的设计；

3．热力计算及压缩机选取；

4．蒸发器的设计计算与结构确定；

5．冷凝器的设计计算与结构确定；

6．图纸设计，重点在蒸发器、冷凝器的设计图纸上。