300L空气源热泵热水器的设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1. 课题背景

近年来，我国城乡建筑发展迅速，人们生活水平迅速提高，公共建筑和住宅卫生热水的需求量也越来越大，从20世纪80年代中期开始，各种家用热水器应运而生，其中有电热水器、燃气热水器、太阳能热水器等，各种热水器在家庭中的使用正日益普遍，但是这些热水器价格高，噪音大，寿命短，能源浪费严重^[1-2]。相比传统的热水器，空气源热泵热水器是新一代热水装置，具有高效节能、安全可靠、环保等特点，在我国得到高速发展^[3]。随着空气源热泵热水器市场认知度不断提升，政策环境越来越好，整个行业开始进入黄金发展期^[4]。2014年3月21日，博世热力技术有限公司在中国推出首款一体式空气源热泵热水器博雅系列^[5]。空气源热泵热水器是继电热水器、燃气热水器及太阳能热水器之后的国内第四种热器^[6]。据美国制冷空调与供暖协会报告显示，2012美国空气源热泵的出货量在12月上升了19%^[7]。同时，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^[8]。空气源热泵热水器将拥有广阔的市场，研究它具有重要的意义。

二、 空气源热泵热水器工作原理

空气源热泵热水器主要由翅片式蒸发器、制冷压缩机、水冷冷凝器和热力膨胀阀四大部分组成，通过让工质不断完成蒸发(吸取空气中的热量)→压缩→冷凝(放出热量到水中)→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将空气中的热量转移到水中(如图1所示) ^[9]。

图1 空气源热泵热水器原理图

空气源热泵热水器在工作时，首先把空气中贮存的能量QA在蒸发器中加以吸收，使空气温度降低它本身消耗一部分电能，即压缩机耗电QB；同时通过工质循环系统在水冷板式换热器(即冷凝器)中进行放热Qc，根据能量守恒定律有：Qc=QA QB，即热泵输出的能量为压缩机做的功QB和热泵从环境中吸收的热量QA之和；通常QA为QB的3倍以上，即能源利用效率达300％ 以上，而通常的电热水器能源利用效率仅为95％左右^[10-11]。

三、 制冷剂的选用

传统生产中制冷工质多为R22，属于HCFC 类制冷剂，GWP 值( GWP = 1810) 非常高，对大气臭氧层具有破坏作用^[12]。同时，当热泵系统在高温环境中运行时，压缩机排气压力急剧增大，严重影响系统的安全性^[13]。因此，尽管R22具有良好的性质，仍需予以代替。目前在热泵热水器领域内，R22的替代物主要有两种: 一是自然工质，比如R600a，CO2，因R600a 的可燃性和CO2的系统压力过高，制约着其发展。另一种是合成工质，如R410A，R417A，R407C，R134a、R32 等^[14]，其中R134a 具有较好的热力学性能，用于热泵热水器时，其排气温度比R22 系统低25℃左右，冷凝压力低30%^[15]。贾荣林对R417A 在空气源热泵热水器中的性能与R22 进行了对比实验，测试了不同环境温度下的COP、功率、冷凝压力和压缩机排气温度等参数的变化。证明空气源热泵热水器在上海地区应用时R417A 比R22 更合适^[16]。良好的特性使其有利于热泵热水器的安全可靠运行，并且随着环保要求的不断提高，热泵热水器面临着制冷剂的替代问题^[17]。相信随着科技的不断发展，研究者会开发出更多优良的制冷剂。

四、空气源热泵热水器的优势与劣势

五、优势

（1） 节能

表1 空气源热泵热水器机组与其他热水供应设备性能对比

注：1．表中热效率值取的是最大值

2．表中的一次能源转换效率即一次能源(如油、媒等)转换成二次能源(煤

气、电等)的效率，能效为一次能源转换效率与加热效率的乘积.

从表中我们可以看出，空气源热泵热水器的热效率高达300%，折合成标准煤仅需20.09kg。

（2） 经济环保

现以加热1t水为例，自来水温按15℃，加热至55℃，需要约40195.2 kcal的热量，各种热水器所需费用见表2。

表2 各种热水器所需费用^[18]

以一个4口之家来计算，正常热水使用量在200L／天左右，用电热水器加热，电费大约需要4元／天，而空气源热泵则只需要约1元／天，一年可以节约1000元左右的电费，只需2～3年时间便可以收回成本。一般热泵热水器的使用寿命在15年左右。

在追求低碳生活的大环境下，空气源热泵应运而生。通过将周围空气中的热量转移到水中，完全做到零排放，对环境几乎不产生影响，这点也是燃气热水器无法相比的^[19]。

进一步的可行性研究表明，空气源热水热泵比太阳能系统更经济^[20]。

（3）安全

中央热水机组无需燃料输送管道及燃料储存，没有燃料泄漏、火灾、爆炸等安全隐患。机组内设有高压保护、低压保护、压缩机过流过载保护、启动延时、水流超高温保护、水箱水位保护等多重安全保护，从根本上杜绝漏电、干烧、超高温等安全隐忠^[21]。

劣势

（1）受环境影响较大

低温环境下运行，热泵系统的蒸发温度降低，系统制热性能系数下降。当外界温度降至一10℃ 以下时，压缩机压缩比增大，导致排气温度过高，超过压缩机的允许温度，可能导致压缩机启停过于频繁，影响压缩机的使用寿命。这是导致热泵热水器在南方应用比较广泛而在北方难以被推广的主要原因^[22]。相类似的，在美国的太平洋西北部和北部山区，空气源热泵的盈亏成本非常低^[23]。

（2）安装不方便

家用空气能热水器往往需要一个水箱来加热和储存热水。以一家3-5口人为例需要120L-150L的水箱。这样大尺寸的水箱不容易与整体家居协调，这样消费者只能将空气能热水器安装在阳台上。但随着人们对家居环境要求的提高，阳台上的这个大家伙消费者是不愿意接受的。

（3） 市场认知不够

热泵热水器在国内市场是一个新生事物，消费者对它的认知程度还很低。有很多人认为用一份的热量就能得到三份的热量是不可能实现的，因为一些较大的商场还没有空气能热水器销售，所以消费者对空气能热水器的认知还是很低。

五、结语

空气源热泵热水器具有能源效率高，不存在能源消耗过程中的环境污染等优势，降低了能源消耗对环境造成的影响^[24]。在解决了低温制热问题后也是北方地区冬季生活热水或采暖的最佳选择，尤其学校学生公寓这类公共建筑非常适合应用热泵热水系统^[25]。为满足越来越多的供水需求和节能环保要求，在此设计了300L空气源热泵热水器 。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1、课题内容

本课题是设计一种空气源热泵热水器，它具有高效节能的特点，制造相同的热水量，空气能热水器消耗费用的成本仅为电热水器的1/4、燃气热水器的1/3，比电辅助太阳能热水器利用能效高。本课题要求设计一台300l空气源热泵热水器，要求机组结构紧凑，占用面积小，使用方便，运行安全。

2、原始设计参数