0 研究背景
傳統(tǒng)的生活用熱水裝置通常采用電鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t或家用電熱水器、燃?xì)鉄崴骷疤枱崴鞯?。這些裝置的熱效率低，一次能源消耗量大，不利于環(huán)境保護(hù)。太陽熱水器初裝費(fèi)用較高，且受氣候及安裝條件的影響。熱泵能夠?qū)崿F(xiàn)熱量由低溫向高溫的傳輸，性能系數(shù)高。因此，作為熱水制備裝置，熱泵系統(tǒng)得到了越來越廣泛地應(yīng)用。
熱泵是通過做功使熱量從低溫的介質(zhì)向高溫介質(zhì)流動(dòng)的裝置。熱泵與制冷機(jī)的工作原理和過程是完全相同的，區(qū)別只在于應(yīng)用的目的不同：制冷機(jī)的目的是從低溫?zé)嵩闯崃?，或稱得到冷量，如家用電冰箱、空調(diào)器等；通常稱的熱泵則以得到較高溫度的熱量為目的。但如何利用這一技術(shù)制取熱水，尤其是如何利用空氣與太陽輻射作為復(fù)合低溫源來制取熱水，還是一項(xiàng)有待開發(fā)和完善的技術(shù)。
復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組是利用空氣、太陽輻射能等作為低溫?zé)嵩?，通過機(jī)械做功將這些低溫源的熱量傳輸?shù)綗崴畵Q熱器，制取40℃～60℃的熱水，其輸出功率和輸入功率之比（簡稱COP值）可達(dá)到4以上，即制取相同的熱水，其耗電量僅是電熱水器的1/4。復(fù)合低溫源可大限度的提高熱泵的COP值，擴(kuò)大其使用范圍和區(qū)間。復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組可克服電熱水鍋爐、燃油熱水鍋爐及電熱水器等能效低、污染重的缺陷，效率大大提高。因此，這一技術(shù)節(jié)能、環(huán)保效益顯著，利用再生能源，是能源轉(zhuǎn)換及傳輸過程中的節(jié)能技術(shù)及低品位熱能利用技術(shù)。
熱泵的理論基礎(chǔ)起源于19世紀(jì)關(guān)于卡諾循環(huán)的論文。直到20世紀(jì)20～30年代，熱泵設(shè)備的開發(fā)工作才取得了較快的發(fā)展。當(dāng)時(shí)，英國安裝了第一臺(tái)以空氣為熱源作熱水供應(yīng)和采暖用的熱泵。1937年日本在大型建筑物內(nèi)裝備了以泉水為低溫?zé)嵩吹臒岜每照{(diào)系統(tǒng)。1950年前后，英美兩國開始使用地下盤管吸收地?zé)嶙鳛闊嵩吹募矣脽岜玫难芯抗ぷ?。由于石油危機(jī)的影響，熱泵在70年代得到較大的發(fā)展。日本、瑞典和法國等國家生產(chǎn)了以室外空氣為熱源的小型家用熱泵。英國和德國開發(fā)了與商業(yè)和公共建筑的熱回收相結(jié)合的大型熱泵裝置。
近年來，我國在熱泵技術(shù)的應(yīng)用方面已進(jìn)入快速發(fā)展階段，尤其是空氣源熱泵的研究與應(yīng)用進(jìn)展較快。國內(nèi)研究人員對(duì)太陽能熱泵、水源熱泵及地源熱泵進(jìn)行了應(yīng)用研究和工程示范。這些對(duì)推動(dòng)熱泵在建筑供熱空調(diào)中的應(yīng)用起到了很好的促進(jìn)作用。目前，復(fù)合低溫源熱泵供熱技術(shù)與應(yīng)用研究剛剛起步。
1 研究內(nèi)容與進(jìn)展
1.1 研發(fā)主要內(nèi)容及方法
1.1.1 研發(fā)主要內(nèi)容
我們校企合作主要研究復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組中不同低溫?zé)嵩?、熱泵主機(jī)及熱交換器之間的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，開發(fā)復(fù)合低溫源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)，研制、開發(fā)與復(fù)合低溫源熱泵產(chǎn)業(yè)化密切相關(guān)的商用復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組、家用復(fù)合低溫源熱泵熱水器及相關(guān)設(shè)備等。主要研究內(nèi)容：
1)復(fù)合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究：不同低溫源換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及其優(yōu)化；高溫源熱泵制冷劑特性研究；復(fù)合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的仿真及其優(yōu)化。
2)復(fù)合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)：太陽能集熱器、空氣換熱器及水－制冷劑熱交換器的強(qiáng)化換熱技術(shù)及其小型化技術(shù)；適合熱泵熱水系統(tǒng)的空調(diào)技術(shù)的開發(fā)。
3)復(fù)合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化：適用的家用復(fù)合低溫源熱泵熱水器與商用復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組的開發(fā)和生產(chǎn)；開發(fā)和生產(chǎn)適合復(fù)合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的各種換熱器；市場(chǎng)的培育和開發(fā)。
總體目標(biāo)：建立和開發(fā)熱泵主機(jī)換熱器傳熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)件；設(shè)計(jì)、研制復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組樣機(jī)并鑒定推廣；產(chǎn)品通過國家相關(guān)行業(yè)許可認(rèn)證并獲得相應(yīng)的專利及知識(shí)產(chǎn)權(quán)；建設(shè)復(fù)合低溫源熱泵熱水供應(yīng)示范工程，并達(dá)到比傳統(tǒng)的熱水供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用降低30％以上。
1.1.2 研究方法
1）理論研究：在以前研究工作的基礎(chǔ)上，提出適合不同低溫?zé)嵩醇盁崴畵Q熱系統(tǒng)的熱泵設(shè)計(jì)方法。根據(jù)不同的使用條件和應(yīng)用范圍，確定主機(jī)的設(shè)計(jì)選型。通過理論上的改進(jìn)、對(duì)物理現(xiàn)象的深入分析以及計(jì)算機(jī)模擬的方法，解決好復(fù)合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。
2）實(shí)驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)、制作、安裝、調(diào)試熱泵樣機(jī)。主要包括各種換熱器的設(shè)計(jì)、強(qiáng)化傳熱及本體的小型化；樣機(jī)的各種參數(shù)測(cè)定；主機(jī)及其系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3）工程應(yīng)用研究與推廣：設(shè)計(jì)、安裝復(fù)合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)示范工程，研究開發(fā)相應(yīng)的配件、設(shè)備及施工技術(shù)。
1.2 研究進(jìn)展
1.2.1 機(jī)組構(gòu)成
我們共同研制的第一臺(tái)空氣源熱泵熱水機(jī)組樣機(jī)已完成。熱泵式熱水機(jī)組是由一個(gè)制冷循環(huán)組成，包括主機(jī)和冷凝器兩部分。其中主機(jī)部分包括蒸發(fā)器、風(fēng)扇、壓縮機(jī)及膨脹閥；冷凝器為內(nèi)放冷凝盤管的保溫水箱。參見圖1。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收外部空氣的熱量，通過熱泵循環(huán)在冷凝盤管內(nèi)釋放熱量，加熱水箱內(nèi)的水。水箱的保溫層采用閉孔橡膠海綿或聚氨脂發(fā)泡，且具有良好的保溫性能。
1.2.2 機(jī)組特點(diǎn)
1）高效節(jié)能 ：該熱水機(jī)組以空氣為低溫?zé)嵩粗迫崴?，耗電量僅為電加熱器的1/3～1/4；同燃煤、油、氣熱水機(jī)組相比，可節(jié)省一半以上的運(yùn)行費(fèi)用。
2）環(huán)保無污染 ：該系統(tǒng)運(yùn)行無任何的燃燒物及排放物，是一種可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保型的產(chǎn)品。
3）運(yùn)行安全可靠：整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行無傳統(tǒng)熱水器（燃油或燃?xì)饣螂姛崴鳎┲锌赡艽嬖诘囊兹?、易爆、中毒、短路等危險(xiǎn)，是一種安全可靠的熱水系統(tǒng)。
4）使用壽命長，維護(hù)費(fèi)用低：該機(jī)組的使用壽命長達(dá)15年以上；運(yùn)行安全可靠，并可實(shí)現(xiàn)無人操作，全自動(dòng)智能控制。舒適方便，自動(dòng)化、智能化程度高，系統(tǒng)采用了自控恒溫器，24h提供恒溫?zé)崴?
5）適用范圍廣，不受氣候影響：該熱水機(jī)組可廣泛應(yīng)用于住宅、賓館及公共建筑等場(chǎng)所的大中小熱水集中供應(yīng)系統(tǒng)；該系統(tǒng)的運(yùn)行不受氣候影響，可全天候運(yùn)行。詳見表1。
1.2.3 機(jī)組測(cè)試結(jié)果
對(duì)研制的機(jī)組進(jìn)行了較為全面的測(cè)試。表2為機(jī)組的熱水供應(yīng)能力。該機(jī)組充分利用環(huán)境的熱能，為用戶提供生活熱水。該系統(tǒng)全自動(dòng)控制、分戶計(jì)量集中顯示，保證了各用戶的準(zhǔn)確計(jì)量收費(fèi)。如配置保溫水箱便可實(shí)現(xiàn)低電價(jià)時(shí)段運(yùn)行。圖2 為測(cè)得的機(jī)組性能曲線。從圖中可以看出，隨著室外溫度的升高，機(jī)組的COP值也隨之增大。當(dāng)空氣溫度在6℃以上時(shí)，機(jī)組的COP值達(dá)到3已上。
2 應(yīng)用前景
作為一種有效的節(jié)能綠色產(chǎn)品，復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組將在我國建筑供熱系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組能夠在我國南、北方廣大地區(qū)使用。復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組因其具有運(yùn)行費(fèi)用低，性能系數(shù)高和無污染等優(yōu)點(diǎn)，在眾多的熱水制備裝置中，它也具有很強(qiáng)的競爭力。因此，作為供熱系統(tǒng)的熱水制備裝置，復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組將得到越來越廣泛地應(yīng)用。復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組有著很大的市場(chǎng)潛力和廣闊的應(yīng)用前景。
復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組作為商品在美國等發(fā)達(dá)國家已處于成熟期，但在我國才剛剛起步。其中一個(gè)重要原因就是我們對(duì)復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組的應(yīng)用研究還不完善，尤其是多種復(fù)合低溫源對(duì)熱泵各熱交換器的設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行影響的研究與總結(jié)幾乎是空白。我們將及時(shí)總結(jié)設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行調(diào)節(jié)等方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，制定相應(yīng)的技術(shù)措施，做好該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用和技術(shù)服務(wù)工作，使該供熱系統(tǒng)成為安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、有效的熱水供應(yīng)方式之一。通過工程應(yīng)用，不斷改進(jìn)產(chǎn)品性能，提高能源利用率。
但同時(shí)也應(yīng)該注意到，復(fù)合低溫源熱泵供熱技術(shù)使用的材料、設(shè)備及相關(guān)技術(shù)等與傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)無大的區(qū)別，熱泵主機(jī)、熱交換器等設(shè)備也可產(chǎn)品由相近的企業(yè)加工生產(chǎn)。因此，復(fù)合低溫源熱泵供熱技術(shù)的應(yīng)用，將使一批企業(yè)投入到這一產(chǎn)業(yè)中來。相關(guān)材料、設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，將大大降低復(fù)合低溫源熱泵供熱技術(shù)的初始投資，進(jìn)而有效地促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的普及應(yīng)用。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，生活用熱水已成為普通百姓的基本需求，熱水供應(yīng)業(yè)已成為公共建筑尤其是賓館酒店的必備系統(tǒng)，市場(chǎng)前景十分廣闊。而復(fù)合低溫源熱泵熱水機(jī)組由于其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，將成為中小型熱水供應(yīng)系統(tǒng)的有很強(qiáng)競爭力的選擇方案。
