【關鍵詞】空氣源熱泵,熱水機組,供熱
【摘要】復合低溫源熱泵熱水機組是利用空氣、太陽輻射能等作為低溫熱源，制取熱水的裝置。介紹了該機組研究的內容、方法及進展，本文分析了所研制的空氣源熱泵熱水機組的結構、特點及其測試結果。初步研究結果表明：復合低溫源熱泵熱水機組由于其技術上的優勢和節能的優點，將成為中小型熱水供應系統的有很強競爭力的選擇方案之一。
0研究背景
傳統的生活用熱水裝置通常采用電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐或家用電熱水器、燃氣熱水器及太陽熱水器等。這些裝置的熱效率低，一次能源消耗量大，不利于環境保護。太陽熱水器初裝費用較高，且受氣候及安裝條件的影響。熱泵能夠實現熱量由低溫向高溫的傳輸，性能系數高。因此，作為熱水制備裝置，熱泵系統得到了越來越廣泛地應用。
熱泵是通過做功使熱量從低溫的介質向高溫介質流動的裝置。熱泵與制冷機的工作原理和過程是完全相同的，區別只在于應用的目的不同：制冷機的目的是從低溫熱源除去熱量，或稱得到冷量，如家用電冰箱、空調器等；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制取熱水，尤其是如何利用空氣與太陽輻射作為復合低溫源來制取熱水，還是一項有待開發和完善的技術。
復合低溫源熱泵熱水機組是利用空氣、太陽輻射能等作為低溫熱源，通過機械做功將這些低溫源的熱量傳輸到熱水換熱器，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。復合低溫源可最大限度的提高熱泵的COP值，擴大其使用范圍和區間。復合低溫源熱泵熱水機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，這一技術節能、環保效益顯著，利用再生能源，是能源轉換及傳輸過程中的節能技術及低品位熱能利用技術。
熱泵的理論基礎起源于19世紀關于卡諾循環的論文。直到20世紀20～30年代，熱泵設備的開發工作才取得了較快的發展。當時，英國安裝了第一臺以空氣為熱源作熱水供應和采暖用的熱泵。1937年日本在大型建筑物內裝備了以泉水為低溫熱源的熱泵空調系統。1950年前后，英美兩國開始使用地下盤管吸收地熱作為熱源的家用熱泵的研究工作。由于石油危機的影響，熱泵在70年代得到較大的發展。日本、瑞典和法國等國家生產了以室外空氣為熱源的小型家用熱泵。英國和德國開發了與商業和公共建筑的熱回收相結合的大型熱泵裝置。
近年來，我國在熱泵技術的應用方面已進入快速發展階段，尤其是空氣源熱泵的研究與應用進展較快。國內研究人員對太陽能熱泵、水源熱泵及地源熱泵進行了應用研究和工程示范。這些對推動熱泵在建筑供熱空調中的應用起到了很好的促進作用。目前，復合低溫源熱泵供熱技術與應用研究剛剛起步。
1 研究內容與進展
1.1 研發主要內容及方法
1.1.1 研發主要內容
我們校企合作主要研究復合低溫源熱泵熱水機組中不同低溫熱源、熱泵主機及熱交換器之間的設計優化方法，開發復合低溫源熱泵系統的應用技術，研制、開發與復合低溫源熱泵產業化密切相關的商用復合低溫源熱泵熱水機組、家用復合低溫源熱泵熱水器及相關設備等。主要研究內容：
1)復合低溫源熱泵熱水系統的基礎研究：不同低溫源換熱器的設計計算方法及其優化；高溫源熱泵制冷劑特性研究；復合低溫源熱泵熱水系統的仿真及其優化。
2)復合低溫源熱泵熱水系統的技術開發：太陽能集熱器、空氣換熱器及水－制冷劑熱交換器的強化換熱技術及其小型化技術；適合熱泵熱水系統的空調技術的開發。
3)復合低溫源熱泵熱水系統的產業化：適用的家用復合低溫源熱泵熱水器與商用復合低溫源熱泵熱水機組的開發和生產；開發和生產適合復合低溫源熱泵熱水系統的各種換熱器；市場的培育和開發。
總體目標：建立和開發熱泵主機換熱器傳熱設計計算方法及計算機輔助設計優件；設計、研制復合低溫源熱泵熱水機組樣機并鑒定推廣；產品通過國家相關行業許可認證并獲得相應的專利及知識產權；建設復合低溫源熱泵熱水供應示范工程，并達到比傳統的熱水供應系統運行費用降低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上，提出適合不同低溫熱源及熱水換熱系統的熱泵設計方法。根據不同的使用條件和應用范圍，確定主機的設計選型。通過理論上的改進、對物理現象的深入分析以及計算機模擬的方法，解決好復合低溫源熱泵熱水系統的優化設計問題。
2）實驗研究：設計、制作、安裝、調試熱泵樣機。主要包括各種換熱器的設計、強化傳熱及本體的小型化；樣機的各種參數測定；主機及其系統的優化設計。
3）工程應用研究與推廣：設計、安裝復合低溫源熱泵熱水系統示范工程，研究開發相應的配件、設備及施工技術。
1.2 研究進展
1.2.1機組構成
我們共同研制的第一臺空氣源熱泵熱水機組樣機已完成。熱泵式熱水機組是由一個制冷循環組成，包括主機和冷凝器兩部分。其中主機部分包括蒸發器、風扇、壓縮機及膨脹閥；冷凝器為內放冷凝盤管的保溫水箱。參見圖1。制冷劑在蒸發器內吸收外部空氣的熱量，通過熱泵循環在冷凝盤管內釋放熱量，加熱水箱內的水。水箱的保溫層采用閉孔橡膠海綿或聚氨脂發泡，且具有良好的保溫性能。
1.2.2機組特點
1）高效節能 ：該熱水機組以空氣為低溫熱源制取熱水，耗電量僅為電加熱器的1/3～1/4；同燃煤、油、氣熱水機組相比，可節省一半以上的運行費用。
2）環保無污染 ：該系統運行無任何的燃燒物及排放物，是一種可持續發展的環保型的產品。
3）運行安全可靠：整個系統的運行無傳統熱水器（燃油或燃氣或電熱水器）中可能存在的易燃、易爆、中毒、短路等危險，是一種安全可靠的熱水系統。
4）使用壽命長，維護費用低：該機組的使用壽命長達15年以上；運行安全可靠，并可實現無人操作，全自動智能控制。舒適方便，自動化、智能化程度高，系統采用了自控恒溫器，24h提供恒溫熱水。
5）適用范圍廣，不受氣候影響：該熱水機組可廣泛應用于住宅、賓館及公共建筑等場所的大中小熱水集中供應系統；該系統的運行不受氣候影響，可全天候運行。詳見表1。
1.2.3 機組測試結果
對研制的機組進行了較為全面的測試。表2為機組的熱水供應能力。該機組充分利用環境的熱能，為用戶提供生活熱水。該系統全自動控制、分戶計量集中顯示，保證了各用戶的準確計量收費。如配置保溫水箱便可實現低電價時段運行。圖2 為測得的機組性能曲線。從圖中可以看出，隨著室外溫度的升高，機組的COP值也隨之增大。當空氣溫度在6℃以上時，機組的COP值達到3已上。
2.應用前景
作為一種有效的節能綠色產品，復合低溫源熱泵熱水機組將在我國建筑供熱系統中發揮越來越重要的作用。復合低溫源熱泵熱水機組能夠在我國南、北方廣大地區使用。復合低溫源熱泵熱水機組因其具有運行費用低，性能系數高和無污染等優點，在眾多的熱水制備裝置中，它也具有很強的競爭力。因此，作為供熱系統的熱水制備裝置，復合低溫源熱泵熱水機組將得到越來越廣泛地應用。復合低溫源熱泵熱水機組有著很大的市場潛力和廣闊的應用前景。
復合低溫源熱泵熱水機組作為商品在美國等發達國家已處于成熟期，但在我國才剛剛起步。其中一個重要原因就是我們對復合低溫源熱泵熱水機組的應用研究還不完善，尤其是多種復合低溫源對熱泵各熱交換器的設計、安裝及運行影響的研究與總結幾乎是空白。我們將及時總結設計、安裝和運行調節等方面的實踐經驗，制定相應的技術措施，做好該項技術的推廣應用和技術服務工作，使該供熱系統成為安全、可靠、經濟、有效的熱水供應方式之一。通過工程應用，不斷改進產品性能，提高能源利用率。
但同時也應該注意到，復合低溫源熱泵供熱技術使用的材料、設備及相關技術等與傳統的制冷空調系統無大的區別，熱泵主機、熱交換器等設備也可產品由相近的企業加工生產。因此，復合低溫源熱泵供熱技術的應用，將使一批企業投入到這一產業中來。相關材料、設備的產業化，將大大降低復合低溫源熱泵供熱技術的初始投資，進而有效地促進該項技術的普及應用。隨著我國經濟的發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，熱水供應業已成為公共建筑尤其是賓館酒店的必備系統，市場前景十分廣闊。而復合低溫源熱泵熱水機組由于其技術上的優勢和節能的優點，將成為中小型熱水供應系統的有很強競爭力的選擇方案。
參考文獻
[1] 陸亞俊 等《制冷技術與應用》中國建筑工業出版社，1992
[2] 徐邦裕 等《熱泵》中國建筑工業出版社，2000
刁乃仁教授系副主任:清華大學博士在讀，曾獲教育部科技進步三等獎，在法國進行合作研究一年主要研究方向是熱泵在建筑空調中的應用，承擔省部級課題4項，發表論文30篇；蘇杭教授：系副主任承擔省級課題2項，發表論文20篇；王樹：濟南龍普新能源有限公司 總經理
