1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1 热水器

1.1 热水器市场发展现状

相关统计数据显示：2017年上半年，我国热水器市场的规模总量为375.1亿元，较去年同期增长7.4%^[1]；而上半年的热水器销售量为1910万台，较去年同期增长了1.9%，零售额达到了316亿元，比去年同期增长了8%^[2]，增长速度相当可观。在热水器市场，燃气热水器的销售额呈现大幅度增长的态势，而电热水器保持平稳增长，空气能热泵热水器保持着较高的增速，行业前景一片光明。

1.2 热水器及其分类

热水器是家庭常见的一种电器，其主要功能是满足家用热水的需求。随着人们生活质量的提高与科技的不断进步，热水器的发展呈现多样化的趋势。目前市场上组要的热水器种类有：电热水器、燃气热水器、太阳能热水器、磁能热水器、空气能热水器、暖气热水器等。一般将燃气热水器、太阳能热水器和电加热热水器称为传统热水器，而热泵热水器则是新型热水器。

1.3 热水器的发展趋势

总的来说热水器的发展趋势有：j智能化；k创新化；l高效化；m绿色化^[3]。首先是智能化。在消费升级的大背景下，热水器走向智能化已经成为不争的事实。越来越多的热水器产品利用智能电脑来采集数据并加以分析，以此来达到优化工作过程的目的，努力减少热水器的能耗、提高热水器的效率。其次是创新化。市场和环境对于热水器的要求呈现出了多样化的趋势，消费者已经不再满足流水线模式下产生的同质产品，这推动着技术和材料行业的创新。再者是高效化。既能稳定工作又能高效地提供符合条件的热水是热水器厂商的工作目标。最后是绿色化。未来将会有更多环境友好型的工质开发出来并应于热水器。

2 热水器原理

2.1 燃气热水器

燃气热水器的原理是将燃料燃烧释放的热量通过热交换器传递到用水中去，最终得到符合要求的热水。其具有效率高、水温调节稳定、结构紧凑等诸多优点^[4]。图1给出了两种形式的冷凝式燃气快速热水器图示：

图1 不同形式的燃气热水器结构图示

燃气热水器结构中大致包含有燃烧器、燃烧室、换热器、排烟口。图1a是下进上出型热水器。根据烟气的流动方向，冷凝换热器布置在显热换热器的上方。显热换热器用以吸收烟气的显热，冷凝换热器用以吸收烟气中水蒸气的潜热，两换热器间设置冷凝水收集器。燃气在燃烧器中进行充分燃烧后一次通过两种换热器，将热量传递给水流，最后采用强制性排烟的方式将烟气排出。图1b是上进下出型热水器。其特点是结构与常规的结构布置相反，燃烧器在热水器的上部，燃气在燃烧器中燃烧后在两种换热器中与水流换热，最后从排烟管中排出。这种布置有利于冷凝水的收集同时增强了烟气的换热。

2.2 太阳能热水器

太阳能热水器是一种通过收集太阳辐射热来加热给水的装置。因为太阳能的易获得性，太阳能热水器的得到了广泛的应用，尤其是在太阳能丰富的地区。它的特点是绿色、环保、成本低廉、技术成熟^[5]。其结构如图2所示：

热水器中的组成部件有：集热管、上循环管、下循环管、储热水箱、补水箱和供水管。其结构中的集热器可以将能量收集起来，然后将冷水加热为人们所需的热水，同时结构中还设有循环管将热水储存起来，供人们随时使用^[6]。太阳辐射透过真空管的外管，被集热镀膜吸收后沿内管壁传递到管内的水。管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时温度较低的水沿管的另一侧不断补充如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。

图2 太阳能工作原理图示

2.3 电加热热水器

顾名思义，电加热器是利用电-热转换来制取热水的装置，其按加热功率可以分为储水式（又称容积式或储热式）、即热式、速热式三种。电热水器具有寿命长、高效、安全、环保等优点。其结构如图3所示

电热水器的组成部件有：加热管、电阻镁棒、进水管道、出水管道、排污管、内胆以及相关的阀门。内胆储存热水并承载一定的压力，并在外面设有保温层。加热管设计采用铜镀镍及表面抗腐蚀管材及高等级氧化镁，内部为电阻丝，外部涂以电绝缘层。其作用是将电能转化为热能，进而通过与水的接触传递热量。而电阻镁棒的作用是保护热水器内胆，防止腐蚀。排污口的作用是排走内胆的污水。其布置在内胆下方，方便排水，保证用水的清洁程度达到要求。出水口和入水口均由单向阀控制，因为热水的密度高于冷水的密度，因此出水管的高度大于进水管的高度。

电加热热水器因为实际工作的局限性，电能不可能全部转化为水所吸收了热量，其效率必定低于100%，一般为50%-65%。

图3 电热水器结构图示

2.4 热泵热水器

热泵热水器是一种利用逆向卡诺循环原理来提供热水的装置。它通过从大自然的水，土壤或者空气中吸取低位热能，经过压缩机做功提高温度之后输送到冷凝端加热储水，产生可以被人们所利用的高品位热能^[7]。其特点是绿色，环保，节能。与传统的热水器相比，它没有燃气热水器和电热水器安全性较差的缺点，也没有太阳能热水器工作不稳定的缺点^[8]。图4为工质循环流程图：

图4 热泵热水器结构图示

图5给出了热泵系统中工质的理论压焓图。其中点1表示蒸发器出口状态，点2表示压缩机出口状态，点3表示冷凝器出口状态，点4表示蒸发器入口状态,P_k表示冷凝压力，P₀表示蒸发压力。工质在热泵系统中的工作流程为：从蒸发器中流出的工质气体被压缩机吸入，经过压缩机的压缩，工质气体成为过热蒸气，压力达到P_k，如图5中的1-2所示；从压缩机排出的工质流向冷凝器，在冷凝器中向外界冷却介质放热，自身降温成为饱和液体，如图5中2-3所示；液态工质经过节流阀的节流作用后流入蒸发器，节流后压力降低到冷凝压力P₀，如图5中3-4所示；在蒸发器中，工质吸收外界的热量，自身温度升高并逐渐汽化，如图5中4-1所示。从蒸发器中排出的工作蒸气被压缩机吸入，从而形成热泵循环。在热泵热水器的工作部件中，冷凝器向外提供热量，即加热供水；而蒸发器从低温冷源中吸收热量，这样在输入电功的情况下实现了热量由低温热源流向高温热源的目的。

图5 热泵循环工质理论压焓图

2.5 不同热水器的比较

表1以120L、水温从15℃加热到55℃为例列出了四种热水器的性能比较^[9]：

表1 四种热水器的性能比较

热水器种类 空气能热泵热水器 电热水器 太阳能热水器 燃气热水器

燃料种类 电 电 电 燃气 有无污染 无 无 无 有 有无危险性 无 有触电隐患 有触电隐患 危险

续表1

燃料种类 电 电 电 燃气 有无污染 无 无 无 有 有无危险性 无 有触电隐患 有触电隐患 危险 是否方便 方便 较方便 不方便 方便 燃值 3600.648kJ/kWh 3600.648kJ/kWh 3600.648kJ/kWh 3600.648kJ/kWh 热效率 370% 95% 280% 70% 燃料单价 0.5元/kWh 0.5元/kWh 0.5元/kWh 2.0元/m3 加热120L水费用 0.75元 2.94元 1.0元 1.5元 年运行费用 273.8元 1073.1元 365元 547.5元

注：空气能热泵热水器的热效率采用标况环境温度20℃，水温15℃计算

从表1我们可以看出四种热水器的年运行费用空气能热泵热水器最低，这一定程度上体现了其巨大的经济性。同时在危险性和热效率的比较上，空气能热泵热水器也具有较大的优势。因此空气能热泵热水器拥有光明的发展前景。

3 空气源热泵热水器

热泵热水器根据其低位热源的种类分为：空气源热泵热水器、地源热泵热水器和水源热泵热水器等。水源热泵热水器的低位热源有：地表水（江河水、湖水、海水等）、地下水（深井水、泉水、地热水等）、工业和生活废水。地源热泵热水器的低位热源就是地表浅层土壤。空气能热泵热水器的低位热源即空气。因为空气相对于水源和土壤具有方便易得的优点，因此空气源热泵热水器特别适合城市家庭。

空气源热泵热水器的低温热源为空气，高温热源为水，其一般由压缩机、冷凝器、膨胀机构和蒸发器四大部分组成。此外还设有储水箱以及诸多阀门、给水管路、供水管路等。

3.1冷凝器

冷凝器在热泵热水器系统中的作用是将工质的热能传递到水箱中的储水中，达到加热水的效果。冷凝器本质上是一种换热器，常见的冷凝器形式有储热换热型（将盘管直接置于储水箱内底部）、缠绕型（换热管将储水箱包裹起来）和直流型（如套管式、板式逆流换热器等）^[10]。图6.1和图6.2给出了两种冷凝器图示：

图6.1 套管式冷凝器 图6.2 沉浸式冷凝器

为了优化热水器的运行状况及提高系统效率，对冷凝器采取强化换热措施十分重要。可以采取的强化换热措施有：换热管内外都加翅片、采用螺纹管和微肋管等。

3.2 蒸发器

蒸发器是用来吸收低温热源热能的换热器。目前热泵系统中常用的蒸发器形式是翅片管式蒸发器，主要结构是换热管和翅片，制冷剂在管内流动，翅片置于管外^[11]。图7给出了以空气为冷源的蒸发器图示：

图7 空冷蒸发器

空气源热泵热水器的蒸发器相对于其他类型的热泵热水器的蒸发器而言，其面积要大一些，同时在某些情况下会发生”结霜”，空气相关参数的变化对系统的运行也会产生很大的影响。同时因为空气的比热小，因此换热时会安装风扇加以强化换热。相关细节将见于下文。

3.3 压缩机

压缩机是用来压缩工质的机械，它吸入来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽，在气缸内将其压缩成高压气体，再排入冷凝器，冷凝成高压液体^[12]。与制冷系统使用的压缩机相比，热泵系统所使用的压缩机运行范围更大，抗液击能力要求也更高。这是因为热泵系统冷凝温度高，同时在夏季冷凝温度和蒸发温度高，冬季冷凝温度和蒸发温度低^[13]。

热泵系统中常用的压缩机有活塞式压缩机、涡旋式压缩机、螺杆式压缩机和离心式压缩机。

3.4 膨胀机构

膨胀机构位于冷凝器后，从冷凝器来的高压工质液体流经膨胀机构后，压力降低，然后进入蒸发器中。膨胀机构除了起到节流的作用外，还可以控制进入蒸发器的工质的流量。通过膨胀机构的调节，是工质离开蒸发器时有一定的过热度，保证工质液体不会进入压缩机^[14]。

热泵系统中常见的膨胀机构有毛细管、U型管、热力膨胀阀、热电膨胀阀等。毛细管是一根有规定长度的小孔径管子，它没有运动部件，一般用作电冰箱、空调机和小型冷库的节流元件。毛细管依靠其流动阻力沿长度方向产生压降，以此来控制制冷剂的流量和维持冷凝器和蒸发器的压差。其外形如图8所示。

图8 毛细管

4工质

在蒸汽压缩式热泵系统中，工质充当热能的”运输工”，其在热泵系统的各部件之间循环流动，从而使得热能从低温物体流向高温物体。从本质上说，热泵工质的作用与制冷系统中制冷剂的作用相同。

4.1工质分类

工质按组成区分，有单一工质和混合物工质。

工质按化学成分区分，主要可以分为：无机物、氟利昂和碳氢化合物。无机化合物包括CO2等；碳氢化合物包括乙烷、丁烷和异丁烷等；氟利昂类又可以分为三类：CFC类（二氟二氯甲烷、一氟三氯甲烷等）、HCFC类（一氟二氯甲烷、二氟一氯甲烷等）、HFC类（二氟乙烷、四氟乙烷等）^[15]。

4.2工质选择

在选择合适的热泵工质时，不仅要注重其本身的节能效果，还要考虑它们对于环境的影响。因此要从热物理性质和环境特性两方面来选择工质。

4.2.1 在热物理性质方面的要求

工质应该具有较高的热导率和放热系数同时在相变的过程中拥有良好的传热性能；工质的黏性和密度较小为好，因为这样可以减少工质在流动过程中的阻力，进而减少压缩机的耗功；工质的临界温度最好高于冷凝温度，其在工作温度区间内的饱和压力不要太高；理想的工质也要具有较低的标准沸点。

4.2.2 在环境特性方面的要求

ODP（Ozone Depletion Potential）和 GWP(Global Warming Potential)分别表示工质对于臭氧的破坏能力和对温室效应的影响。这两种参数的值越高，工质对于环境的破坏程度越大。理想工质的ODP和GWP值应该尽可能低^[16]。此外近年来有专家学者提出使用总当量变暖影响（Total Equivalent Warming Impact）来评价工质的环境特性。

5 空气源热泵相关问题以及解决方案

空气源热泵系统尽管有节能、绿色等诸多优点，但是空气源热泵系统自身的一些缺点，例如结霜、工作环境稳定度要求高等问题需要加以关注并解决。

5.1结霜

结霜是发生于蒸发器上的一种现象。当蒸发器表面温度低于空气的露点温度且低于0℃时会发生结霜。霜层的产生不仅使得蒸发器的换热效果下降，同时使得系统的制热量减少，运行效率降低，严重时甚至会烧毁电机^{[17] [18]}。此前已有研究表明，家用空气源热泵的除霜能耗占总能耗的10%^[19]左右。

结霜问题的解决方案有：①⑧采用逆循环除霜，此时蒸发器成为冷凝器；②给换热管表面镀一层疏水膜，使凝水尽快流下，延缓霜层的产生^{[20] [21]}；③采用相变蓄热技术^[22]，许多学者进行了相变材料和热管方面的研究^{[23] [24]}；④在蒸发器入口出安装带有固体吸附剂的吸收床，以此来降低蒸发器入口出的空气湿度^[25]；⑤在空气进口处设置电热丝来提高空气温度^[26]，增加换热量并提高了系统性能；⑥在蒸发器进口和压缩机出口之间设置旁通管，但这种措施会导致制热量下降^[27]。

5.2工况不稳定

相关研究表明，环境温度的变化对系统的性能有较大的影响，环境温度降低，COP也相应降低^[28],制热效果也就越差；系统功耗随着进口水温的升高而升高，系统制热量和COP随着进水温度的升高而降低^{[29] [30]}。因此要合理的调节系统的进水温度，以保证系统高效地运行。对于热泵在低温条件下运行效率下降的情况，双极耦合和双级压缩技术能在一定程度上解决这个问题，采用新型工质和改善蒸发器的结构也是优化系统运行的方法。

5.3 蒸发器及风机尺寸

由于空气的传热性能差、所以空气侧的换热器的传热系数小，导致换热面积较大，增加了机组的成本；又因为空气水温比热容小，为了达到预定的热交换量，空气侧换热器所需的风量较大，则风机的功率也就大，噪声问题也随之产生。

为了减小蒸发器的尺寸，可以采用强化换热的方法。比如使用高效传热管（外螺纹管、翅片管等）、优化管子的排列密度、对蒸发器翅片的表面处理等。而风机则应采取低噪风机或采取减噪措施来减少噪音对生产生活的影响。

参考文献

[1] 于璇. 热水器：技术持续升级，只为更好体验. [J].电器, 2017，（12）:26～27．

[2] 康中. 紧抓热水器市场的机会和变革. [J].家用电器, 2017，（12）: 48～50．

[3] 李志刚. 热水器：把握下个五年，探索发展趋势. [J].电器, 2016，（12）: 26～27．

[4] 蔡莹，秦朝葵. 燃气热水器技术进展. [J].煤气与热力, 2006，（11）: 34～37．

[5] 张吉光，管锡珺，杨晚生.太阳能热水器热水供应系统的应用与分析. [J].给水排水, 2001，（7）:69～72．

[6] U. C. Arunachala，M. Siddhartha Bhatt，L. K. Sreepathi. Analytical and Experimental Investigation to Determine the Variation of Hottel#8211;Whillier#8211;Bliss Constants for a Scaled Forced Circulation Flat-Plate Solar Water Heater.[J]. Journal of Solar Energy Engineering.2015，（137）:1～8．

[7] 李凡. 空气源热泵热水器. [M].重庆：重庆大学出版社,2010．

[8] Adrian S，Romeo S R，Liviu E A，et al. A new approach in numerical assessment of the cavitation behaviour of centrifugal pumps.[J]. International Journal of Fluid Machinery and Systerms.2011，（1）:104～113．

[9] 周峰，马国远. 空气能热泵热水器的现状及展望. [J].节能, 2006，（7）:13～16．

[10] 赵珊媛．空气源热泵螺旋套管冷凝器换热性能试验研究.[D]．西安：西安 科技大学，2014．

[11] 苟秋平，吴扬，邓斌. 小管径铜管在家用热泵热水器蒸发器中的应用研究. [J].制冷技术, 2013，（3）:21～23．

[12] 吴业正.制冷压缩机. [M].北京：机械工业出版社,2010．

[13] 李爱国，米延灿，乐红胜. 家用空气源热泵热水器专用压缩机的研究. [J].装备机械, 2009，（1）: 41～44．

[14] 王启祥，黄赞山，罗力渊. 制冷系统毛细管节流特性的实验与分析. [J].低温工程, 2009，（5）:23～26．

[15] 吴业正. 制冷原理及设备. [M].西安：西安交通大学出版社,2015．

[16] 张昌. 热泵技术与应用. [M].北京：机械工业出版社,2015．

[17] 陈镇凯，胡文举，江辉民等. 制约空气源热泵推广应用的技术因素的研究现状. [J].制冷与空调, 2012，（12）:12～18．

[18] 李宁.广义空气源热泵在中国的适用性研究.[D]．北京：清华大学，2015．

[19] Baxter V D, Moyers J C. Field-measured Cycling, Frost and Defrosting Losses for a High Efficiency Air Source Heat Pump .[J]. ASHARE Transaction, 1985, 91(2): 537-554.

[20] 王贤林，蒋绍坚，蒋绍坚. 疏水表面用于延缓热泵结霜及加快除霜的探讨. [J]. 节能技术, 2004，（5）:37～38．

[21] Ryun S G，Lee K S. A Study on the Behavior of Brost Formation According to Surface Characteristics in Fin-tube Heat Exchanger.[J]. Air-Conditioning and Refrigeration.1999，（3）:377～383．

[22] 董建锴.空气源热泵延缓结霜及除霜方法研究.[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012．

[23] Chieh J J, Lin S J, Chen S L.Thermal Performance of Cold Storage in thermal Battery for AirConditioning .[J]. International Journal of Refrigeration, 2004, 27(2):120-128.

[24] Huang M C, Chen B R, Hsiao M J. Application of Thermal Battery in the Ice Storage Air-conditioning System as a Subcooler. [J]. International Journal of Refrigeration, 2007, 30(2):245-253.

[25] Wang S M, Liu Z Y . A New Method for Preventing HP from Frosting .[J]. Renewable Energy, 2005, 30(5):753-761.

[26] Kwak K, Bai C.A Study on the Performance Enhancement of Heat Pump using Electric Heater under the Frosting Condition:Heat Pump under Frosting Condition.[J].Applied Thermal Engineering, 2010, 30(6-7): 539-543.

[27] Byun J S, Lee J, Jeon C D. Frost Retardation of an Air-source Heat Pump by the Hot Gas Bypass Method [J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31(2): 328- 334.

[28] 袁朝阳，陶乐仁，虞中旸等. 环境温度对空气源热泵热水器系统性能的影响. [J]. 制冷空调, 2017，（8）:48～52．

[29] Duplaa S，Coutier-Delgosha O，Dazin A,et al. Experimental study of a cavitating centrifugal pump fast startups.[J]. Journal of Fluids Engineering.2010，（2）:021301

[30] 袁朝阳，陶乐仁，虞中旸等. 初始水温对空气源热泵热水器系统性能的影响. [J]. 制冷空调, 2017，（6）:73～79．

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题所要解决的问题：

设计一台家用空气能热泵热水器，水箱容量为260l，设计条件如下：

1）使用环境条件为环境温度15℃。