2021年中国节能协会热泵论文(最新)

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即热储水式空气能热水器


罗伟强 韩广田   罗灵东   


<摘要>家用即热储水式空气能热水器,是继承了储水式空气能热水器和即热式空气能热水器的优势,并把不足给予改进和完善的创新产品。cop值得到进一步提升,热水量增多了数倍,更加稳定耐用。本文先简述热水器的分类,找到空气能热水器低温高效的行业公认数据,从全热冷凝器回收分析显热回收,潜热换热和过冷换热的理论依据。其次分析即热储水式空气能热水器的工作过程,耗电量和热水量。最后,论述即热升温的几种方法。本文叙述和分析的内容,有利于推广空气能热水器技术在热水器行业的发展和应用,占据更多的市场份额。

关键词:即热储水式,水箱换热器,集热盘管,氟水循环,即热电加热。


引言:空气能热水器行业经过十几年的发展,因其节能环保的优势而发展迅猛。但所有的热水器不是即热式就是储水式,几十年来一成不变,后期的研发和进步主要是围绕安全性和降低使用成本展开。首先是太阳能热水器的出现,紧接着是空气能热水器,但到目前为止,占热水器市场份额都没有超过10%。特别是储水式空气能热水器,水箱温度始终保持在45-55℃,而实际淋浴热水的温度只需45℃以下就能满足淋浴的要求,55℃要勾兑冷水,实际上是一种能量损失。而把水只加热到45℃,实际测试后发现,标准工况条件下,cop值可以达到6-8,所以研发生产满足淋浴要求的即热储水式空气能热水器势在必行,而且可以大幅度降低成本,缩小体积,充分发挥空气能热水器节能环保的优点,抢占热水器市场的份额。

家用即热储水式空气能热水器,从软件(控制方式)和硬件(氟水循环和集热盘管)上都改变了储水式空气能热水器的惯性思维,继承了即热式不间断供热水和储水式多点供热水的优势,并把不足予以改进和完善。家用即热储水式空气能热水器COP值得到显著提升,热水量增多了数倍,做小,可以做成壁挂机,不占用宝贵的室内空间,可取代传统的即热燃气热水器和储水式电热水器;做大,可用一台机供多户和多人使用,取代小型商用机,更加稳定耐用。

即热储水式空气能热水器吸收了冷水的能量及空调运行的机械热,借助承压水箱和水循环的优势,依据环境温度的变化,充分发挥空气能热水器和即热电加热的优势,使空气能热水器始终在低温高效区域工作。通过提升即热升温来增多热水量,热水量可以增多数倍,是热水行业的重大技术进步。

一、热水器的分类

热水器从控制方式上分类,可分为即热式、储水式和即热储水式三大类。

即热式:使用热水时,即开即热,冷水直接加热成热水,热水任用,但安全性差。                   

储水式:把水加热储存在水箱里,在需要热水时使用,水温下降5度时启动加热,功率小,加热慢,受使用人数限制,可用的热水量不足。

即热储水式:是集储水式和即热式的优势,并把不足给予改进和完善的新型热水器,从软件(控制模式)和硬件(氟水循环,集热盘管)都改变了储水式热水器的惯性思维,cop值得到显著提升,热水量增多数倍,更加稳定耐用。


二、空气能热水器低温高效原理

空气能热水器是用电搬移空气中的热量加热热水,搬移的热量与水箱温度和环境温度等有关。

在国家认定的实验室,标准工况条件下,都可以测得行业认可的结论:水箱温度50-55度,COP2.040-45度,COP4.030-35度,COP6.0。因此,可以得出如下结论:在水箱的高温端,水温和cop值变化基本是线性的,水箱温度降一度,cop值提升10%,耗电减少5%;水箱温度降10度,cop值增加一倍,耗电减少一半。

从压缩机输入输出特性曲线(图1)可推算出,环境温度每下降一度,蒸发温度将下降一度,EER下降3.7%[1]同样可以得到如下结论:空气能热水器cop值除了受水箱温度影响外,还受环境温度影响。


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三、全部冷凝热回收

冷凝热回收分为三种:全部冷凝热回收、部分冷凝热回收和复合冷凝热回收。[2]冷凝过程如图2所示,分为2-3的过热段(显热),3-4的相变段(潜热)和4-5的过冷段三部分[3],采用显热换热器吸收显热,避免回气温度的过热,不仅吸收了显热热量,还提升了潜热,是双项受益。而过冷段看似热量少,一直没有引起大家的关注,如果增加经济器,过冷度将加大,4-5将变成4-5'。而经济器降低了冷凝温度,蒸发温度却上升,需要根据不同环境温度进行匹配过冷与过热,过冷度加大,cop值会得到提升,但过热度加大,EEP值下降,两者之间受到限制,匹配较好的可提升cop20%-30%[4]现采用冷水过冷,无需考虑过热度,可以深度过冷,4-5'将改变,热量增大,6'-6的比焓值增大,[5]EEp值也将增大。而冷水过冷的同时,也被加热升温,是多项受益,cop值提升更大。

现有的四通阀如同小型换热器,压缩机运转的压缩热(显热)直接与蒸发器回气相遇,而显热换热无需较大换热面积,造成显热的损失和过热度的提升,是双项损失。显热换热器吸收了过热冷媒气体(相当于压缩机做功的热量)和部分潜热,降低了温度,然后再回到四通阀,而潜热交换需要较大换热面积,四通阀换热面积之小,可以不计,减少回气温度的过热升温,cop值又得到进一步提升。


四、即热储水式氟水循环空气能热水器

1、即热储水式氟水循环空气能热水器的工作过程(图3):

低压气态工质进入压缩机,经过压缩成为高温高压气体,这时工质沸点随压力升高也升高,高沸点的工质先进入显热冷凝器,吸收了压缩机运转产生的机械热和部分潜热,温度下降,工质在显热冷凝器开始部分液化,再回到四通阀,减少了蒸发器回气温度的过热度,由四通阀再回到冷凝盘管,这时工质放出剩余的热量,变成液体。接下来在进入蒸发器前先经过节流阀,节流阀又使工质压力降低,压力降低的工质在蒸发器中又开始蒸发,这时工质吸收了空气中的热量,又变为低压的气体,再进入压缩机。冷媒就这样一直循环下去,把空气中的热量搬到水中。其加热过程:分为水箱升温加热和用热水时即热储水式的加热。


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水箱升温加热

水箱升温加热时,显热换热器被加热的热水有限(图4),可以忽略不计,高氟点的工质直接进到水箱顶端的集热盘管,再连接水箱中低端的均匀盘管,这时工质放出热量,变成液体从水箱的底端流出。

即热储水式加热

当用户用热水时,水流开关工作,设备启动工作,在自来水的压力下,显热换热器变成水循环换热,吸收了高温工质的显热和大部分的潜热,剩余的潜热被水箱盘管换热,同时冷水进入水箱的底部与大面积的均匀盘管换热,形成深度过冷,如同直热机,cop值高。

2、即热储水式空气能热水器的耗电量

我国虽幅员辽阔,但一年之中大部分地区气候炎热,只有少部分地区有几个月寒冷天气,尤其是广东,一年没几天寒冷天气。炎热的天气,冷水温度高,淋浴温度要求低,空气能热水器的cop值很高,因此,即热储水式空气能热水器一年中大多数时间,水箱装冷水或温水,用热水时,即开即热,如同燃气热水器。水箱装冷水和温水(25-35度),环境温度高于标准工况温度20度,加上显热回收和过冷,cop值达到6.0-8.0。在公司及商家的展厅里都可以看到这样的结论:用热水时即开即热,烧好一桶可淋浴热水,只需要三分钱。寒冷的天气,由于是即热储水式,热水量多,水箱无需装50-55度的热水,只需装温水或热水(40-45度),减少了保温损耗,用热水时,再加显热的即时加热和低温冷水(10度)的深度过冷,cop值为4.0-5.0,烧好一桶可淋浴的热水约一毛钱。

由于即热储水式空气能热水器的水箱温度比储水式空气能热水器的水箱温度低10度以上,从实验室测得的公认数据可以得出:COP值将提升一倍,耗电可减少一半。

3、即热储水式氟水循环空气能热水器的热水量:

热水器是用来产生热水的,能满足用户舒适和快捷使用热水,热水量是关键指标。即热燃气热水器和大功率的即热电热水器,能满足这样的要求;储水式电热水器和储水式空气能热水器,就无法满足这样的要求,只能靠增大水箱和提高水箱温度来保证热水量,造成保温损耗大,占据了宝贵空间。



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炎热的天气,冷水温度高,淋浴热水温度要求低,空气能热水器的cop值很高,因此,即热储水式空气能热水器一年大多数时间,水箱装冷水,用热水时,即开即热,如同燃气热水器,热水任用。寒冷的季节,水箱装温水或热水,加大即热升温,热水量将向无限量方向靠近。

依据能量守恒定律,比较冬季储水式空气能热水器与即热储水式空气能热水器的热水量。

储水式空气能热水器(图5),水箱容积200升,水温50度,冷水温度10度,可供42度热水多少升?

依能量守恒定律   Q=Q

200*50-42=X*(42-10)   X=50()

由于承压水箱冷水下沉,热水上升,连续供热水实际可用热水量翻倍为100升。

即热储水式空气能热水器(图6),同样水箱容积200升,水温50度,冷水温度10度,即开即热,冷水被均匀盘管加热成为15度,再经集热盘管和套管即热升温为13度,只要水箱温度有29度,就能产生42度淋浴热水,可供热水多少升?

同样依据能量守恒定律,Q=Q吸           

200*50-29=X*(29-15) X=300()

热水同样翻倍,实际可用热水量为600升,热水量是储水式空气能热水器的六倍。

从计算可以推出:

既热升温1度,热水量增多15%

既热升温5度,热水量翻倍。

既热升温10度,热水量增多4倍。

既热升温13度,热水量增多6倍。

从结论可得出:升温与热水量并非是线性的,而是接近几何性增加。因此,从设计产品开始,尽可能提升即热升温,从承压水箱、氟水循环,双能加热来提升即热升温,增多可用的热水量。


五、专为提升即热升温采取的方法


1、水箱换热器

水箱的内胆可当成换热器的外壳,冷水从低端进入,热水高端出,顺应了冷下沉、热上升的自然规律,高温的氟循环工质从盘管的顶端进,经换热后变成低温的工质,从盘管的底端出,与水箱的低进高出形成对流换热,如同带有大量热水的垂直水箱换热器。

储水式空气能热水器水箱(图5)超大多层的均匀加热盘管在水箱底加热,尽管高温的工质从均匀盘管的高端进,较低温的工质从均匀盘管的低端出,可以形成一定的温差,但多层盘管的高度有限,圆盘管的直径超大,无法形成集热,因此,储水式空气能热水器,水箱的水温分层只有1-3度,很难形成水箱换热器。

即热储水式空气能热水器的水箱(图6),除了传统水箱的均匀盘管之外,还增加了集热盘管,盘管直经小,层与层之间的密度高,从水箱顶到水箱中部与均匀盘管相连,弥补了水箱内高中层水的加热,水箱热水升温时,水温分层明显。用热水时,冷水进入水箱底端,热水从水箱顶端集热盘管的中间出水,集热盘管中间的热水经集热盘管的层层叠加,热水温度高于集热盘管外的温度。整个水箱如同带有大量热水的垂直直热套管,水箱水温分层明显,专为即热储水式空气能热水器定制。


2、氟水循环加热与显热换热器

氟循环靠盘管热传导静止加热热水,而水是不良导体,盘管的加热温度相对较高,Cop值较低,特别是加热较高温度的热水,cop值更低,需要加长盘管增大换热面积,而集热盘管层层叠加再加上均匀盘管的长度刚好满足了要求。冷水直接进入水箱底,热水从高端出,而高温工质经集热盘管上端进,最终从均匀盘管尾端出,形成对流加热,如同垂直套管,用热水时,如同直热机,cop值高。

水循环靠水的流动换热,水接触换热器表面积大,无需大面积换热,体积小,加热快,能量集中,升温快,对流换热,cop值高。

氟水循环空气能热水器充分发挥承压水箱冷下沉热上升的自然优势,水箱水温分层明显,盘管换热面积大,为加大过冷度提供条件,借助自来水的压力完成水循环的加热,cop值高,使用成本低,热水量多,没有易损件,更加稳定耐用。

氟水循环空气能热水器,在加热水箱热水过程中,只是氟循环工作,水循环不工作。水循环只是在用热水时,借助自来水的压力,完成水循环的流动加热,氟循环也同时对水箱的热水和冷水进行加热。

为了提升即热升温,水循环采用换热面积较大的套管,吸收压缩机的显热,即热升温更高。水箱内的氟循环盘管又增加了集热盘管,水箱水温分层更大,可以增加均匀盘管的深度过冷,cop值更高,热水量更多。


3、空气能热水器与即热电加热,双能加热。

任何产品都有优势和不足,空气能热水器能效高,但却是低温高效,高温低效,并受环境温度影响.(图1)。而电加热,不管是高温还是低温,严寒的冬季,发热量基本不变。借助空气能热热水器低温高效和电热水器热值恒定的优势,满足我们日常生活热水的需求。

夏季,秋季,冷水温度高,淋浴温度低,空气能热水器cop值高,水箱装冷水,即开即热就能满足用户热水的需求。

冬季,春季,冷水温度低,淋浴温度要求高,环境温度低,空气能热水器的能效也低,即热升温也低,热水量要求更多,为保证充足的热水量,在水循环的出口增加即热电加热。图3

即热电加热的启动受环境温度影响,可以设置在低温时启动。即热电加热的功率,受水箱的容积,使用热水量,不同的区域的影响,可以选择不同的功率。

家用即热电加热功率可依据不同区域的环境温度做出选择:北回归线以南的的地区,选择2KW的即热电加热;北回归线以北,长江以南的地区,选择3千瓦的即热电加热;长江以北的地区,选择4千瓦的即热电加热。


六、结论

即热储水式空气能热水器始终在低温高效区域工作,水循环显热的吸收,水箱换热器的过冷直热,使cop。即热升温高,热水量多数倍;水箱缩小数倍,少占宝贵空间;加热速度快几倍,使用人数也增加几倍。压缩机是系统的心脏,长期在低负荷状态下运转,没有易损件,设备更加稳定耐用,使用寿命更长。再加上是水电分离,没有安全隐患,将极大提升空气能热水器在热水器市场的份额,刷新人们对空气能热水器的了解和认知,更好地服务社会。


参考文献:

[1]《半封涡旋压缩技术手册》[J]擎宇国际股份有限公司,2005.

[2]陈华,周楚,史德福,不同冷凝热回收方式下热泵空调动态特性的实验研究[J]太阳能学报,20153605);1239-1246.

[3]刘群生,徐卫星,张冰,时阳,工业螺杆制冷系统的全热回收[J],暖通空调,20144405);92-96.

[4]《经济器在风冷热泵机组上的应用》刘源金,李宙华,《节能》2002年第8期(总第241期).

[5]《制冷原理》第3版,吴业正,朱瑞琪,曹小林,鱼剑琳编著,201012月。



INSTANTAIR ENERGY WATER HEATER

LuoWeiqiang, Han Guangtian, Luo Lingdong


<Summary>domestic instant air energy water heater is an innovative productthat inherited the advantages of instant air energy water heater andinstant air energy water heater, and gives improvement and perfectionto the deficiencies.COP is worthy of further promotion, the hot waterincreased several times, more stable and durable. This paper brieflydescribes the classification of water heaters, find the industryrecognized data of low temperature and high efficiency of air energywater heaters, and analyze the theoretical basis of sensible heatrecovery, latent heat exchange and subcooling heat exchange from therecovery of all-heat condenser. Secondly, it analyzes the workingprocess, power consumption and hot water quantity of the air energywater heater. Finally, several methods of heating up are discussed.

Thecontent described and analyzed in this paper is helpful to promotethe development and application of air energy water heater technologyin water heater industry and occupy more market shares.

Keywords:Instant hot water storage , Heat exchanger of radiator , heatingcoil,Fluorine water circulation ,   instantaneous heating



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