【关键词】空气源热泵,热水机组,供热
【摘要】复合低温源热泵热水机组是利用空气、太阳辐射能等作为低温热源，制取热水的装置。介绍了该机组研究的内容、方法及进展，本文分析了所研制的空气源热泵热水机组的结构、特点及其测试结果。初步研究结果表明：复合低温源热泵热水机组由于其技术上的优势和节能的优点，将成为中小型热水供应系统的有很强竞争力的选择方案之一。
0研究背景
传统的生活用热水装置通常采用电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉或家用电热水器、燃气热水器及太阳热水器等。这些装置的热效率低，一次能源消耗量大，不利于环境保护。太阳热水器初装费用较高，且受气候及安装条件的影响。热泵能够实现热量由低温向高温的传输，性能系数高。因此，作为热水制备装置，热泵系统得到了越来越广泛地应用。
热泵是通过做功使热量从低温的介质向高温介质流动的装置。热泵与制冷机的工作原理和过程是完全相同的，区别只在于应用的目的不同：制冷机的目的是从低温热源除去热量，或称得到冷量，如家用电冰箱、空调器等；通常称的热泵则以得到较高温度的热量为目的。但如何利用这一技术制取热水，尤其是如何利用空气与太阳辐射作为复合低温源来制取热水，还是一项有待开发和完善的技术。
复合低温源热泵热水机组是利用空气、太阳辐射能等作为低温热源，通过机械做功将这些低温源的热量传输到热水换热器，制取40℃～60℃的热水，其输出功率和输入功率之比（简称COP值）可达到4以上，即制取相同的热水，其耗电量仅是电热水器的1/4。复合低温源可最大限度的提高热泵的COP值，扩大其使用范围和区间。复合低温源热泵热水机组可克服电热水锅炉、燃油热水锅炉及电热水器等能效低、污染重的缺陷，效率大大提高。因此，这一技术节能、环保效益显著，利用再生能源，是能源转换及传输过程中的节能技术及低品位热能利用技术。
热泵的理论基础起源于19世纪关于卡诺循环的论文。直到20世纪20～30年代，热泵设备的开发工作才取得了较快的发展。当时，英国安装了第一台以空气为热源作热水供应和采暖用的热泵。1937年日本在大型建筑物内装备了以泉水为低温热源的热泵空调系统。1950年前后，英美两国开始使用地下盘管吸收地热作为热源的家用热泵的研究工作。由于石油危机的影响，热泵在70年代得到较大的发展。日本、瑞典和法国等国家生产了以室外空气为热源的小型家用热泵。英国和德国开发了与商业和公共建筑的热回收相结合的大型热泵装置。
近年来，我国在热泵技术的应用方面已进入快速发展阶段，尤其是空气源热泵的研究与应用进展较快。国内研究人员对太阳能热泵、水源热泵及地源热泵进行了应用研究和工程示范。这些对推动热泵在建筑供热空调中的应用起到了很好的促进作用。目前，复合低温源热泵供热技术与应用研究刚刚起步。
1 研究内容与进展
1.1 研发主要内容及方法
1.1.1 研发主要内容
我们校企合作主要研究复合低温源热泵热水机组中不同低温热源、热泵主机及热交换器之间的设计优化方法，开发复合低温源热泵系统的应用技术，研制、开发与复合低温源热泵产业化密切相关的商用复合低温源热泵热水机组、家用复合低温源热泵热水器及相关设备等。主要研究内容：
1)复合低温源热泵热水系统的基础研究：不同低温源换热器的设计计算方法及其优化；高温源热泵制冷剂特性研究；复合低温源热泵热水系统的仿真及其优化。
2)复合低温源热泵热水系统的技术开发：太阳能集热器、空气换热器及水－制冷剂热交换器的强化换热技术及其小型化技术；适合热泵热水系统的空调技术的开发。
3)复合低温源热泵热水系统的产业化：适用的家用复合低温源热泵热水器与商用复合低温源热泵热水机组的开发和生产；开发和生产适合复合低温源热泵热水系统的各种换热器；市场的培育和开发。
总体目标：建立和开发热泵主机换热器传热设计计算方法及计算机辅助设计优件；设计、研制复合低温源热泵热水机组样机并鉴定推广；产品通过国家相关行业许可认证并获得相应的专利及知识产权；建设复合低温源热泵热水供应示范工程，并达到比传统的热水供应系统运行费用降低30％以上。
1.1.2 研究方法
1）理论研究：在以前研究工作的基础上，提出适合不同低温热源及热水换热系统的热泵设计方法。根据不同的使用条件和应用范围，确定主机的设计选型。通过理论上的改进、对物理现象的深入分析以及计算机模拟的方法，解决好复合低温源热泵热水系统的优化设计问题。
2）实验研究：设计、制作、安装、调试热泵样机。主要包括各种换热器的设计、强化传热及本体的小型化；样机的各种参数测定；主机及其系统的优化设计。
3）工程应用研究与推广：设计、安装复合低温源热泵热水系统示范工程，研究开发相应的配件、设备及施工技术。
1.2 研究进展
1.2.1机组构成
我们共同研制的第一台空气源热泵热水机组样机已完成。热泵式热水机组是由一个制冷循环组成，包括主机和冷凝器两部分。其中主机部分包括蒸发器、风扇、压缩机及膨胀阀；冷凝器为内放冷凝盘管的保温水箱。参见图1。制冷剂在蒸发器内吸收外部空气的热量，通过热泵循环在冷凝盘管内释放热量，加热水箱内的水。水箱的保温层采用闭孔橡胶海绵或聚氨脂发泡，且具有良好的保温性能。
1.2.2机组特点
1）高效节能 ：该热水机组以空气为低温热源制取热水，耗电量仅为电加热器的1/3～1/4；同燃煤、油、气热水机组相比，可节省一半以上的运行费用。
2）环保无污染 ：该系统运行无任何的燃烧物及排放物，是一种可持续发展的环保型的产品。
3）运行安全可靠：整个系统的运行无传统热水器（燃油或燃气或电热水器）中可能存在的易燃、易爆、中毒、短路等危险，是一种安全可靠的热水系统。
4）使用寿命长，维护费用低：该机组的使用寿命长达15年以上；运行安全可靠，并可实现无人操作，全自动智能控制。舒适方便，自动化、智能化程度高，系统采用了自控恒温器，24h提供恒温热水。
5）适用范围广，不受气候影响：该热水机组可广泛应用于住宅、宾馆及公共建筑等场所的大中小热水集中供应系统；该系统的运行不受气候影响，可全天候运行。详见表1。
1.2.3 机组测试结果
对研制的机组进行了较为全面的测试。表2为机组的热水供应能力。该机组充分利用环境的热能，为用户提供生活热水。该系统全自动控制、分户计量集中显示，保证了各用户的准确计量收费。如配置保温水箱便可实现低电价时段运行。图2 为测得的机组性能曲线。从图中可以看出，随着室外温度的升高，机组的COP值也随之增大。当空气温度在6℃以上时，机组的COP值达到3已上。
2.应用前景
作为一种有效的节能绿色产品，复合低温源热泵热水机组将在我国建筑供热系统中发挥越来越重要的作用。复合低温源热泵热水机组能够在我国南、北方广大地区使用。复合低温源热泵热水机组因其具有运行费用低，性能系数高和无污染等优点，在众多的热水制备装置中，它也具有很强的竞争力。因此，作为供热系统的热水制备装置，复合低温源热泵热水机组将得到越来越广泛地应用。复合低温源热泵热水机组有着很大的市场潜力和广阔的应用前景。
复合低温源热泵热水机组作为商品在美国等发达国家已处于成熟期，但在我国才刚刚起步。其中一个重要原因就是我们对复合低温源热泵热水机组的应用研究还不完善，尤其是多种复合低温源对热泵各热交换器的设计、安装及运行影响的研究与总结几乎是空白。我们将及时总结设计、安装和运行调节等方面的实践经验，制定相应的技术措施，做好该项技术的推广应用和技术服务工作，使该供热系统成为安全、可靠、经济、有效的热水供应方式之一。通过工程应用，不断改进产品性能，提高能源利用率。
但同时也应该注意到，复合低温源热泵供热技术使用的材料、设备及相关技术等与传统的制冷空调系统无大的区别，热泵主机、热交换器等设备也可产品由相近的企业加工生产。因此，复合低温源热泵供热技术的应用，将使一批企业投入到这一产业中来。相关材料、设备的产业化，将大大降低复合低温源热泵供热技术的初始投资，进而有效地促进该项技术的普及应用。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，生活用热水已成为普通百姓的基本需求，热水供应业已成为公共建筑尤其是宾馆酒店的必备系统，市场前景十分广阔。而复合低温源热泵热水机组由于其技术上的优势和节能的优点，将成为中小型热水供应系统的有很强竞争力的选择方案。
参考文献
[1] 陆亚俊 等《制冷技术与应用》中国建筑工业出版社，1992
[2] 徐邦裕 等《热泵》中国建筑工业出版社，2000
刁乃仁教授系副主任:清华大学博士在读，曾获教育部科技进步三等奖，在法国进行合作研究一年主要研究方向是热泵在建筑空调中的应用，承担省部级课题4项，发表论文30篇；苏杭教授：系副主任承担省级课题2项，发表论文20篇；王树：济南龙普新能源有限公司 总经理
