应用型空调热水一体机的研制及实验研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 7.34MB 85 页 15积分
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 课题提出的背景
世界经济的高速增长和人口的迅猛膨胀不仅加速了能源的消耗和枯竭，而且
导致了环境的污染和破坏。能源问题和环境问题成为 21 世纪科学技术发展的两大
议题。
§1.1.1 建筑能耗问题
目前，对建筑能耗的定义主要有两种：一种认为建筑能耗由建筑物内日常使
用能耗、建材生产能耗和建筑物建造能耗三部分组成；另一种认为建筑能耗只包
括建筑物内日常使用能耗。本文采用后一种定义，即指建筑物(包括商业、民用及
其它非物质生产部门)建成以后，在使用过程中每年消耗商品能源的总和，包括采
暖、通风、空调、热水、照明、电气、厨房炊事等方面的用能[1]。
随着我国城市化进程的加速，预计到 2020 年，全国城市生活人口将达到 56%
以上，第三产业占 GDP 的比例有可能超过 45%。相应的建筑物和设施也将成倍增
加，建筑能耗的大幅度增加将不可避免。预计 2020 年前，我国每年城镇竣工建筑
面积的总量将持续保持在 10 亿m2左右，15 年间新增城镇民用建筑面积总量将为
150 亿m2（含新增约 10 亿m2大型公共建筑）。另外，包括长江流域已有部分建筑
在内，到 2020 年我国将新增约 110 亿m2以上需要空调采暖的民用建筑。我国能
源供给和经济发展必须考虑新增建筑所需的能源供给问题。如果我国不采取有效
的建筑节能措施，按照目前的建筑能耗状况，到 2020 年我国建筑能耗将比 2004
年增加 2.5 亿吨/年标煤和新增耗电 5800～6300 亿度/年，总计折合电力约 1.3 万亿
度，新增量相当于目前建筑总能耗的 1.3 倍[2]。
根据发达国家经验，随着城市发展，建筑将超越工业、交通等其它行业而最
终居于社会能源消耗的首位，达到 33%左右。我国人口众多，城市化进程后如果
按照发达国家发展模式，使人均建筑能耗接近发达国家的人均水平，需要消耗全
球目前消耗的能源总量的 1/4 来满足中国建筑的用能要求，这显然是不可能的。然
而，近年来一些实际案例却表明我国正在向这一方向发展。因此，必须高度重视
建筑能耗问题[2]。
从世界各国家的统计结果知，给人们提供舒适健康的室内热湿环境的采暖、
通风和空调能耗约占建筑总能耗的 65%左右，各类商业建筑的卫生热水能耗约占
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15%，照明电视占 14%，厨房炊事占 6%。由此可见，用于建筑物采暖、通风、空
调和热水的能耗约占全国总耗能的 26%左右，其在节能中的重要性不言而喻[3]。
§1.1.2 城市的热环境问题
在全球变暖的形势下，城市热环境的恶化不容忽视。早在公元 1833 年，Howard
首先发现了伦敦市中心区的气温要比郊区高，并将此发现公布在科学杂志《伦敦
气象》中。市区和郊区的温度差不仅随季节和一天内的不同时间而变化，而且随
城市的规模、地形和气象条件(天气、风的强弱等)的不同而有差异[4]。
城市是人口、商业、工业、交通高度集中的区域，由于人的活动和工业生产
排放出大量的热量，使城市气温比周围郊区气温高，这种现象被称为城市的热岛
(Heat island)。热岛形成的原因有很多，其中 CO2等温室气体的大量排放是形成热
岛效应的主要原因之一。空调、热水器等设备的普及使得电能的需求量越来越大，
而在我国大多是采用火力发电，这直接导致了温室气体的排放。同时，大量的空
调冷凝热直接或间接地排放至大气中也是形成热岛效应的原因之一。相关资料显
示，北京市空调运转一天排放的冷凝热造成大气温升为 0.65 ℃，再考虑到空调冷
凝热大多直接排放到街区，由于城市建筑密集、且有一定高度，不容易扩散开，
这部分热量将对人们生活的空间产生更直接的影响[5]。
热岛效应使得市中心的热空气向高空上升，周边的大气则涌向市中心填空。
这样，郊区的工厂废气和环形马路上的汽车废气，都一齐流向市中心，使市中心
变成了氮、硫的氧化物和 SPM(浮游离子状物质)的汇聚地，严重污染了大气[6]。除
此以外，空气温度的升高恶化了空调的运行条件，使空调 COP 下降、运行效率低
下，于是，为维持人类舒适条件，就需要更长时间、更大负荷的空调运行，就需
要更多的消耗电能，同时会排放出更多的冷凝热，造成恶性循环[5]。所以，各国学
者纷纷积极投入到减小热岛效应的研究，其中，空调系统冷凝热的回收引起了空
调行业学者的高度重视。
§1.1.3 空调热水一体机的提出
节约能源和保护环境是空调领域的学者面临的重要难题，而解决这一难题有
两大手段：一是开发新型环保可再生能源(太阳能、地热能、核能等)；二是回收废
热,提高能源利用效率[7]。前者研发周期长，技术难度大。而后者是利用新技术提
高现有能源利用率的直接手段，周期较短且易于实施。因此，利用新的技术开发
满足环保和节能要求的空调系统成为空调专业学者们的目标，而空调热水一体机
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正是满足节能环保两大主题的新型产品。
随着我国国民经济的发展和人们生活水平的提高，人们对于居住、办公环境
的要求也越来越高。目前，在我国通常选用两套系统来满足日常生活需求，一是
利用空调机组制冷或供暖，二是利用热水器（电热水器、燃气热水器或太阳能热
水器等）作为独立热源的热水供应系统。这样，空调的冷凝热会白白排入大气，
不仅造成了室外环境的热污染，而且导致了能源的浪费；同时又要消耗一定量的
高品能（电、燃气等）制取低品位的生活热水。显然，这种分开使用的方式违背
了节能和环保的要求。若将冷凝热全部或部分回收，用于加热生活热水，则不但
可以达到环保、节能的目的，而且可以减少用户使用生活热水的费用，达到一举
两得的目的。另外，随着国内外热泵热水器的兴起，人们逐渐意识到了热泵热水
器相对于电、燃气热水器的节能性。但是，就初投资费用来看，热泵热水器相对
于其他热水器而言并无优势。如果我们将空调的热泵系统和热泵热水器的热水系
统两者合二为一，只使用一套热泵系统的主要部件（压缩机、室外换热器、四通
换向阀等），不仅可以大大降低初投资，而且可以增加系统的功能[8]。综合考虑以
上情况，人们提出了空调热水一体机，该设备在空调制冷的工况下可回收全部或
部分冷凝热来加热生活用水，而在不需要制冷的季节，则可当空气源热泵热水器
使用。
一般情况下，空调热水一体机采用三种工作模式，即 1）单独制热水模式；2）
制冷兼制热水模式；3）制热模式。已有研究结果表明，空调热水一体机用于供热
水时，比电热水器节电 70％以上；用于制冷兼制热水时，能效比比普通空调高；
用于制热时，能量转换效率与普通空调相当[9]。具体产品的能效比如表 1-1 所示：
表1-1 我国产品使用能源转换效率
产品名称
使用能源种类
能量转换效率
（制冷、制热效率）
节能性判定
环保性判定
锅炉
煤、油、电
30％～80％
低
差
燃气热水器
燃气
小于 90％
一般
一般
电热水器
电
小于 96％
一般
较好
电暖风机
电
小于 96％
一般
较好
空调机
电
200％～300％
较高
一般（夏季有热污染）
空调热水器
电
200％～600％
较高
较好（夏季减少热污染）
从上表可以看出，空调热水一体机的诞生给社会带来了巨大的节能和环保效
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益。因此，进一步研究和开发空调热水一体机并使之能被广泛应用于社会必将在
空调、热水器两个行业中同时掀起一场浩大的产业革命。
§1.2 国内外研究现状
§1.2.1 国外研究现状
国外在大型空调系统的冷凝热回收方面研究比较早，目前在世界上已经有较
为成熟的热回收冷水机组。早在 1951 年，西德莱茵威斯特代利亚电力股份公司和
舒尔特·林德公司一起研制一台具有蓄热装置的中央热水机组，每日可将 300 升
的水从 10℃加热到 50℃[10]。在 1980 年，美国 Carrier 公司就有冷凝热回收系统的
工程指导[11]。1990 年，一家佛罗里达州的美国公司制造了一种废热利用系统，使
用空调器中的冷凝热来加热热水，并首先将其安装在菲律宾的建设工程中[12]。到
现在为止，国外己有相关产品投入生产，约克公司的离心式热回收机组和特灵公
司的压缩式热回收冷水机组己能有效地回收冷凝热[13]。开利公司生产的 30RH 风
冷热泵机组(制冷量在 38.3-210KW 之间)也有热回收功能。由于在大型空调制冷系
统上成功地运用了冷凝热回收技术，人们开始把注意力转移到小型空调系统上的
冷凝热回收上，开展了一些研究工作，并取得了一定的进展。在国外，研究的重
点主要集中在冷凝热回收技术在小型制冷空调装置上运用的可行性认证、对系统
性能的影响以及经济性评价等方面。在 20 世纪 50 年代，英国已有向地下室或食
品储藏室提供局部冷却并提供家庭生活热水的小型装置出售，该装置是以冷藏柜
的冷凝热作为热源的小型家用热泵热水器[14]，但由于性能差而没有得到广泛运用。
在1965 年，Healy 和Wetherington 提出了对于居住建筑空调冷凝热作为免费的热
源进行热水供应的可行性，随后用实验装置验证了他们的计算结果，发现热回收
系统平均每年可节约 70%的热水供应量，在 5月到 10 月之间可节约 90%的热水供
应能量[15]。1973 年能源危机时，作为一种能源对策，美国考虑了将冷藏柜与排热
回收相结合的方法[16、
17] ，把制冷机的空冷冷凝器装在风道中，夏季用空冷冷凝器
放热而冬季用其来供暖。1977 年， Mason 等人在对一个有代表性的家庭进行了热
回收系统的研究，结果显示，不管家用空调器是以 8小时还是 6小时工作，所回
收的热量均可满足家用热水量的需求。而对于小型空调装置冷凝热回收进行实验
研究有代表性的是新加坡南洋理工大学的 W.M.Ying[18]，他对家用空调冷凝热的回
收技术作了实验研究，将房间空调器的冷凝热用来加热生活热水。从实验效果来
看，通过回收冷凝热对空调器的性能影响并不大，而空调器本身的 COP 有了较大
的提高。同时也指出，只要能合理的设计出蓄热水罐，那么将能够连续不断地为
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用户提供热水用于淋浴、洗脸等需连续用水的过程[13]。
随着计算机的发展和普及，通过数值模拟的方法来研究热回收系统的性能也
迅速被人们采纳。通过建立压缩机、蒸发器、冷凝器以及蓄热水箱等主要设备的
数学模型，在实验研究的基础上，进一步对整个热回收系统性能进行模拟，并同
一些常规系统进行对比研究等。Mason 等人研究认为，单冷型的空调器加热回收
换热器(heat recovery water heater, HRWH)能节省 12%的费用，而热泵型空调器加
HRWH 能节省 19%的费用[19]。Bong 和Toh 等人模拟研究了改进空调器的性能以及
可能回收的冷凝热量，结果发现，改进后的房间空调器的 COP 增大了，且回收的
冷凝热量基本上可以满足一个典型家庭的生活用水量[20，21]。但从中也得出，该装
置回收的冷凝热仅占排出热量的 15%～20%左右，所以该系统比较适合于小型的家
用空调机组和冰柜等用热场合不大的场所，这种系统还有待完善。
人们在研究冷凝热回收系统性能的基础上，对小型空调制冷装置冷凝热回收
的经济性评价也作了一定的研究。美国的 R.L.Douglas.Cane[22]等人，对工业中的热
回收热泵的可行性进行了实验研究，其结果表明只要回收年限在 5年以内，那么
这种工业中的热回收式热泵将具有很好的经济价值。同时也指出，回收废热时间
越长，那么这种热泵的回收年限越短，经济价值就越高。M.Olszewski 以及
M.Perlman 对于热回收用于加热生活热水热泵也进行了经济可行性分析和评价，从
中也指出了这种热泵的节能潜力很大以及在经济上是可行的。除了取决于设备本
身的较好设计外，还取决于它所使用的地方和具体的使用情况，同时也指出若回
收年限在 7年以上，经济价值不是很大，但对于传统的用电来加热生活热水来说
可以节约大量的一次能源[23，24]。
综上所述，国外在余热、废热回收方面已做了大量的工作，但主要的应用是
在夏季空调冷凝热的回收上，将热泵循环制热水与空调冷凝回收结合的热水空调
系统目前市场上几乎处于空白。因此，随着人们节能意识的与日俱增，空调热水
一体机的开发和运用前景十分光明。
§1.2.2 国内研究现状
在我国，尽管余热回收利用技术的发展起步较早,但发展较为缓慢,尤其是在小
型制冷空调装置冷凝热回收方面。早在20世纪60年代原哈尔滨建筑工程学院与哈
尔滨空调机厂联合研制成功的LHR20恒温恒湿机设置了风冷冷凝器回收制冷机中
的冷凝废热，用于空气处理过程的二次加热，从而取代了传统的电加热器，达到
了节能的目的[25]。但此后的研究就比较少，直到80年代末，才开始了一些小型空
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调装置冷凝热回收方面的研究。
1989年，原哈尔滨建筑大学对带热水供应的节能型冷藏柜流程进行了实验研
究，对常规系统和两种节能流程系统进行了对比，确定了最佳的节能流程；同时
还得出了热水供应量在不同的冷藏负荷、环境温度和热水出水温度下的变化规律
以及系统耗电量等情况[26]。
1998年，武警部队建筑设计所荣国华提出用自来水作为冷却水，经冷凝器升
温后，用蓄热水池(消防水池)蓄热，扩大对冷凝热的利用程度。该系统的运行情况
如下，当冷凝热供需平衡时，冷却塔停止运行;当冷凝热供不应求时，利用蓄水池
中的热水或辅助加热器加热;当冷凝热供大于求时，若蓄热水池没有达到蓄热极限
时，继续蓄热，若蓄热水池已经达到其蓄热极限，则冷却塔开启，排除额外的冷
凝热。该系统的优点是用蓄热系统平衡热源与热用户间热量在时间和量上的不同
步问题，使制冷机冷凝热回收技术在工程实际中变为可能[27]。
1991年，西安交通大学王军等提出在旅游宾馆中，利用串级热泵回收制冷机
冷凝热，使热水供应温度提升到65℃左右，拓宽了对冷凝热回收利用的范围。其
运行方案分冬、夏两季：夏季两台制冷机串联运行，第一级制冷机的冷凝热量一
部分传入第二级制冷机的蒸发器，用于供热，一部分通过冷却系统排除室外；冬
季第一级制冷机的蒸发器与室外空气-水换热器藕合，冷凝热量全部用于第二级制
冷机供热用，并以广州某宾馆为研究对象，结合广州地区的气候特征、生活热水
需求量、以及当地能源价格等因素，对此运行方案做了简单的技术经济分析[28]。
2000年，余颖俊等提出利用两台制冷机组串联运行，第二级制冷机的蒸发器
串接在第一级制冷机的冷凝器上，按热泵模式运行。该系统可在单冷及冷、热联
供条件下工作，具有便于调节的特点，由于串级热泵的升温作用，使得低品位制
冷机冷凝热回收利用的前景变得更加广阔[29]。
2002 年，清华大学的石文星、绍广泉等人提出了夏季空调通过回收冷凝热来
加热生活热水且能全年运行的热泵系统[30]，该系统中增加了一个预热器、一个再
热器、热水泵和一个容积式水箱，增加的设备较多且系统比较复杂,控制复杂且设
备投资加大。从目前情况来看,对于一般的家庭消费者来说很难接受这种产品。同
年，哈尔滨工业大学的王伟对于中高档旅馆免费热水供应在我国的应用进行了预
测和评价[31]，分析了目前中高档旅馆热水供应系统和空调系统所存在的能耗及环
境污染问题，提出将两种系统合二为一，发挥其能量上的优势互补进行免费热水
供应，同时对于旅馆的空调负荷和热水供应负荷进行了计算和综合分析，并通过
计算机进行了模拟，得出了任何燃料形式的热水供应系统改造为回收空调系统冷
凝热来进行热水供应系统，均可收到显著的节能效果。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题提出的背景世界经济的高速增长和人口的迅猛膨胀不仅加速了能源的消耗和枯竭，而且导致了环境的污染和破坏。能源问题和环境问题成为21世纪科学技术发展的两大议题。§1.1.1建筑能耗问题目前，对建筑能耗的定义主要有两种：一种认为建筑能耗由建筑物内日常使用能耗、建材生产能耗和建筑物建造能耗三部分组成；另一种认为建筑能耗只包括建筑物内日常使用能耗。本文采用后一种定义，即指建筑物(包括商业、民用及其它非物质生产部门)建成以后，在使用过程中每年消耗商品能源的总和，包括采暖、通风、空调、热水、照明、电气、厨房炊事等方面的用能[1]。随着我国城市化进程的加速，预计到2020年，全...

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