0 研究背景
傳統(tǒng)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(huán)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?qū)崿F(xiàn)熱量由低溫向高溫的傳輸，性能系數(shù)高。因此，作為熱水制備裝置，熱泵系統(tǒng)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(zhì)向高溫介質(zhì)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(qū)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(diào)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(shù)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(fā)和完善的技術(shù)。
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?shù)綗崴畵Q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。復合低溫源可大限度的提高熱泵的COP值，擴大其使用范圍和區(qū)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(shù)節(jié)能、環(huán)保效益顯著，利用再生能源，是能源轉(zhuǎn)換及傳輸過程中的節(jié)能技術(shù)及低品位熱能利用技術(shù)。
熱泵的理論基礎(chǔ)起源于19世紀關(guān)于卡諾循環(huán)的論文。直到20世紀20～30年代，熱泵設備的開發(fā)工作才取得了較快的發(fā)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(nèi)裝備了以泉水為低溫熱源的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。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(fā)展。日本、瑞典和法國等國家生產(chǎn)了以室外空氣為熱源的小型家用熱泵。英國和德國開發(fā)了與商業(yè)和公共建筑的熱回收相結(jié)合的大型熱泵裝置。
近年來，我國在熱泵技術(shù)的應用方面已進入快速發(fā)展階段，尤其是空氣源熱泵的研究與應用進展較快。國內(nèi)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(diào)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(shù)與應用研究剛剛起步。
1 研究內(nèi)容與進展
1.1 研發(fā)主要內(nèi)容及方法
1.1.1 研發(fā)主要內(nèi)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(yōu)化方法，開發(fā)復合低溫源熱泵系統(tǒng)的應用技術(shù)，研制、開發(fā)與復合低溫源熱泵產(chǎn)業(yè)化密切相關(guān)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(guān)設備等。主要研究內(nèi)容：
1)復合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究：不同低溫源換熱器的設計計算方法及其優(yōu)化；高溫源熱泵制冷劑特性研究；復合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的仿真及其優(yōu)化。
2)復合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)：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(shù)及其小型化技術(shù)；適合熱泵熱水系統(tǒng)的空調(diào)技術(shù)的開發(fā)。
3)復合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)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(fā)和生產(chǎn)；開發(fā)和生產(chǎn)適合復合低溫源熱泵熱水系統(tǒng)的各種換熱器；市場的培育和開發(fā)。
總體目標：建立和開發(fā)熱泵主機換熱器傳熱設計計算方法及計算機輔助設計優(yōu)件；設計、研制復合低溫源熱泵熱水機組樣機并鑒定推廣；產(chǎn)品通過國家相關(guān)行業(yè)許可認證并獲得相應的專利及知識產(chǎn)權(quán)；建設復合低溫源熱泵熱水供應示范工程，并達到比傳統(tǒng)的熱水供應系統(tǒng)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(chǔ)上，提出適合不同低溫熱源及熱水換熱系統(tǒng)的熱泵設計方法。根據(jù)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(xiàn)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(tǒng)的優(yōu)化設計問題。
2）實驗研究：設計、制作、安裝、調(diào)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(shù)測定；主機及其系統(tǒng)的優(yōu)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(tǒng)示范工程，研究開發(fā)相應的配件、設備及施工技術(shù)。
1.2 研究進展
1.2.1 機組構(gòu)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(huán)組成，包括主機和冷凝器兩部分。其中主機部分包括蒸發(fā)器、風扇、壓縮機及膨脹閥；冷凝器為內(nèi)放冷凝盤管的保溫水箱。參見圖1。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收外部空氣的熱量，通過熱泵循環(huán)在冷凝盤管內(nèi)釋放熱量，加熱水箱內(nèi)的水。水箱的保溫層采用閉孔橡膠海綿或聚氨脂發(fā)泡，且具有良好的保溫性能。
1.2.2 機組特點
1）高效節(jié)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(jié)省一半以上的運行費用。
2）環(huán)保無污染 ：該系統(tǒng)運行無任何的燃燒物及排放物，是一種可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保型的產(chǎn)品。
3）運行安全可靠：整個系統(tǒng)的運行無傳統(tǒng)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(tǒng)。
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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)；該系統(tǒng)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(jié)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(huán)境的熱能，為用戶提供生活熱水。該系統(tǒng)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(xiàn)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(jié)能綠色產(chǎn)品，復合低溫源熱泵熱水機組將在我國建筑供熱系統(tǒng)中發(fā)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(qū)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(shù)高和無污染等優(yōu)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(tǒng)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(fā)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(jié)幾乎是空白。我們將及時總結(jié)設計、安裝和運行調(diào)節(jié)等方面的實踐經(jīng)驗，制定相應的技術(shù)措施，做好該項技術(shù)的推廣應用和技術(shù)服務工作，使該供熱系統(tǒng)成為安全、可靠、經(jīng)濟、有效的熱水供應方式之一。通過工程應用，不斷改進產(chǎn)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(shù)使用的材料、設備及相關(guān)技術(shù)等與傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)無大的區(qū)別，熱泵主機、熱交換器等設備也可產(chǎn)品由相近的企業(yè)加工生產(chǎn)。因此，復合低溫源熱泵供熱技術(shù)的應用，將使一批企業(yè)投入到這一產(chǎn)業(yè)中來。相關(guān)材料、設備的產(chǎn)業(yè)化，將大大降低復合低溫源熱泵供熱技術(shù)的初始投資，進而有效地促進該項技術(shù)的普及應用。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)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(yè)已成為公共建筑尤其是賓館酒店的必備系統(tǒng)，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(shù)上的優(yōu)勢和節(jié)能的優(yōu)點，將成為中小型熱水供應系統(tǒng)的有很強競爭力的選擇方案。
