家用空调热水器

学员：崔远定专业：制冷空调集美大学机械工程学院家用空调热水器1、家用空调热水器原理及结构2、家用空调热水器的控制系统3、家用空调热水器运行性能4、家用空调热水器的经济性内容提要1、家用空调热水器原理及结构一台最简单的蒸气压缩式制冷制热系统是由压缩机、冷凝器、节流阀（或其它节流元件）和蒸发器四个主要部件组成，其系统示意图如图2—1所示。该循环系统能实现从低温热源吸热并向高温热源放热。根据热力学第二定律该过程不能自发进行而必需以消耗压缩机的机械功为条件。制热运行时系统向高温热源排放的热量QH=QL+WO，其故制热效率大于1，就像是从低温热源把热量抽上来，热泵因此得名。系统制冷运行时从低温热源吸收热量使低温热源的温度降低产生制冷效应,其能效比EER=QL/WO•家用空调热水器的制冷制热原理•家用空调热水器原理及结构家用空调热水器制冷制热系统原理图•家用空调热水器结构实物图1家用空调热水器结构实物图2•家用空调热水器的基本构成普通家用分体式冷暖空调主要由压缩机、冷凝器、节流装置（多为膨胀阀）、蒸发器、四通换向阀等部分组成。家用空调热水器功能实现的方法是在普通空调器的基础上加设一个套管式换热器(水冷冷凝器)、一个保温水箱和一个循环管道泵（小型）及相应的控制元器件。普通的空冷冷凝器可实现普通热泵空调的制冷制热功能，在需要热水的场合将制冷剂切换到水冷冷凝器（套管式换热器）中冷凝便可实现同时制冷与制热水的目的或单独作为热泵热水器的制取生活热水目的。•家用空调热水器的工作模式(1)夏季普通制冷模式(2)冬季普通热泵制热模式(3)夏季制冷、制热水模式(4)单独制热水模式该系统理论上还可实现空调采暖加制取热水模式，但由于家用型机组的制热功率不大，会使热水器制取热水的时间过长，故该工作模式实用性不强，在此不作分析说明。家用空调热水器水冷侧采用的是套管式换热器（不同于一些热泵热水器采用的管壳式换热器）。因为套管式换热器的结构极为紧凑，在传热量相等的条件下，所占空间仅为管壳式换热器的1/2～1/3；还有就是套管式换热器换热温差小（为逆流式），.阻力系数小，热损小。这样就可在只是在适当增加空调室外机尺寸的基础上将热水器安装在空调室外机之中。家用空调热水器水侧就有两种可以达到制取要求热水的循环方式：1）即热式：通过适当调整流经套管式换热器的水流量，实现直接由自来水进水温度升温至要求热水出水温度的循环方式；2）预热式：通过循环水泵将水箱中的水打入换热器中进行循环，实现逐步升温直至达到最终要求温度的循环方式水侧装置结构原理2、家用空调热水器的控制系统•控制系统概述由于家用空调热水器是空调器与热泵热水器的有机结合体。其多种功能及四种工作模式都有赖于完备有效的控制系统来实现。简单易行、灵活多变的控制对空调热水器有着十分重要的作用。家用空调热水器采用微电脑（单片机）对系统进行控制，实现全自动控制。控制的对象主要是压缩机、蒸发器风机、室内温度、运行模式（四通阀和电磁阀状态）、水箱水温与水位等•系统自动控制说明自动控制的设定参数如下表所列：设定值最大值最小值水箱热水温度45℃55℃……室内温度波动上下限4℃6℃……套管进出水温差8℃20℃3℃电压上下限220220×120%220×80%除霜时限5分钟10分钟5分钟开始除霜温度-4℃0℃-9℃压缩机启动延时3分钟15分钟2分钟水箱水位控制80%95%40%电辅加热启动的气温-3℃8℃-3℃1、压缩机的高低压保护控制系统设定压缩机的排气压力高于2.7MPa和吸气压力低于0.28Mpa时，要设置微电脑控制器通过电子式压力控制器断开压缩机的电动机电源电路，保护压缩机的安全2、压缩机电动机欠电压过电压保护微电脑控制器设定压缩机在220V正常电压的±20%范围内波动能正常开启，超出设定范围压缩机进入保护状态不能开启3、压缩机、室外机风机、室内机风机及循环水泵的顺序控制与连锁控制电脑控制器设定空调热水器的开机顺序控制为：对应工作模式下的促进冷凝器、蒸发器热量转移的电动机先开启，然后才开启压缩机；而联锁控制是：各种工作模式下的散热部件的电动机之一因故停机，压缩机随之停机。4、系统电动机热过载保护5、系统工况指示和故障报警•其它的系统安全保护控制3、家用空调热水器的性能分析环境温度对运行性能的影响制冷运行时室外机组热交换器为冷凝器。当环境温度升高时，因制冷剂饱和温度与饱和压力存在一一对应关系而使系统的冷凝压力升高，导致压缩机的压力比增加，对每千克制冷剂的耗功增加，制冷系统的制冷剂流量减少，因而系统的制冷量会减少。反之当环境温度降低时，制冷系统的压缩机耗功会减少而制冷量会有所增加。热泵运行时室外机组热交换器为蒸发器。当环境温度降低时热泵机组的蒸发温度随之降低，故热泵系统的蒸发压力降低，导致压缩机的压力比增加，压缩机的排气量减少，热泵系统的制冷剂流量减少。同时压缩机的耗功增加，热泵系统的制热量减少。反之则反。因此家用空调式热水器用作热泵空调及热泵热水器时，机组的能效比（或制热系数）会因环境温度的降低而降低，会因环境温度的升高而升高，此时二者呈同向变化。•家用空调热水器变工况的运行性能分析室内设定温度对运行性能的影响根据我国机械行业标准关于制冷和空调设备名义工况一般规定,单元式空调制冷运行时室内机组的名义工况为:干球温度27℃,湿球温度19.5℃。而单元式空调热泵运行时室内机组的名义工况为:干球温度21℃。舒适性空调可以有一个范围较宽的舒适区。在该舒适区范围内夏季空调制冷时取较高的室内设定温度、冬季制热时取较低的室内设定温度可提高机组的能效比降低能耗产生一定的节能效果。故在满足人体健康的前提下，空调房间室内温度设定基数夏季应尽可能提高，冬季应尽可能降低根据我国机械行业标准关于制冷和空调设备名义工况一般规定，空气源热泵热水器的名义工况为:环境温度7℃,出水温度45℃.家用空调热水器的额定制热量就是这一工况下的制热量。当保温水箱的设定水温提高时，套管式换热器的进水温度随之升高，这就使作为水冷冷凝器的套管式换热器的冷凝压力相应提高。导致压缩机的输入功率增加，家用空调式热水器的制热量及能效比降低。节能节电角度出发，在保证人体健康的前提下应尽量调低保温水箱的出水温度，避免使用自来水去混合热水器的热水降低水温以免造成无谓的热耗散浪费电能。因此在本设计中家用空调热水器的热水设定温度推荐值（控制系统默认值）为45℃。保温水箱水温对运行性能的影响4、家用空调热水器的经济性分析1、一次性投入费用以1.5P的家用空调热水器为例,比普通家用空调器多出的套管式换热器、保温水箱、循环管道泵及相关控制设备，这些部件的总价格约在2000元左右。而市场上普通1.5P空调器的价位在2200～2500元之间。考虑到厂家和商家的适当利润，空调热水器（1.5P）的市场价格应在5000元以下。市场上单一功能的热泵热水器也因生产规模较小而价格偏高，压缩机功率为1.5P左右的热泵热水器价格在3500元以上,压缩机功率为2P左右的热泵热水器价格要高于5000元市场上各种品牌的中小型家用太阳能热水器都在3000元以上，各种性能较好的知名品牌电热水器的价格也在2000～3000元之间不等，可见在扣除购买一台空调的费用，空调热水器在一次性投入费用方面具有明显的经济优势。另外，空调热水器的使用年限达12年以上，而电热水器、燃气热水器和太阳能热水器的使用年限为5～8年，其年均分摊的使用成本较低，则其一次性投入的经济性优势就更为突出。2、日常运行费用空调热水器制取热水模式运行时的全年加权平均COP值（COP值就是指热泵系统的制热量与输入功率的比值）在3.5以上也就是说空调热水器的热效率可达350％以上，即便在室外气温偏低的严冬其COP值也在2.0左右，而性能较好的电热水器的热效率最高也只能达到95％。以电热水器为参照标准，空调热水器在我国绝大部分地区全年均能高效节能运行，平均节电达到70～80％。太阳能热水器在晴好天气利用可再生能源－太阳能，无需耗电，但在阴雨天气则需采用电辅助加热。由于各地气候差异使其节电水平也不同，其平均节电率在40～65％之间。由常用热水器经济性能比较表（论文中表3）可以的出结论：与热泵热水器工作原理相同的家用空调热水器的经济性和目前家庭占有率居前两位的燃气热水器、电热水器相比较具有明显的优势。即使与以节能环保的太阳能热水器相比较，家用空调热水器在经济性方面也具有一定的优势。家用空调热水器的安装与普通空调相似但较普通空调安装更复杂一些。因为保温水箱的体积重量较大,室外安装时应考虑与家用空调热水器室外机分别安装在各自支架上以增加安全性；还有就是家用空调热水器管路连接也要复杂一些，其管路系统不仅包括制冷剂管路还包括水管管路，这其安装不如电热水器及燃气热水器便捷。家用空调热水器比电热水器及燃气热水器的安装性能差一些，安装要求及条件要高一些，但这些不足是可以改善和克服的。而其安全性和节能环保性非常突出远高于电热水器和燃气热水器，又使得这一不足显得无足轻重了。况且与同为节能环保产品的太阳能热水器相比，家用空调热水器在安装性能要求及安全性方面更是具有明显的优势。3、安装性能及安全性•结论本论文提出研究和设计一台集普通空调器和热水器功能于一身的多功能电器设备——家用空调热水器的设想，并以家庭使用最多的1.5P分体式空调为基础对家用空调热水器的整体构成及主要组成部件进行了设计与计算。同时研究分析了新系统的原理、运行模式、控制策略、运行性能特点等，最后得出以下结论：（1）家用空调热水器利用空气中储存的清洁、可再生的热能，没有污染性气体及灰尘的排放，环保效果好，机组运行效率高，节约能源。推广应用家用空调热水器具有良好的节能和环保效果。（2）家用空调热水器与一台普通空调器和一台热泵热水器分别单独安装使用相比较就可省去一台压缩机和一个室外翅片式换热器，减少了原材料消耗，降低了制造及使用费用，提高了家用电器设备的利用率。（3）家用空调热水器技术是已有的热泵空调技术的拓展应用，因而其推广应用不存在技术瓶颈只需对已有技术及工艺进行优化与整合。故家用空调热水器技术易于迅速推广应用。六、结论与建议•不足与建议家用空调热水器作为一种新型空调热泵装置，需要进行研究和解决的问题还很多，在今后的研究工作中还需要对以下几方面进行深入研究：（1）家用空调热水器系统控制策略及实施方法等直接关系到系统运行费用的高低，在以后的工作中，要进一步优化系统的运行模式和设计出家用空调热水器专用控制的控制电路，以便于操作使用并最大限度的节省运行费用。（2）因条件所限，未能试制出样机并对其进运行性能进行测试与试验研究，进而提出优化与改进的方法与途径。在今后的工作中要制出样机并在试验测试的基础上改进。（3）在今后的工作中还要结合家用空调热水器的自身特点对保温水箱、循环管道泵、控制阀专用部件进行改进改良设计，使得系统更加紧凑，降低初投资并提高其运行性能。谢谢!欢迎各位老师提出宝贵的意见!