基本信息
- 项目名称：
- 家用太阳能热泵热水器热水空调系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 太阳能热泵热水器是将太阳能技术和变频技术运用于空气能热泵热水器的一种新型节能热水器，充分利用了太阳能和热泵各自优点，保证全年全天候热水供应。在低温环境下仍能正常工作，攻克了热水器化霜除霜的难题；应用转子压缩机在中低负荷下的高效率特性，使得热泵热水器能够做到小型化；将热水器与空调相结合，实现一体多用。克服了目前市场上的热水器能耗大、存在安全隐患等缺陷，很好地迎合了安全、健康、节能的市场需求。
- 详细介绍：
- 随着人们生活水平的日益提高，人们对家庭生活中的舒适要求也越来越高。越来越多的多功能热水器进入了人们的生活，热水器也同样经历了多年的发展，性能得到不断完善，但目前市场上的各类热水器还是存在着诸多缺陷，如能耗大、存在安全隐患、不能持续供热等等。将太阳能技术和变频技术运用于空气能热泵热水器而开发出来的新型太阳能热泵热水器，在低温环境下仍然能正常工作，并攻克了热水器化霜除霜的难题；采用微电脑模糊控制技术，自动识别阳光的有无强弱并选择系统运行模式；应用转子压缩机在中低负荷下的高效率特性，使得热泵热水器能够做到小型化；利用了风冷热泵机组的优点，不但冬季可以给水箱提供热能补充，为地面辐射采暖提供热水，还可以独立完成夏季制冷的需求，太阳能集热器可为用户提供热水，而由热泵机组生产的低温水则通过风机盘管吸收室内热量，为室内降温，达到制冷目的。相对于其它一般热水器而言，不仅节约能源，供热系数COP可达3.1到4.3，而且使用寿命长，两到三年即可收回初投入成本。所有这些都为太阳能热泵热水器的大范围推广，走进寻常百姓家庭提供了可靠的技术和经济保障。本作品融合了当前行业领域内的先进技术，并将热水器与空调系统有机结合，克服了绝大多数热水器的缺点，实用性明显，具有可观的经济效益和应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本发明主要针对家庭生活热水系统设计，在常规条件下，太阳能集热器采集太阳能将水加热；当日照不足，太阳能不能满足系统需求热量时，不足的热能由空气源热泵机组作为辅助能源提供。 创新点： 1.充分利用太阳能和热泵各自的优点，实现快速、稳定、连续的热水供应，保证全年全天候供应热水。 2.利用风冷热泵机组的优点，不但冬季可以给水箱提供热能补充，还可独立完成夏季制冷的需求，太阳能集热器可为用户提供热水，而由热泵机组生产的低温水则通过风机盘管吸收室内热量，为室内降温，达到制冷目的。 3.热泵机组采用变频驱动与热量分导技术，实现一机双系统控制，保证机组的产水量及机组的使用效率，并能通过程序控制实现自动化选择加热功率及加热时间。 4.智能化控制冷媒的输出量，并能保证热泵在零下25℃环境中正常工作，机组在室外温度0℃时运行的能效比可达到3.0。 5.采用双温度传感器智能化除霜控制，利用自动环境跟踪除霜技术和超低温热泵技术真正做到“有霜化霜，多霜多化，少霜少化，无霜不化”的动态除霜控制。 主要技术指标：制热能力：1400～5400W；制冷能力：1000～4600W；冷 媒：R410A；输入功率（制热）：500～1400W；输入功率（制冷）：495～1650W；制热能效比：3.1～4.3；制冷能效比：7.0～12.0；最高水温：75℃；最低使用环境温度：-25℃
科学性、先进性
- 太阳能热泵热水器系统使用转子压缩机，采用了先进的节能技术—变频，可以在不同的转速下保证高效率运行。转子压缩机采用模糊控制技术, 压缩机由于不停机而减少频繁启停造成的损失，还可以达到低噪声运行的效果。在刚启动时,采用低频启动，从而降低了启动电流, 减少了功率消耗, 然后很快转入高频状态，很短的时间里达到设定温度，压缩机此后长时间处于低频工作范围内，机组的功率降到最小。由于转子压缩机在中低负荷下的高效率，使得应用小匹数（1匹）的热泵机组成为必然。太阳能热泵还拥有“一机多用”的优点，即冬供暖，夏制冷，并为地面辐射采暖供热，全年提供生活热水。又因为太阳能热泵系统设有蓄热装置，因此夏季还可利用夜间电力进行蓄冷运行，以供白天供冷之用，有助于电力错峰。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年11月，作品“家用太阳能热泵热水器热水空调系统”参加学校“求实杯”大学生课外科技作品竞赛，荣获一等奖 2011年6月，本作品参加湖北省第八届“挑战杯•青春在沃”大学生课外学术科技作品竞赛，荣获一等奖
作品所处阶段
- 本作品处于中试阶段
技术转让方式
- 技术许可
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品采用微电脑模糊控制技术，自动识别阳光的有无、强弱并选择运行模式；自动监测水温、水位和室温，并根据情况进行补水和开停操作。广泛适用于家庭住宅、别墅、旅馆、桑拿浴室等场所。 技术特点及优势：1.太阳能与热泵有效结合，同时提高了太阳能集热器效率和热泵系统性能，在保证节能环保的前提下，基本上消除了传统热水器的环境依赖度,全天候供应热水。 2.结合模糊变频技术，系统根据不同冷热量需求控制冷媒流量，实现快速、节能和舒适的控温效果。在低温低压情况下也能良好运行。 3.加热过程中没有电加热元件与水接触，无废气废渣排放。安全、环保。 4.热泵与空调有效结合实现热水器和空调的多功能应用，既能制热又可制冷。 据测算，200L水用电从20℃加热到55℃耗电约为9度，用空气能热泵加热耗电只需1.93度。目前我国太阳能热水器约6300万台，每年耗电约1010亿度。只要有10%的传统太阳能热水器被本作品替代，一年就可以节约出34亿度电，折合约130万吨标准煤。由此可见，本作品具有明显经济效益。
同类课题研究水平概述
- 热水器产品经历了从燃气热水器到电热水器、太阳能热水器、空气能热泵热水器的变革。如今的空气能热水器虽然克服了前三代热水器的诸多缺点，但长期的理论和实践均表明，在环境温度很低的地区（如我国华北、西北等地区），空气能热水器的使用存在以下问题:⑴低温工况下启动困难,制热量明显减少；⑵除霜准确性差、效率低, 在除霜结束后不能快速恢复制热。 针对上述问题，国内外已有不少科技工作者做了大量研究，其中具有代表性的研究如下：哈尔滨建筑科技大学马最良提出采用空气能热泵与水-水热泵或者水-空气热泵组成藕合的双级热泵供暖系统来解决在寒冷地区低温制热时热泵性能恶化问题。可以用放置在室外的空气能热泵冷热水机组制备10 ~ 20 ℃ 的温水，通过水环路送至室内的水-空气或者水-水热泵系统，最后达到供暖目的。清华大学的马国远等人经过研究，成功利用带辅助进汽口的涡旋压缩机实现带经济器的准二级压缩空气能热泵系统来提高空气能热泵在低温工况下的制热性能。实际测试表明这个系统不仅能够解决低温环境下制热量衰减的问题，还可兼顾因压比过高所导致的压缩过程恶化，排气温度过高的问题，能使得机组在各个工况下的经济性均得到较好的照顾。 对于低温环境下空气能热泵除霜问题，目前一般采用的逆卡诺循环除霜方法存在诸多不足，如除霜效率低、影响室温稳定等。日本有学者研发了一种蓄热式变频热泵空调器，实际测试表明该机组相对于常规机组而言，平均制热量提高了10 % ，效率提高了5%，但遗憾的是此空调在冬季的优点到了夏季就会成为其缺点。当机组除霜结束恢复制热时，现有的除霜模式均不可避免会对系统产生冲击，出现膨胀阀无法正常开启，压缩机连续低压保护的状况。研究表明：对于目前的各种除霜方法而言，在热力膨胀阀上加装一个旁通电磁阀是一个最为经济、合理的方法。旁通电磁阀可使系统由除霜模式恢复到制热模式时，压缩机吸气带液量急剧降低，带入汽液分离器中的液体制冷剂大大减少，极大提高除霜效率，除霜结束后能快速恢复制热，系统的平均制热效果大大增强。目前市场上的空气能热泵热水器都还存在着一些尚未很好解决的技术问题，国内外的研究者们都在为之不断努力。本项目在这两个方面都进行了深入研究，主要在变频模糊控制与转子压缩机结合方面取得了一些突破，较好地解决了空气能热泵低温适应性和除霜问题，并采用微电脑自动控制，自动识别阳光的有无强弱并选择系统运行模式。
