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基于相变储热技术的家用热泵热水器产品研制与产业化可行性研究报告.doc

基于相变储热技术的家用热泵热水器产品研制与产业化可行性研究报告

逻辑思维混乱中
2017-09-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于相变储热技术的家用热泵热水器产品研制与产业化可行性研究报告doc》,可适用于高等教育领域

基于相变储热技术的家用热泵热水器产品研制与产业化可行性研究报告基于相变储热技术的家用热泵热水器产品研制与产业化可行性研究报告项目申请的必要性随着中国经济的高速发展能源产业呈快速发展态势现在中国已成为世界能源生产和能源消费大国。统计数据显示整个"十五"期间中国能源消费总量年均增长达到年均增长亿吨标准煤。"十一五"期间最后一年(年)中国能源消费总量超过亿吨已超过美国而成为世界上第一大能源消耗国。高速增长的能源消费总量大于能源生产总量是我国目前能源状况的一个基本特点同时我国能源产业的发展存在着下述主要问题。()人均能源储备量少远低于世界平均水平。有关资料表明中国按亿人口平均能源资源探明储量人均煤炭可采储量仅为世界平均水平的人均石油可采储量为世界平均水平的人均天然气可采储量为世界平均水平的人均水能可开发资源量也只有世界人均值的因此可以说中国是能源资源贫乏的国家。()受能源资源条件的限制能源结构比较单一以煤为主由此造成的环境污染问题严重。年我国一次能源生产总量中,为煤炭。全国废气中二氧化硫排放量为万吨烟尘排放量为万吨。其中燃煤造成的二氧化硫和烟尘排入量约占总量的,二氧化硫排放形成的酸雨面积已占国土面积的。年中国二氧化碳排放量(按碳计)约为亿吨约占全球排放总量的左右。()能源开发利用设备和技术落后能源利用效率低浪费严重。中国的能源利用效率约为而世界平均水平是。从这一点来看中国节能潜力巨大。与国际先进水平比较目前中国一次能源消费的平均节能潜力在左右。年月国家发改委向全社会公布的中国《节能中长期规划》中明确提出坚持节能优先的方针以大幅度提高能源利用效率为核心以提高终端用能效率为重点逐步改变生产方式和消费方式。该规划还给出了我国主要耗能设备年及年的能效指标。到年我国国内生产总值目标是比年翻两番。如果能源产量也要翻两番是做不到的只能以翻一番的能源增长来支撑国民经济翻两番另外翻一番的能源增长就只能靠节能措施来弥补。可以说中国传统的高投入、高消耗、重污染、低产出的发展模式已经走到了尽头。所以基于我国能源产业的基本国情我国能源政策中越来越重视对清洁、安全、高效能源及用能装置的开发和利用。中国在成为能源大国的同时也以成为建筑大国目前我国的建筑业已成为国民经济的支柱产业之一。当前中国正处于城镇化和工业化快速发展时期每年大约亿平方米的建筑总量接近全球年建筑总量的一半同时这个数字还在以每年的速度增长其中以上为高能耗建筑。据有关部门测算目前住宅总能耗己占全国能耗的近亿平方米的既有建筑中以上是高能耗建筑。据统计我国华北、东北和西北地区的采暖能耗约占全年总商品能源消费量的。以北京市为例北京地区全年消耗标准煤约万吨仅冬季采暖用煤就达万吨左右约占全年总能耗的~。万吨煤炭集中在四个月烧尽而且大量小型采暖锅炉的热效率仅在左右标准煤耗~kgGJ。这种高密度的、多点的低空污染物排放造成北京地区的大气污染相当严重。冬季空气中的二氧化硫与飘尘浓度是非采暖期的六倍以上严重超过国家大气质量标准。在建筑耗能中生活热水消耗的能量十分惊人。据统计城市民用建筑仅洗澡热水用能就超过。目前国内市场上的家用热水器按其所使用的能源不同可以分为燃气热水器、电热水器和太阳热水器三大类。其中热效率在~之间的燃气热水器(强排式效率更低)所占比例大于热效率在~之间的电热水器(直热式效率约高)所占比例约。这两种热效率远低于的热水器的市场应用份额超过占了绝大部分。太阳能热水器有一定的节能优势但由于靠天吃饭、城市建设限制等原因在城市特别是大中城市的发挥似乎已经走入困境市场应用份额也很小。从科学利用热能的角度来说使用电力、燃气、燃油等高品位的能源来加热左右的淋浴用热水是极不合算的这样的加热过程即使达到的热效率表面看是没有热能的损失但实际上已经伴随着巨大的熵增损失是一种极大的能源浪费。具有把低温位热能输送至高温位功能的热泵技术由于节能环保效果显著在制备生活热水应用方面具有极为广阔的应用前景目前已得到国际社会的普遍重视。以空气为热源的家用热泵热水器也开始在我国得到应用在我国长江中下游等地(中国气候分区的III区和IV区)得到广泛应用效果良好。空气能是一种广泛存在、平等给予和可自由利用的低品位能源空气源热泵热水器采用逆卡诺循环原理以极少的电能通过热泵工质把空气中的低温热能吸收进来经过压缩机压缩后成为高温热能传至水中加热热水是一项极具开发和应用潜力的节能、环保新技术。空气源热泵热水器的主要特点:()高效节能:使用费用比传统的太阳能热水器(带辅助电加热器)更省是电热水器的燃气热水器的消耗少量电力能获得倍热量()全天候:不受天气变化影响晴天、阴雨天、夜间都能高效地制取热水()适用性强:任意位置安装解决了太阳能只能安装在顶层的不足而且建筑朝向没有影响()寿命长:制冷剂作为工作介质不存在夜间冻管及管路腐蚀等问题系统寿命一般可达,年()安全可靠:勿需大电流的电气连接运行安全可靠噪音小安全环保热能来源于空气水箱内无电热管水电完全分离绝对安全()方便舒适:承压出水自来水压沐浴全自动运行快速加热超大容量()电脑自控:确保高效地从空气中获得能量从而充分节约电力()蓄热运行:"移峰填谷"充分利用晚间低谷电价运行。然而纵使家用空气源热泵热水器有如此多的优点随着以石油为代表的能源价格一路上涨市场认知程度也得到了普遍的提高但在实际的市场应用中也存在着一些突出问题严重影响了推广使用。()占用住宅空间太大。一般的空气源热泵热水器产品的标准配置是一个水箱加一个室外主机。随着国内人民生活水平的提高对生活热水的需求量越来越大为了迎合这种市场需求产品水箱也越做越大。但随着国内房价的日益上涨这种带着一个庞大水箱的热水器让用户越看越不顺眼。有用户表示这种安全、节能、环保的热水器虽然物有所值但还需要一个花费上万元一个平方的室内空间来放置这个庞然大物影响观瞩不说附加使用成本太高。()机组安全性问题。热泵压缩机的运行工况远比空调压缩机的运行工况恶劣得多由此导致一系列的机组安全性问题。产生这一安全性问题的根源在于冷凝器与蒸发器的温差过大造成的。过大的温差可能导致压缩机排气温度提高吸气压力和温度降低实际参与者循环的制冷剂减少容积效率下降还会带来润滑不良及液击的可能。排气温度过高可能引发的故障较多如绕组的绝缘漆可能在高温下失效造成绕组线圈短路(匝间短路)电流增加润滑油在高温下黏度下降不能为压缩机提供有效的润滑造成压缩机磨损加剧制冷剂在高温下也会发生不可逆转的高温裂解碳和氢从制冷剂中分解出来导致系统失去工作能力。()残余热量大。水箱以储水方式储热用户使用时由于混水的原因一定标称容积的水箱中存储的热水实际上不能完全使用这也导致了不得不将水箱做大。另外由于自来水质等原因导致水箱及换热器结垢从而降低系统能效比甚至缩短整机使用寿命。()其他问题。比如系统运行重量大反应速度慢等问题。另外由于水箱体积大一般是分体式设计这种分体式热水器安装复杂涉及机械、电气安装尤其是制冷剂的充注需要专业技术人员作业甚至是危险的高空作业。针对这些严重影响市场推广的突出问题为了克服和解决传统热泵热水器的问题与不足进一步提高热泵热水器的节能潜力本项目提出了一种有别于传统储水式热泵热水器的储热式热泵热水器方案。该方案利用了复合相变材料在发生相变的过程中吸收大量热量进行储热的原理采用两级加热的方式制备生活热水。与目前传统热泵热水器相比项目产品具有下述优点:()体积小、质量轻。通过使用储热容量大的复合相变材料进行储热可大幅减小整机体积适合家用同时整机体积的大幅减小导致系统运行重量的大幅减小可灵活布置例如可以设计成天花吊顶暗藏样式不占用室内有效空间。()更节能。将固液相变储热技术与高效节能的热泵技术进行了有机结合采用两级加热方式与高效逆流换热技术有效降低了加热过程中的传热温差使得平均冷凝压力低于传统热泵系统系统能效比一定比传统热泵更高。同时由于储热温度较低与环境温差小可大幅度减轻储热过程中因保温原因导致的散热损失从而提高系统平均能效比。()系统寿命更长。由于采用两级加热的方式能大幅减小压缩机工作温差压缩机排气温度和压力负荷大为减轻因此能有效改善压缩机运行工况系统使用寿命能得到较大提高。同时储热箱及换热器不会因储水原因导致结垢也会提高系统的使用寿命和能效比。()残余热量小。由于不存在混水情况用热时可将存储的热量完全释放出来提高了存储热量的使用率。()其他。由于系统体积小可以方便设计成整体式热泵系统这种整体式热泵安装简单、不需要专业的技术人员更可以避免高空作业这种整体式热泵安放方便可安放在阳台、厨房或走廊这种整体式热泵还可以一机多用如在夏季可作为空调使用在潮湿季节可以作为除湿机使用能有效提高产品的性能价格比。本项目通过将相变储热技术与热泵技术有机结合解决了传统家用热泵热水器在市场应用中存在的关键问题必将加快这种节能型产品的市场推广进程起到很好的节能减排作用因此项目实施具有较强的现实意义能产生明显的经济效益和社会效益。申报单位情况申报单位基本情况本项目承研单位广东纽恩泰新能源科技发展有限公司成立于年月为股份制民营高科技企业现有员工人注册资金万元人民币。公司现有配套完善的办公楼、员工公寓、员工餐厅、大型培训中心、生产工厂、可测试匹工程机的大型工程技术中心。各种固定资产及流动资金超过万元人民币。公司前身为纽恩泰热能科技发展(昆明)有限公司成立于年月。年月因生产配套需要将生产基地搬迁至配套较为完善的广州市成立了纽恩泰热能科技发展(昆明)有限公司广州分公司。随着"纽恩泰"品牌的发展为优化资源结构、加强管理年月通过资源重组成立了广东纽恩泰新能源科技发展有限公司。重组后的广东纽恩泰新能源科技发展有限公司以研发、生产及销售"纽恩泰"品牌下的高科技节能产品为主业在管理上剥离了管理较为成熟的生产工厂将重点放在产品技术研发、生产监控及渠道营销上公司结构更为轻巧灵活方向更加明确集中。公司现设有技术研发中心、营销中心、生产部和行政财务部个部门企业结构示意图如图所示。其中与研发相关的人员包括研究人员、开发人员、技术支持人员及工艺品管人员。图:企业结构示意图技术研发中心人员平均年龄岁其中博士人、硕士人、本科人。营销中心平均年龄岁其中本科人、大专人。生产部平均年龄岁其中大专人、中专人。行政财务部平均年龄岁其中本科人、大专人。各部门人员及主要职责如表所示。表:公司部门、人员及职责部门人员人数主要职责总经理全面负责公司日常运营及战略方向技术研发中心研究人员技术追踪、项目预研立项、方案、设计其中人兼任主任开发人员技术设计、开发制造协助营销中心技术支持人员售前、售后技术支持工程机初步方案产品改进需求、功能需求、用户需求收集各区销售人员重大营销活动、展会策划、实施各区销售、代理商发展与培育其中经理人东南西北生产部工艺品管人员下单及生产工艺指导生产质量监控及成品验收项目样机制造工艺改进需求收集物控人员原材料、半成品、成品的采购、管理、发送其中人任部长行政财务部行政人员公司内外部协调、日常运营其中经理人财务人员财务管理合计目前公司"纽恩泰"品牌下的空气源热泵热水器产品的市场销量稳居行业前十名均已通过ISO认证、C认证、全国工业产品生产许可认证品牌(或重组前企业)先后获得过"中国公认名牌企业"、"行业十佳品牌"、"中国AAA级重质量守信用企业"、"国家权威检测放心品牌"、"中、"金牌产品畅销品牌"、"低碳中国最具成长国节能环保示范单位"性企业十强"等荣誉。公司总经理(董事长)赵密升先生个人也因此获得行业多种荣誉如"中国空气能热泵行业十佳人物"、"创业中国年度十大低碳人物"、"创业中国年度十大公益人物"等并担任中国家用电器商业协会专家中心副主任、全国工商联新能源商会副理事长、中国空气源热泵产业联盟理事等职。研究开发能力公司目前拥有一个配备先进大型全自动智能控制系统及卤素检漏仪等设备在内的大型工程技术中心实验室可测试匹工程机两条包括全自动半自动数控冲床机、全自动半自动数控折弯杌等设备的生产线研发经费投入一直超过销售收入的。品牌经过多年的发展目前已形成了以研发为中心的"研发、市场、生产"铁三角架构如图所示其中与研发直接相关的人员有人分布于个部门。图:企业架构图承担主要研发任务的技术研发中心共有员工人其中博士人、硕士人、本科人。研究人员负责行业前沿技术追踪项目的预研、立项及方案设计等任务通过产学研合作渠道与高校学术层面进行衔接通过公司营销中心的技术支持人员与市场需求进行衔接。开发人员主要负责技术设计、产品开发、部件或样机制造协助、实验支援等任务对上直接与研究人员进行衔接对下与公司生产部的工艺品管人员进行衔接。营销中心的技术支持人员与生产部的工艺品管人员与研发直接相关对研发起重要的支持作用(参图)。技术支持人员直接面对终端用户及代理商除了负责技术支持外同时肩负需求收集、整理等任务。工艺品管人员均为行业高级技工除了负责产品生产指导及质量管理以外同时负责研发部件样品及样机制造、工艺改进需求的收集与实施等任务。这两类人员均直接与研发中心进行衔接。大部分研发相关人员来自于公司重组前企业目前已获得专利项正在申请的专利项参表所示。表:公司已授权专利专利号专利名称备注ZL一种节能空气源热泵热水器ZLx空调直热式空气源热泵热水装置ZL双胆式空气源热泵热水器ZL一种量子双能水箱ZL一种空气源热泵热水器ZL一种新型内置盘管水箱ZL一种卧式分仓加热承压水箱ZL带空气置换功能的空气源热泵热水器曾经研发的产品包括家用机与商用机两个类别其中家用机产品包括FLF系列、D系列、F系列、都市系列、量子系列个系列参图所示。图:"纽恩泰"品牌典型产品本项目负责人及主要承担人简历如下。严和平项目负责人总工程师年月出生湖南人华南理工大学计算机应用技术专业博士。余年来主要从事嵌入式系统及信息化建设的研究与开发工作在相关领域有着比较宽阔的知识面、深厚的研发功底及丰富的产品开发经验。发表学术论文余篇(其中EI索引论文篇)参加与主持过多个项目及产品的研发工作曾有个项目获得过较高荣誉其中国家级科技进步奖项。现就职于广东纽恩泰新能源科技发展有限公司分管企业产品发展方向、技术研发及产品生产工作。在纽恩泰主持研发了"量子"系列产品获市场好评并已申请国家专利。姚泳标:华南理工大学应用物理专业硕士。余年来一直在热泵行业从事产品结构、性能、工艺流程的设计及技术研发工作。曾就职于知名企业美的、格力和格兰仕的研发中心热泵技术全面、解决技术问题能力强。在公司"量子"系统产品的研发过程中所带领的研发小组攻关破堡为新产品按计划上市起到了关键作用。负责研发的直热式技术、双胆水箱技术及量子双能水箱技术等技术获得了项国家专利。负责设计的纽恩泰空气能热水器曾在昆明国际节的能新能源环保博览会上荣获"设计奖"在云南省环境保护局主办的"构建和谐彩云南、环保减排"活动中获得首届云南省群众喜爱的环保减排产品。张斌:毕业于昆明理工大学应用物理专业近年来一直从事塑胶、钣金产品的设计与生产对产品结构、产品外形有独特的理解擅长于结构与外形创新。在公司"量子"系统产品的研发过程中所带领的设计小组以"好用、美观"为主题的设计理念受到了市场的热烈欢迎。发明了"带空气置换功能的空气源热泵热水器"专利。汪国标:毕业于广东工业大学制冷与空调技术专业年来一直从事空调及热泵生产工艺、流程控制、工艺设计、及工艺改进等实操工作工艺管理能力强。在公司"量子"系统产品的开发过程中所带领的技术小组密切配合研发小组和设计小组保证了制造工艺为项目的顺利实施发挥了重要作用。财务、经济状况公司现有配套完善的办公楼、可测试匹工程机的大型工程技术中心和两条生产线各种固定资产及流动资金超过万元人民币。目前公司在该项目上已投入万元进行前期的研发另外自筹资金万元用于中后期的研究化目前自筹的资金已全部到位。申报单位的科研及生产经营管理状况"纽恩泰"品牌经过多年的发展科研及生产经营管理经历了ISO贯标及ERP实施等阶段逐渐摸索出了一条以"研发、市场、生产"三个支撑点为基础的发展道路参图所示。以科研为核心公司研发以面向市场需求的技术预研、立项及产品开发为主深入的相关理论研究主要借助于高校力量。与高校合作方面目前已摸索出了一条切实可行的产学研相结合的道路主要包括加强与业界专家学者的联络定期组织研论会产学研合作项目的实施等。公司目前已与新加坡南洋理工大学建了战略合作伙伴关系与广东工业大学材料与能源学院联合成立产学研基地、学生实习基地并签署了产学研合作的框架协议书、关于设立广东工业大学"纽恩泰优秀的协议、关于联合举办"纽恩泰杯设计大奖赛"的协议及"有机学生奖学金"相变储热型热泵热水器的性能优化"的技术开发合同。公司内部研发方面已逐步形成了一条符合小型科技型企业特点的简洁、高效、规范的科研模式。包括科研管理规范、科研考核办法、技术文档管理规范实验室管理制度在内的各种规章制度从建立到完善逐步走向规范。科研项目的开展已逐步形成了固定的流程如图所示在实际执行过程中已逐步呈显出简洁、高效的特点。图:公司科研项目实施流程从该流程可以看出一个项目的实施从市场需求开始启动经过短期的预研阶段迅速决定项目是否继续实施。关键技术研发及实施阶段其实是一个"问题方法"对的多次循环过程通过不断"发现新问题找出相应的解决办法"这个固定模式来逐个解决所有关键技术问题到此才真正决定一个项目的成败。可以看出这个过程是一个简洁、高效的过程。后续的产品定型阶段经过反复的内部测试、试产、外部测试逐步定型产品的各项技术参数、生产流程及各种技术文档。最后项目结题后开始批量生产将新产品推向市场。品牌发展到现在按逐步形成的这种流程已成功开发出了多个系列的十多个产品(参图)去年被《热泵市场》杂志评为最具成长性品牌今年被《亚洲新能源》杂志评为创新凶猛性品牌。实践证明了这一流程的简洁性、高效性符合我们这类科技型中小企业的实际。以市场为导向自ERP实施以来公司在市场营销管理方向逐步走向规范各种规范和制度在实践中不断得到完善如市场营销作业规范、项目实施作业规范、客户服务作业规范、营销稽核作业规范、营销培训作业规范、营销作业规范中的文档格式和流转单证、销售人员管理制度等等。公司营销中心经过多款新产品上市营销活动的锤炼企业营销能力得量子"系列产品营销活动揪起了行业市场销售的到快速增强。去年推出的"一个小高潮参加广州和上海行业展会的表现全场最为耀眼引起了媒体的广为关注。今年年初与国内知名营销策划公司极品策划公司签署合同聘请其为培育公司形象和品牌做全面的策划。渠道方面通过近年对代理商的培育企业目前已拥有一条忠诚的代理商渠道。一些较大的代理商与企业关系十分融洽经常对行业发展及纽恩泰品牌建设向企业献计献策。另一方面公司的生产经营管理以市场需求为导向科研需求直接从市场中产生。科研需求包括两类一类是品牌在售产品在市场应用中技术改进需求这一点从公司产品系列的升级换代可以看出都是对市场需求的有效反应市场销售情况证明了这一反应的正确性。另一类是根据市场需求研发全新的产品通过技术预研、关键技术研发两个简单步骤即可完成决定一个项目成败的关键内容最后经过产品定型即可量产投放市场。其中规范是项目简洁高效的保证。从需求收集、汇总到技术预研及关键技术研发和产品定型各个阶段都有一套规范的管理制度。每个项目都有完整的文档资料每个产品都有完整的技术档案。从项目的开展流程到研发管理及文档管理都较为规范而不复杂。品牌成立后开发的FLF系列、D系列、F系列产品与其他品牌差别不大但很快从市场应用中找到需求迅速反应一年多的时间内开发了都市系列、量子系列的多款产品每个系列、每款产品的开发都是对市场需求反应的直接结果。这种市场导向理念中有一个非常重要的纽带:营销中心的技术支持人员。技术支持人员隶属于营销中心但除了常规的对市场用户负责技术支持任务外同时起作对研发中心支持的任务被赋予了市场需求收集、产品档案建立等任务是研发中心科研需求的主要来源渠道。以生产为基础经过近年的ISO贯标公司生产管理较为成熟目前已基本将工厂管理剥离出去而将主要精力放在生产计划制定和生产过程管理。其核心是保证生产计划的完成抓好产品质量监控。瘦身后的生产部一共才人生产部长负责生产计划的制定如车间生产作业计划、生产准备计划、设备和生产负荷核算与平衡等物控负责物料采购、产品配送、仓储管理等任务工艺品管负责生产过程管理及产品质量监控如工艺标准化、设备管理标准化、生产现场管理及定置管理标准化等。其中工艺品管人员是产品质量控制的关键但同时也起作对研发中心支持的作用:负责新设计部件及原型样机的工艺制造与改进。品牌成立到现在从实际生产经营管理中摸索出的这种以研发为中心铁三角架构中三个支撑点的紧密配合、相互支撑的"研发、市场、生产"是公司轻巧、高效运行的关键其中营销中心的技术支持人员和生产部的工艺品管人员对研发中心的科研项目的开展起作重要的钮带作用。项目实施方案项目的目标、研究范围和主要内容空气源热泵热水器由于其独有的节能环保优势具有广阔的应用前景然而由于需要配备一个体积庞大的水箱而严重影响了市场推广。针对这一问题本项目的设定目标是研制一种大幅缩小设备体积、适合家用的热泵热水器产品。实现这一目标的思路是采用储热能力比水大的相变储热材料进行储热然后通过合适的换热技术将存储热量取出使用。由于石蜡材料的相变温度、相变潜热等条件基本符合这一要求且具有无过冷及析出现象、性能稳定、无毒、无腐蚀性、价格便宜等突出优点因此项目方案采用石蜡材料相变储热的方式代替普通热泵热水器水箱存水储热方式热泵其他部件与普通热泵基本相同。然而由于石蜡材料的导热系数较小使材料充分储热并将存储的热量快速、彻底地取出存在较大难度。因此项目主要研究范围确定在下述两个方面。()通过对一定相变温度的石蜡材料进行粒子掺杂形成复合相变材料(储热材料)以达到下述两个目的:(a)调整相变温度到合适位置(b)提高储热材料的导热系数。()研究储热材料的储热、放热机理设计合适的换热器结构及换热方式以达到下述两个目的:(a)提高储热、放热过程的换热效率(b)尽量保证储热材料充分储热和放热。为达成项目目标所需完成的主要工作包括石蜡材料的掺杂配方确定、换热器结构及换热方式设计等关键技术问题的解决。经过需求调研、技术预研立项之后项目主要内容包括:()复合相变材料及掺杂配方的实验研究与确定()储热材料的储热、放热机理研究及换热器结构、换热方式设计()系统其他如部件压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器的选择与设计()整体式及分体式两种产品的结构设计对于整体式系统还需要考虑系统的减噪设计()产品外观设计及生产工艺确定。项目的技术方案基础原理储水式热水器的工作方式是通过将一定容积水箱中的水从某一温度(低温)加热到另一温度(高温)以备需要热水时使用这种利用物体温度升高实现热量储存的方式称为显热储热方式另外一种储热方式称为潜热储热"是利用物体从固态转换为液态时吸收大量的热量的特性来储"存热量的由于物体在吸收热量并发生相变时温度基本不变但是吸收的热量却很大所以在同样体积和重量下能够储存较多的热量。物体如水或者硬脂酸在吸收热量时自身的温度也上升当达到熔点时此时温度变化很小但是其物态开始变化:即由固态转化为液态直至完全熔化这个过程吸收的热量称为相变潜热一般的情况下相变潜热比显热要大的多。例如一公斤度的冰转化为一公斤度的水时需要吸收千卡的热量而水上升度时仅需要吸收千卡热量。本项目的储热式热泵正是利用这一原理使用相变温度合适、相变潜热大的物体作为储热材料。工作时将所需热量存储在储热材料中需要热水时通过水与储热材料的热交换将存储的热量取出使用。其优点是由于相变潜热大存储相同热量所使用的相变储热材料体积可以比水升温储热的体积小很多这样就可以将热泵热水器的体积大大减小。图:相变材料储热与水储热过程对比示意图上图是公斤相变材料与公斤水的加热量与温度变化曲线图中直红线为水加热曲线蓝曲线为相变材料的加热曲线可以看出随着热量的加入相变材料由于比热小在吸收同样热量时温度上升很快达到度时温度开始趋于平缓液化开始到液化完成时温度又开始上升而水温度则始终沿直线上升。当加热总量为千卡时水达到度而相变材料已经超过了度。在热量释放时两者也基本沿着原来的加热途径实现放热:由于热水的保温水箱是承压水箱热水靠自来水的压力流出冷热水不可避免的发生混合当两者都放热至度时(假定度以下的热水不可使用)相变材料释放的热量为千卡而水则仅能释放千卡相变储热方式的"残余热量"要少所以储放效率更高。利用相变材料储热的储热式热泵热水器与普通热泵热水器原理类似主要区别在于用填充有相变储热材料的储热箱代替装满有水的水箱水箱中的冷凝器变为用于对储热材料进行储热的储热换热器、用于对水进行加热的加热换热器及用于从储热材料中将存储热量取出来的取热换热器其原理示意图如图所示。图:储热式热泵热水器原理示意图整个系统由压缩机、蒸发器、风扇、节流元件及储热箱构成。储热箱内填充了储热材料储热材料中布置有各种换热器管路。换热器包括储热换热器、取热换热器及加热换热器。热水器的工作可分为两种模式。()储热模式控制进水、出水的阀门都被关闭利用压缩机排出的高温高压工质与相变储热材料通过储热换热器进行热量交换热泵产生的热量以相变潜热和显热形式储存于相变储热材料中。()放热模式使用热水时相变储热材料先通过取热换热器将自来水预热到一定温度预热后的自来水通过加热换热器与压缩机排出的高温高压工质进行热交换将自来水加热到需使用的温度。主要技术内容由于石蜡等相变材料的导热系数极小因此项目的研发首先要解决的关键问题是如何快速、彻底地向储热箱中的石蜡等储热材料传递热量当使用时又可以将所存储的热量快速提取出来。解决这个关键问题可从两)通过向石蜡材料中添加导热系数高的粒子(掺杂)以提高方面着手:(复合相变储热材料的导热系数()改善储热箱中储热装置(换热器)的传热性能及换热方式。项目主要技术内容如下。()储热材料及掺杂配方的实验研究与确定首先根据系统设计要求确定合适相变点的石蜡材料。然后以此为基础通过掺杂配方实验调整复合储热材料的相变点、提高复合储热材料的导热系数。掺杂粒子的选择包括铜粉、铝粉、膨化泡沫铝、气相二氧化硅或有机膨润土等。可使用的实验测量方法主要有平板稳态法和热线非稳态法。平板稳态法用于测量固态复合材料的导热系数热线非稳态法用于测量液态复合材料的导热系数。最后根据复合储热材料的储热密度与导热系数之间进行平衡以确定配比(掺杂量)。()换热器换热特性的研究、实验分析与设计储热箱中填充了复合相变材料复合相变材料内同时布置有交错排列的制冷剂管及水管构成了制冷剂、相变材料、水之间复杂的换热过程。首先按系统工作模式的不同(储热和放热)使用微元分析的方法对各种管路进行微元划分。然后分析储热换热器和加热换热器的工作机理及性能。储热换热器分析包括制冷剂与复合材料之间的换热过程分析、制冷剂侧换热系数计算、复合材料侧导热系数的计算等。加热换热器分析包括制冷剂侧微元控制方程的建立、制冷剂侧换热系数计算、水侧换热系数计算等。同时进行金属导热圆环布置实验。通过在储热箱边角位置布置金属导热圆环以提高储热材料的储热量及放热量。金属导热圆环的选择包括镀锌铁环、金属铜环等。通过实验确定圆环的类型、尺寸及布置方式。最后根据实验及分析结果设计三种换热器的各项参数指标如叉排管布置方式、传热管径、管间距、翅片间距、翅片厚度等。()系统其他如部件压缩机、节流元件、蒸发器的设计(或选择)与测试系统中的其它设备如压缩机、毛细管及蒸发器等与常规系统中换热特性及工作原理相似在上述换热器参数设计的基础上按设计要求进行总体参数匹配设计。根据项目产品计划(分体壁挂式、整体吊顶暗藏式)需设计整体式与分体式两种系统。系统整体设计后的内部测试主要是通过环境气温、进水水温的模拟采集测量系统运行于不同工作模式时的温度、压力、水流量及功率等主要参数。()减噪设计对于整体式系统还需进行系统减噪设计。系统减噪设计主要以主机机箱结构为基础综合考虑压缩机高频及低频噪声、冷媒流动噪声和风机运转噪声等主要噪声因素设计系统运行噪声控制方案。()控制系统设计。最后优化控制系统的设计。技术路线按照项目实施流程整个项目的技术实施包括关键技术问题研究、实验及分析、系统及部件设计等几个方面的技术内容。项目计划确定设计要求()根据设计要求包括日用水人数、制热量、制冷工质、压缩机功率、热泵名义工况下循环参数及空气参数等。()根据设计要求确定选用的石蜡类型、用量及复合材料调整后的相变点()根据系统换热性能要求确定掺杂配方、圆环布置方案及各类换热器的结构参数掺杂配方包括掺杂粒子的类型、掺杂比例及掺杂工艺等圆环布置方案包括圆环类型、尺寸及布置方式等换热器结构参数包括叉排管布置方式、传热管径、管间距、翅片间距及翅片厚度等。()最后确定其他部件参数并进行减噪设计、保温设计及控制系统设计等。整个项目实施的技术路线如图所示。图:项目实施的技术路线关键问题从上述技术路线可以看出本项目需要解决的关键技术问题主要包括以下几个方面:()复合相变材料掺杂配方的确定以石蜡为主的复合相变材料的掺杂配方是本项目系统的一个关键。该掺杂配方有两个重要作用:调整复合相变材料的相变温度和提高复合相变材料的导热系数。复合相变材料的相变温度决定了压缩机的运行工况是系统运行效率和安全保障决定性因素决定了系统的运行能效比和使用寿命。导热系数的提高是充分利用复合相变材料进行储热、快速彻底地放热的重要保证也是提高系统能效比的重要因素。()换热效率的提高解决石蜡材料导热系数不高的另一个途径是提高系统换热效率因此采用强化换热技术、合理的换热器参数设计和储热箱边角位置金属导热圆环布置方案也是本项目的另外一个关键。创新点本项目从立项到关键问题的实验研究与分析具有较强的理论创新同时将以石蜡材料为主的复合相变材料应用于热泵热器具有一定的应用创新在系统结构、系统部件的设计上均与传统热泵热水器有较大差异具有较强的技术创新和结构创新。这些创新以材料学及传热学理论为指导、以大量的实验分析为基础具有较大的创新难度。主要体现在下述几个方面。()提出了一种新型的储热式热泵热水器系统设计方案通过使用复合相变材料进行储热较传统储水式热泵热水器而言可以达到大幅减小热泵热水器体积的目的同时可以有效降低热泵热水器的成本构架。()提出了一种两级加热方式的换热器设计方案理论上可以证明该设计一定比单级换热方式能效比更高并且由于储热温度较传统储水式热泵保温温度低可减少保温过程中的热量损失因此系统平均能效比能得到进一步的提升同时该设计可以减小压缩机排气温度和压力能使压缩机一直运行于安全工况下提高了系统安全性。了一种以石蜡材料为基础的复合相变材料配方()确定通过对石蜡类相变储热材料的掺杂配方实验与分析确定的掺杂配方可大幅提高复合相变材料的导热系数。()提出了一套复杂换热机理的换热器设计计算方法对具有储、放热过程并存集多种冷凝换热形式于一体的复杂工作机理进行理论研究和实验分析提出了合理的换热器设计计算方法该方法可大幅提高换热器效率配合石蜡材料的掺杂配方及金属导热圆环布置方案可有效解决石蜡材料用于相变储热应用中导热系数不高的问题。技术参数指标项目产品的技术参数指标如图X所示。与传统储水式热泵产品技术参数指标的差异主要体现在系统能效比(COP)、产品尺寸及重量等几个方面。:项目产品技术参数指标(相变材料重量公斤)表指标整体式分体式COP(标准工况)(标准工况)尺寸(mm)主机外形尺寸(长)×(宽)×(高)(长)×(宽)×(高)水箱尺寸无水箱无水箱重量整机净重KgKg运行重量KgKg出水量(L)(连续)(连续)产水量(Lh)额定功率(w)制热量(w)运行噪音(dB(A))额定出水温度出水温度是一个动态变量出水温度是一个动态变量最高出水温度度度使用环境,度,度电源规格VHzVHz注:热水使用时机组自动启动项目的阶段与进度该项目的实施分为需求、预研、关键技术研发及实验、产品定型及批量生产上市等几个主要阶段。具体阶段及进度安排如下:阶段项目实施内容起止时间需求整理及预研阶段关键技术研发阶段实验室改造阶段段为样机设计、制造及内部测试阶为生产线构建阶段为试产及内部测试阶段为用户测试阶段为产品优化、内部测试及生产规范定型阶段为批量生产阶段需求整理及预研阶段自"纽恩泰"品牌产品(FLF系列、D系列及F系列)开始投放市场后技术支持人员不断收集、整理市场反应及用户需求。其中用户对产品体积、外观及特殊气温情况下的能效比指标等方面的反映最为突出。此后产品在外观设计及提高能效比指标上作了较大的改进不断推出了都市系列、量子系列产品其中量子系列的量子双能、量子至尊、量子之星及量子风度等产品在市场上给了用户眼前一亮的感觉。经公司研发中心及学术界的近两年间的多次探讨确定了产品体积改进这一关键需求。经过充分调研提出了利用复合相变材料进行诸热的解决方案并论证了方案的可行性于年月底立项随即开始了关键技术的攻研。关键技术研发阶段该阶段的目标是解决石蜡类相变材料应用于储热式热泵系统中导热系数过低的问题对于整体式产品设计而言还需要解决系统运行噪声过大的问题。该阶段主要是在材料学和传热学理论指导下通过大量的实验及分析、设计与测试来完成阶段成果是研制的原型机。()复合相变材料配方确定通过配以一定比例的鳞片石墨掺杂将以石蜡为主的复合相变材料的相变温度调整至某一合适点并较大幅度地提高导热系数其中解决石墨微粒的稳定悬浮防止沉降。这一阶段的目标主要通过大量实验及理化分析来实现。实验手段包括平板稳态法测量固态复合材料的导热系数及热线非稳态法测量液态复合材料导热系数等。()换热器及换热方式设计系统换热器设计方案为两级加热方式需使用三个换热器:水取热换热器、氟里昂加热换热器和次级加热器。对储热箱内交错布置的两个换热器管路的工作机理分析主要采用微元分析法通过实验及分析找出合理的三类换热器设计计算方法。导热圆环布置方案主要通过实验方法确定。()减噪设计通过分析系统运行噪声产生的主要原因如压缩机运行噪声、冷媒流动噪声、风机噪声等采取针对性的降噪技术方案并进行实验验证。第一部分是努力降低压缩机排器气压力和温度降低噪音源的噪音强度其次是对噪音进行处理主要手段是采用屏蔽、隔离和吸收最后将各项降噪技术如箱式消音技术、双层减震阀技术等合并使用设计一种综合降噪设计方案。实验室改造阶段该阶段需要对原有实验室进行改造包括增加平板稳态法测量设备、热线非稳态法测量设备、噪声测试设备、石蜡复合材料量热及熔点检测设备、风量测试及焓差法测试设备恒温恒湿、压力测试等设备并对制冷设备、冷量测试设备及风量测试设备进行改造。样机设计、制造及内部测试阶段项目产品化方案计划研制款产品分别为整体立式、整体吊顶式(天花暗藏)、分体壁挂式(KG)及分体壁挂式(KG)各试产台。该阶段的目标是确定各款机型系统部件的参数指标及产品生产参数。基于阶段的成果通过样机制造及全面的疲劳测试等手段反复修改整体式和分体式两种系统的结构与部件设计、保温设计及控制系统设计。生产线构建阶段该阶段首先需要设计制造一体化的相变材料熔化、掺杂、稳定及灌装装置然后通过改造原有生产线设计方案构建一条本项目产品生产线。试产及内部测试阶段该阶段根据样机设计方案及生产参数生产款各台用户测试样机并在不同环境下进行短期制热性能和稳定性测试。用户测试阶段该阶段将用户测试样机安装在不同区域的、气候差异较为显著的个城市进行用户测试整个测试过程派专门的技术人员作测试记录及维护。产品性能优化、外观设计、稳定性测试及生产规范定型阶段该阶段根据用户测试数据进行参数修订、产品优化并完善设计方案通过完善后的方案产品的内部测试确定生产规范。批量生产阶段该阶段开始对定型产品进行批量生产制定完善的制造工艺和质量控制体系并准备上市销售。项目目前处于阶段的末期基于原型机的首款样机如图所示。图:项目中试样机资金筹措及使用项目预计投资万元人民币按项目阶段划分的资金使用计划及完成情况如表所示。表:资金使用计划金额单位:万元人民币总需求已完成新增用途说明需求人工、差旅、调查预研文献研究、研讨、材料厂家调研、初步方案规划关键技术研发实验设备购置、仪器、有机化工材料、特种设备制造、人员工资、技术外协及部分实验外包实验室改造增加平板稳态法测量设备、热线非稳态法测量设备、噪声测试设备、石蜡复合材料检测设备、风量测试及焓差法测试设备恒温恒湿、压力测试等设备并对制冷设备、冷量测试设备及风量测试设备进行改造样机设计、制造及内测外购零部件、自制部件、人员工资生产设备构建一体化熔化、掺杂、稳定装置及灌装设备的研制费用、生产线设备购置费用、防火器材和设施、排风系统试产及内测原材料、器件用户测试物流、安装、人员培训及测试人员差旅费用优化及内测、规范定型人工、材料量产暂不计原材料及器件总计其中公司目前已投入经费万元人民币预计后续阶段需要新增投资,,,万元人民币。根据公司目前流动资金及经营情况拟拿出万元人民币保证项目的实施并申请政府资助,,,万元人民币用于生产设备构建以加快项目产品化进程争取产品按计划上市。经济及社会效益分析。市场前景热泵技术是一项在年就已提出古老的科技其发展一直与以石油为代表的能源产业密切相关比如其发展速度较快的阶段一个是二战后能源短缺的年代一个是爆发了以石油价格暴涨为特征的能源危机的上世纪七十年代。可以说热泵技术的市场生命取决于能源价格。随着世界人民平均生活水平的提高廉价能源时代一去不复返热泵技术在市场上必将焕发勃勃生机。目前空气源热泵热水器产品在美、欧、日等发达国家甚至在非洲都已经有了相当的普及但在我国国内真正的发展才几年的时间。然而由于产品具有的节能、安全等独特优势发展迅猛产品市场已步入快速成长期。从年零星的市场到年个亿的销量只用了年的时间近年来每年的年增长率均超过见图所示。据《年热泵热水器市场调研报告》的预测显示年国内空气源热泵热水器产品的市场规模将达亿人民币。这些数据无不显示出空气能热水器市场的巨大潜力~图:国内空气源热泵热水器产品市场规模从目前的大环境来说能源紧张状况日益加剧油价飞涨过高的矿物能源消费还将导致温室气体的过度排放导致全球气候变暖气象灾难频发。目前国际上对低碳减排的呼声越来越高国内对节能减排的要求越来越严格。节能环保、安全的热泵热水器产品市场会越来越大。从品牌来说"纽恩泰"品牌目前已稳居行业前名除去携重资强行杀入该行业的美的和格力等多元化大企业外纽恩泰已成为行业内事实上的标杆企业。从项目本身来说较好地解决了制约传统热泵产品在市场应用中的体积过大这一关键问题并且更加节能产品寿命更长因此项目产品将会具有广阔的市场前景。如果项目成功实施配合以成功的市场策略相信很快会在家用机市场领域占领一席之地。可以预计产品投放市场后经过一段时间的优化完善市场占有率分配平衡后项目产品年销售额将会达到数亿的规模。产品单位售价与盈利预测由于项目产品技术较传统空气源热泵热水器技术有较大变革预计产品投放市场后将会有一段时间的成熟期。按照保守估计原则量产后年内的盈利预测情况如表X所示。:项目盈利预测表表金额单位:万元人民币项目第年第年第年第年第年收入预测产品销售成本销售量(台)销售单价销售额成本预测采购成本增值税金()增值税抵扣()期间费用预测营销营业费用管理费用财务费用小计利润预测利润总额上缴企业所得税()(((税后净利润(((净利润率((((说明:采购成本元(含生产成本)销售价格元(毛利)计增值税按计算企业所得税按计算。根据以往新产品上市头年销量预测月销量台个月的旺季销量翻番共计台。新产品上市后头年由于新品上市营销活动的需要营销营业费用及管理费用(含研发费用)支出较多分别定为万和万元。社会效益分析随着人民生活水平的提高民用建筑生活热水的需求量持续快速增长由此导致热水耗能的相应持续快速增长。本项目的实施立足于节能安全的家用热泵热水器产品的研发具有明显的社会效益。下面仅就国内情况作简单分析。根据我国的建筑能耗、城市民用建筑洗澡热水能耗的比例自来水初始温度按计算常规热水器效率按计算我国每年仅城镇居民洗澡热水能耗折算成电力消耗为(~)×千瓦时(度)。按照家用热泵热水器平均工况下的制热效率(~)年平均节能效率可以达到~其耗电量是同等容量电热水器的。按此计算如果全部使用热泵热水器则可节省电力消耗达千亿度的量级。但由于前述所及的原因传统热泵热水器在市场推广中遇到较大阻力。本项目产品的研发可有效解决这一问题因此如果项目产品在市场推广中能取代传统的电热器或煤气热水器的市场占有率则一年可节省电力消耗达十亿度的量级。同时项目产品能有效地起到错峰用电减轻电网供电压力的作用并由于项目产品的固有安全性原因在保护人民生命财产安全、减少安全事故发生方面起到积极的作用。另一方面以度电约产生千克的二氧化碳排放量计量按取代传统的电热器或煤气热水器的市场占有率计算则一年可减少百万吨量级的的二氧化碳排放量。根据中的产值预测人均产值按万元、利税比率按计算项目产品可增加就业人数人新增利税多万元。在环境影响方面项目产品生产线将严格按照工业行业的标准建造建设生产过程主要包括金属材料的机械加工、石蜡复合材料的填装及部件装配等工序不会产生废水废气因此项目产品的生产不会造成任何环境污染。综上所述项目的成功实施在节约民用生活热水的能源消耗、减少因此产生的环境污染、提高人民生活水平等方面将会产生明显的社会效益能较好地实现经济效益与社会效益的统一。风险分析技术风险本项目主要涉及储热材料及掺杂工艺的确定、冷凝换热器的设计及系统降噪等关键技术的研究与开发。前期大量的研究实验结果表明:使用石蜡作为主诸热材料通过一定的掺杂工艺提高储热材料的导加上合理的储热及取热换器设计、储热箱边角位置布置某种金属热系数导热圆环以提高传热性能基本能满足家用热水需求并将整个装置的体积减小近三分之二。通过箱式消音技术、双层减震阀技术的压缩机综合降噪方案能将系统运行噪音降低到dB(A)以下作为整体型产品方案优于相关国家标准。系统其他部件如压缩机、毛细管、蒸发器与常规系统的换热特性及工作原理相似目前已有广泛的研究、计算及设计方案在我司现售产品应用中已经过了多年的用户测试技术及制造工艺已相当成熟。项目样机的成功研制已基本消除了开发阶段的技术风险。然而由于目前尚无使用储热方案的热泵热水器产品并且项目现在仍未达到大规模量产阶段项目技术还需进一步完善和修改因此项目实施上还存在一定的技术风险。为规避技术风险我们制定了如下措施:通过产学研合作项目将产品研制测试中发现的问题及时详尽地反馈给高校从理论上寻找解决方案制定详细周密的中试计划并加强中试组的力量将工艺制造人员更大程度地参与中试任务以加快产品稳定性进程。因此从技术上说以项目现有的研发成果及相应的技术力量配备风险基本可以规避。管理风险经过公司前续内部项目的实施目前已经建立并逐步完善了一些与科研管理相关的机制。"科学规范"的科研机制:"科研项目实施规范"的实施逐步规范了科研开展流程、文档管理、研发经费管理、知识产权保护等方面机制。"人才为本"的科研理念:通过"绩效考核办法"、"岗位绩效浮动工资制度"等机制为研发人员事业的发展、才华的施展提供了良好的环境和平台在奖金分配、职务升迁、学习深造等方面都向企业技术、业务骨干倾斜使员工利益同公司利益密切结合在一起去年月借公司重组之机适时推出了针对科研管理层的期权股份计划为科研骨干营造拴心留人的环境。然而本项目部分内容是与高校合作的产学研结合项目随着项目的实施企业以市场为导向、高校以学术为中心的理念冲突逐渐呈现。这种衔接不畅的情况虽然不能导致项目失败但其最直接的后果是可能导致项目延期。针对这一情况公司特地安排了一名既熟悉公司研发流程又熟悉高校科研流程的博士专门负责双方的沟通合作与进度控制。上述科研管理机制的实施及完善基本可以保证项目任务的顺利实施。市场风险产品市场风险主要取决于三个因素:()是否因为政策和立法方面的原因导致市场的消失()产品性能和价格是否能被市场接受()潜在竞争对手的异军突起。政策方面新能源在可以预见的很长一段时间都会是国家重点发展的行业领域随着传统家用热水器的更新换代节能、安全的空气源热泵热水器市场只会越来越大而绝不会消失。竞争对手方面我司从成立之初就确立了以科研、生产和销售铁三角作为企业发展的基础走专业化道路注重通过自主创新引进技术消化吸收和产学研结合研发具有最新高效节能环保概念的清洁能源产品。目前虽然综合实力无法与利用雄厚资金及现成渠道杀入这个行业的多元化企业相比但通过这种专注加铁三角的方式我们有自己独特的先发优势产品技术始终处于行业前列不断推出的新技术产品设置了一定的竞争门槛使得竞争对手难以超越。性价比方面我司生产的在售产品与市场上现有的产品相比有较大的比较优势与市场现有的相同系列相比无论在产品设计、产品质量、产品优化及售后服务等几方面的市场评价都是较高的。每款新产品从需求定位、立项、研发至上市基本都能很快找准市场位置其实质就是性价比优势。然而由于项目产品较大程度地颠覆了传统热泵热水器产品在公众中刚建立起来的认知形象:一个庞大的室内水箱加一个类似空调的室外机产品面市将会面临一定的市场风险。这种风险体现在由于客户对其功能、功效缺乏了解和认识在使用前往往会持观望态度将信将疑导致产品从推出到诱导出市场需求存在着一段时滞。对我们这种科技型民营小企业而言这种时滞如果把握不好将影响企业资金的正常周转甚至导致企业经营难以维持。有的甚至做出错误的判断直接影响了市场对新技术新产品的接受和市场容量。为了防止这种风险给企业带来的影响公司在加快项目技术转化速度的同时正在采取以下风险的规避措施:提前做好营销方案目前已与专业营销策划公司(上海极品策划公司)达成项目产品营销协议由其专业负责项目产品的营销策划。加强传统渠道建设公司目前正陆续对已有的代理商进行宣传培训督促其作好新产品上市准备。加大卖场渠道的开发力度加强宣传力度以及受众覆盖程度制订新产品售后技术支持规程加大售后技术支持人员阵营并做好培训以应对新产品上市后的技术支持密集期。相信通过上述主要措施能将新产品的市场风险减到最小项目产品迅速产生利润。

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