优化设计是以数学规划理论为基础，以数字计算机为辅助工具的一种设计方法。优化设计大体上有两种方法:
(1) 直接法:不用计算目标函数的导数值，而是通过直接计算函数值，并以之作为迭代、收敛根据，终求出有值的方法。有模式搜索法、转轴法、单纯形法、Powell 直接法等 ，这类算法比较简单、编程容易;但其主要问题是:收敛的速度比较慢，特别是当自变量个数较多或目标函数形态较好时，其效率比较低。
(2) 求导法:以多变量函数极值理论为根据，利用函数性态并以之作为迭代、收敛根据的方法。包括速下降法、Newton 法、共轭梯度法、DFP 法等。这类方法的收敛速度至少是线性收敛，工作效率较好，极值的计算精度也比较高。其中DFP 法由Davidon 首创，后经Fletcher Powell 修订而成，在求解多元函数无约束化问题时，收敛快、计算稳定性高，是目前被普遍采用的有效的优化算法之
静态浸泡式，为了提高热泵的热效率，在早期产品的基础上对原有的结构进行了改进，制冷机组价格，换热铜管直接放置在水箱内与冷水接触。由于减去了内胆中间层的热量传导损 失，静态浸泡式热泵热效率大大提高，螺杆式制冷机组，加热时间缩短，加热水温更快更高。换热铜管内置后虽然解决了热效率这一矛盾，但是也产生了另外一个问题，换热铜 管长期浸泡在水中带来的铜管外壁结垢问题。因为水箱内的水流动是依赖自来水自身压力，制冷机组，热水龙头关闭时水箱水并不流动，所以第二代热泵又被称为静态式。
动态套管式，在对水箱外壁盘管式热泵进行技术改进的时候并不仅仅演化出了静态浸泡式，还形成了另一个分支——动态套管式。动态套管式保留了换热铜管仍然置 于水箱外的设计思想，螺杆制冷机组，为了提高换热效率，动态套管式将热量交换的过程放在了一根粗的不锈钢管状容器内进行。不锈钢管状容器内盘曲了10根以上壁厚 1.0mm的细铜管。铜管内是流动的冷媒，不锈钢管和铜管之间走冷水，连接至水箱。动态套管结构同样达到了减少热量传导环节，提高热效率的目的，由于不锈 钢管内水流采用屏蔽水泵循环，一定程度上减少了结垢。但是限于不锈钢管容积过小，水流不畅，流量有限，实际并没有完全解决结垢的问题，而且，容积过小同样 影响了热效率的充分发挥，同时，还存在细铜管壁薄容易破损导致冷媒泄漏的问题。因此，第三代动态套管式热效率与第二代静态浸泡式相比各有千秋，但也都存在 一定缺陷。
空气能热水器结构变化促使热泵技术进步，影响热泵技术发展的问题是产品的结构问题。根据热泵技术的演变历史过程和产品内部结构的差异，大致可以把热泵产品的发展分成四种不同的类型。
水箱外壁盘管式，早期的热泵热水器采 用了水箱外壁盘管式的结构。该结构的主要特点是，换热铜管处于水箱内胆与外壳之间的发泡层，换热铜管的热交换通过先传导给水箱内胆再由内胆传递给水箱内的 冷水。由于多了水箱内胆这一层热量传导的介质，该结构的缺点不言而喻，效率低下、加热时间长、热量损耗多、加热水温低。外壁盘管式热泵热水器因为热效率并 不能赶上传统储水式热水器，而结构复杂、成本更高，很快市场上就出现了改进型的产品。
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