空气源热泵与其他能源效益分析(1)

一、热泵热水技术的适用性论证
1．热泵热水系统工作原理
图1 热泵热水系统工作原理图
消耗一部分机械功（例如电能）作为驱动，实现热能从低温环境向高温环境的转移，这种设备称为“热泵”。

采用热泵技术可消耗少部分电能制取高温位的热水，如图1所示，热泵热水系统主要由蒸发器（吸收环境空气中热量的换热器，对应图中“空气热交换器”）、压缩机、冷凝器（制取热水的换热器，对应图中“水热交换器”）、贮热水箱、膨胀阀及相关的附件和连接管路组成。

热泵以工作介质作为媒介（也常称为“冷媒”），由冷媒在蒸发器和冷凝器中的相变伴随着吸热和放热的过程实现能量转移，具体过程为：经膨胀阀节流降压后的液态冷媒首先流入蒸发器中吸收周围空气中的热量而蒸发，生成的冷媒蒸汽被压缩机吸入、压缩成高温高压的冷媒蒸汽，然后流入贮热水箱内的冷凝器中进行冷凝，释放出的冷凝热用于制取热水，冷凝后的液体冷媒经储液罐、过滤器和膨胀阀又流回蒸发器中重新吸热、蒸发。

同样的热力过程周而复始，直到贮热水箱中的热水达到设定温度。

空气源热泵热水系统通过消耗少量的高品位电能，可以把热值数倍于所耗电能的室外环境中的低温位热能输送至高温位的贮热水箱内，能量的收益大于消耗（即，热泵的能效比COP大于1），因而有效地节省了热水所需的一次能源。

按蒸发器吸收热源介质的性质分，热泵可以归纳为空气源、水源、地源和太阳能四种。

由于空气源热泵不受水源和建筑地理条件的限制，是目前发展得最多
和最成熟的一种热泵。

由于热源来自免费的“空气能”，除了在中国的东北和华北局部等冬季低温地区难以应用之外，在环境温度大于5℃的地区，不论是白天黑夜，还是刮风下雨，空气源热泵一年四季都可以安全高效使用。

空气源热泵热水系统对安装要求不高，其室外机组与常规的空调室外机安装要求并无二致，具有灵活多样的系统形式、合理的技术经济性能和良好的实用化前景。

2．空气源热泵热水技术国内外发展趋势
随着国民经济的飞速发展和城市化进程的加快，能源的消耗也在逐年提高，建筑能耗约占我国总能耗的30%，而生活热水能耗在建筑能耗中的比例也在逐年增加，据有关文献报道，热水在整个建筑热负荷中的比例从已有建筑的10~15%上升到新建建筑的20%和低能耗建筑的45%。

调查表明，各类商业建筑能耗中，生活热水能耗比例为：写字楼2.7%，商场10.7%，饭店31%，医院41.8%。

2007年，某地区赶超拉斯维加斯的博彩收入，由原来的“东方蒙蒂卡罗”晋升为“东方的拉斯维加斯”，在这个充满欧陆风情、文化多元、夜色璀璨的东方赌城，无论酒店、商铺等商用建筑，还是公共建筑和住宅区，热水器的普及率都是极高的。

为了满足如此庞大并持续增长的热水需求，如果仍采用常规热水装置就会面临不同程度的能耗问题，热水节能日益受到某地区地区政府和民众的重视。

从能源消耗的角度来看，常规电热水器、燃气热水器从根本上不能摆脱能源“高端低用”、能效不高的问题。

根据我国热水器类国家标准，快热式电热水器热效率不能低于80%，储水式电热水器不能低于85%，燃气热水器不小于80%，随着传热、保温材料和工艺的改进，大多产品的热效率都能达到这个要求，但是，目前尚无热效率达到95%的产品，从原理上讲，也不可能达到100%的热效率极限。

而利用可再生的空气能制取热水的空气源热泵热水器能效比可以大于1，节能效果明显优于电热水器、燃气热水器等常规热水器。

2008年10月1日，中国政府颁发了新的建筑能耗标准《民用建筑节能条例》，鼓励和扶持在新建建筑和既有建筑节能改造中采用可再生能源，提高家庭用热的节能水平。

此外，许多国家把推广应用热泵技术作为减少CO2排放的一种手段。

国际能源署（IEA）早在1978年就成立了非赢利性的国际能源署热泵项目（HPP）工作组，该工作组一直以来始终在从事相关工作。

来自不同国家的参于者在有关热
泵及诸如空气调节、制冷、工作流体（制冷剂）等相关技术的各个项目中合作。

在代表各参与国的执委会的管理下，热泵项目实施的战略是加速热泵在各相关领域的应用，从而降低能耗使环境得以改善。

目前参与热泵项目的国家有：奥地利, 加拿大, 芬兰, 法国, 德国, 意大利, 日本, 荷兰, 挪威, 韩国, 瑞典, 瑞士和美国。

国际能源署热泵中心（HPC）是国际能源署热泵计划的信息中枢。

热泵中心的职能是加速热泵技术的应用，从而优化能源的利用并改善环境。

实现这一目标的途径就是提供一个全世界范围的信息服务来支持所有对热泵技术的应用有利的事物（不论是国际水平的还是国内水平的）。

热泵中心服务的对象包括政策制定者、代理商、制造商、研究人员、公用事业公司、设计人员、终端用户、安装公司、及其它相关组织。

近年来，随着低碳经济的风行和中国可再生能源技术应用市场的“井喷式”增长，HPC在中国的活跃程度也显著加强。

3．空气源热泵技术的适用性
世界上所有的能源都来自核能，核能分为两部分，一部分是太阳的核聚变能量，另一部分是地球中的核能。

太阳的核能以辐射的形式传到地球，太阳在向地球辐射时，其中有一部分大约20%~30%留存在空气中，这样就形成了空气中的能源，因此空气中的能量相当巨大，空气中每日吸收储存的能量是地球上日消耗能源的10000倍，因此开发空气中的能源具有非常重要的意义。

从节能和环保的观点来看，空气源热泵技术有着突出的优点。

首先，它可以大量利用空气中的能源，从而节省了一次能源；其次，它能效比可以大于1，提高了能源的利用效率；再者，它调控比较方便，水电完全分离，无触电危险，无废烟废气排出，安全而又环保；最后，它可以充分利用低谷电力、移峰填谷。

从热水能源供应的来源来分，我国目前商业建筑热水供应主要是燃油、燃煤、燃气、电锅炉等形式，城镇民用建筑热水供应主要是采取电热水器、燃气热水器形式，太阳能热水器城镇用户在近年来有一定程度的增加，但是，由于受太阳能辐射强度和建筑安装条件的限制，当前太阳能热水器的适用范围仍然受限。

随着世界各国能源政策的调整以及热泵生产工艺的不断完善，空气源热泵热水器的大规模应用已经具备了雄厚的基础。

上海地区的气温变化比较平缓，年平均气温19℃，冷水平均水温15.8℃。

其中1月最冷。

在某地区地区使用空气源热泵热水系统，基本不存在室外机结霜、冬季低效运行甚至难以启动的问题，一年四季平缓变化的气温更是确保了空气源热泵热水系统运行工况稳定，调控要求不高。

因此，采用节能环保的空气源热泵热水系统为本项目提供洗浴用水，极具适用性。

二、系统节能效果预评估
1、运行成本对比
沃尔沃汽车（中国）研发中心热水负荷按每天将20吨冷水由15℃加热到60℃计算（最不利工况），则日耗热量为kJ （折合1050kWh ）。

表1中列出热泵与燃油锅炉、燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉、太阳能辅助电加热、太阳能等其它常规热水设备的运行费用比较。

表1中，吨水能耗的计算方法如下：
η//)(,,h t t C M L i w f w Pw w w -=
式中：
w L
——
加热1吨热水需要的能耗（电kWh ，油kg ，气m 3）； w M —— 1吨热水（1000kg ）；
Pw C ——
水的比热（1 kcal/（kg ⋅K ），或者4.1868 kJ/（kg ⋅K ））； f w t , —— 贮水箱内水加热温度（10℃）； i w t ,
——
贮水箱内水初始温度（55℃）；
h
—— 能源热值（电kcal/kWh ，油kcal/kg ，气kcal/m 3）； η ——
设备能效比。

表1 热泵加热与常规加热方式运行成本对比表
在上海地区，空气源热泵热水系统环境温度与COP的关系曲线如图4。

图4 空气源热泵热水系统的COP与制热量关系曲线
由图4数据可推算出，空气源热泵热水系统在某地区地区年均COP约为6.0。

2．技术经济性分析
由表1中的有关推算数据可知，沃尔沃汽车（中国）研发中心的采用热泵辅助加热每吨热水费用为8.72元，20吨热水系统年运行费用约62790.70元；采用锅炉加热即使是运行费用最少的燃油锅炉（柴油大幅降价33.5%）每吨热水费用也为35.29元，20吨热水系统年运行费用约254117.65元；安全环保性能相对好些的燃气锅炉每吨热水费用为71.59元，20吨热水系统年运行费用约515454.55元。

太阳能电辅助加热与电锅炉运行成本基本一致，每吨热水费用为58.14 元，20吨热水系统年运行费用约418604.65元。

虽然与其它加热系统相比，初始投资略微高些，但热泵热水机组运行成本低，用户在较短的运行时间内即可完全收回
增投资。

比如与太阳能电辅助加热相比，热泵热水机组的年运行费用低355813.95万元（418604.65元- 62790.70元），保守估计，假定热泵比电锅炉的增投资为35万元（本处“增投资”是指制热功率132kW的热泵超出同样加热功率的电锅炉的价格），不到一年即可收回热泵相对于燃气锅炉的增投资。

就上海地区的气候条件而言，热泵热水机组基本不受天气情况限制，一年四季可以全天候使用，设备性能稳定，使用寿命不少于15年。

而且，采用热泵容易实现自动化运行和无人值守，不需要支付工人工资，节省维护保养开支，安全性和环保性都好。

相比燃气锅炉、电辅助加热而言，热泵无论是系统本身的使用寿命、安全性、可靠性，还是运行过程的经济性，优势都是显著的。