熱泵熱水器的研究與應用

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摘要：采用熱泵為建筑物提供衛(wèi)生熱水可以大大減少CO₂排放量，在現(xiàn)有技術中是最經(jīng)濟有效的技術之一。在熱泵熱水供應系統(tǒng)中空氣源熱泵較適合作為熱水器的熱源且性能系數(shù)較高。借鑒國外先進經(jīng)驗，結合中國的具體情況，研究開發(fā)熱泵熱水器的關鍵技術，設計、建設及跟蹤測試熱泵熱水器示范產(chǎn)品，總結制定熱泵熱水器應用手冊和生產(chǎn)技術規(guī)程，培訓安裝技術隊伍，提高公眾對熱泵熱水器的認知度，為熱泵熱水器技術在中國的推廣應用奠定基礎。

關鍵詞：熱泵   熱水器   節(jié)能   環(huán)保

1研究背景 

1.1我國能源現(xiàn)狀

我國能源的消費中礦物能源，特別是煤炭占一次性能源消費中的72.8％（詳見表1）。這一主體作用，在本世紀中仍將繼續(xù)，這是煤在中國能源結構中的優(yōu)勢（儲量大、易開采、價格低廉等）所決定的。

   中國與世界能源消費格局比較(%)            表1

消費格局

煤

石油

天然氣

水電

核電

中國

72.8

18.3

2.0

5.9

1.0

世界

27

38.0

23.0

6.0

6.0

我國能源使用排放的二氧化碳約占各種溫室氣體總排放量的80％，隨著能源消費量的增加而增加。中國擁有比較豐富而多樣的能源資源，但人均資源量并不多。按美國《油氣雜志》計算2002年中國石油人均儲量為2.9噸，僅為世界平均值的11.6％。另一方面，中國的能源利用效率很低（見表2），從單位產(chǎn)值能耗看，1999年經(jīng)濟合作與發(fā)展組織中的國家每萬美元能源消費量為2.97噸油當量，其中日本為最低是1.61噸油當量，而中國則高達14.29噸油當量，是世界平均水平的3倍。進入21世紀知識經(jīng)濟時代，強化高新技術在能源開發(fā)中的應用，全面提升能源行業(yè)與系統(tǒng)的科技含量，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑。

   中國與發(fā)達國家能量設備效率比較（％）        表2

能量設備名稱 

火電 

工業(yè)鍋爐 

泵 

風機 

中國 

28.5

55～65

65～80

65～70

發(fā)達國家 

36～38

80～85

78～90

80～90

中國城鄉(xiāng)建筑發(fā)展迅速，人們生活水平迅速提高，家用衛(wèi)生熱水的需求量也越來越大，在20世紀80年代中期開始，各種家用熱水器應運而生，其中有電熱水器、煤氣熱水器、太陽能熱水器等，各種熱水器在家庭中的使用正日益普遍，能源浪費嚴重。

1.2 熱泵與環(huán)境 

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的衛(wèi)生熱水、空調已成為普遍的需求。在發(fā)達國家中，衛(wèi)生熱水、供熱和空調的能耗可占到社會總能耗的25-30%。我國的能源結構主要依靠礦物燃料，特別是煤炭。礦物燃料燃燒產(chǎn)生的大量污染物，這些溫室效應氣體的排放已日益成為各國政府和公眾關注的焦點。

采用熱泵作為建筑衛(wèi)生熱水可以大大降低一次能源的消耗。通常我們通過直接燃燒礦物燃料（煤、石油、天然氣）產(chǎn)生的熱量并通過若干個傳熱環(huán)節(jié)最終轉化為建筑衛(wèi)生熱水，一次能源利用率最高可為100%。但是，燃燒礦物燃料通?？僧a(chǎn)生1500-1800°C的高溫，是高品位的熱能，而衛(wèi)生熱水最終需要的是40-55°C的低品位的熱能；直接燃燒礦物燃料作為衛(wèi)生熱水意味著大量可用能的損失。在現(xiàn)有技術條件下利用燃料發(fā)電再用熱泵供衛(wèi)生熱水，一次能源利用率可以達到200%以上。因此，采用熱泵技術為建筑物提供衛(wèi)生熱水可大大降低衛(wèi)生熱水的燃料消耗，也就是大大降低了燃燒礦物燃料而引起的CO₂的排放?，F(xiàn)在全世界約有1.5億臺熱泵在運行，總負荷容量約為每年4.7´10¹⁵ kJ，每年減少CO₂排放量約為1.3億噸。隨著熱泵技術的進一步改進和發(fā)電效率的進一步提高，采用熱泵技術使全世界CO₂排放量減少16%是有可能的。因此，它是節(jié)能和減少CO₂排放的關鍵技術之一。

熱泵的作用通常是提高環(huán)境（大氣、地表水和大地）中的熱量或廢熱的溫度并利用這些熱量。應該指出，由熱泵得到的這部分熱水（熱泵提升能量 - 驅動能）屬于可再生的能源。

1.3 在我國推廣熱泵熱水器供應熱水的主要障礙

（1）       在溫室氣體減排方面，國家和地方?jīng)]有制定相適應的配套的技術政策和有效的監(jiān)督執(zhí)行機制，沒有實現(xiàn)有效的引導。

（2）       環(huán)保意識差，對溫室氣體的減排缺乏足夠重視。

（3）       缺乏建筑中適用的清潔可再生能源應用技術。

（4）       熱泵理論研究，尤其是應用技術的研究還不成熟。

（5）       由于熱泵熱水器應用很少，公眾對其可靠性還存有懷疑。

（6）       熱泵熱水器還未形成產(chǎn)業(yè)，導致該系統(tǒng)初投資較高，應用受限。

（7）       缺乏相應的國家標準和規(guī)范以及合格的施工人員。

（8）       最重要的是政府、工程界和公眾對該技術節(jié)能效果，尤其是環(huán)境保護效益缺乏了解與認識。

2、  研究內(nèi)容與特點 

2.1 研究特點

2.1.1、創(chuàng)新性

熱泵早在20世紀50年代在一些北歐國家的供熱中得到實際應用。由于石油危機的影響，熱泵在20世紀70年代得到較大的發(fā)展，自20世紀80年代以來，在北美也形成了利用熱泵對建筑進行冷熱聯(lián)供的研究和工程實踐的新一輪高潮，技術逐漸趨于成熟。多年來中國在熱泵研究方面一直處于理論探討階段，對熱泵熱水器的應用技術更是缺乏系統(tǒng)的研究和實踐。

熱泵的發(fā)展一方面與能源的結構與供應、政府的導向以及國民經(jīng)濟總體發(fā)展有關，另一方面也與熱泵熱水器本身技術進展有關。目前，熱泵熱水器作為商品在美國等發(fā)達國家已處于成熟期，而在中國才剛剛起步。其中一個重要原因就是中國對熱泵熱水器的應用研究還不完善，尤其是對實際工程設計、安裝及運行的研究與總結幾乎是空白。這在很大程度上制約了熱泵熱水器的應用。熱泵熱水器研究的重點就是要填補這一空白。熱泵熱水器應用技術指南和示范工程的設計、建造及運行測試報告，將為熱泵熱水器在我國衛(wèi)生熱水供應系統(tǒng)的應用發(fā)揮重要的示范與指導作用。

2.1.2、市場性

（1）不斷提高熱泵熱水器市場綜合競爭力是其推廣應用的根本途徑

在衛(wèi)生熱水供應中應用熱泵技術的主要制約因素曾經(jīng)是電力供應不足和人民群眾消費水平較低，對熱泵熱水器的市場需求尚未形成。隨著改革開放，我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，以上兩個制約因素已不復存在，衛(wèi)生熱水已成為普通百姓的需求，并逐漸向中國農(nóng)村擴展，衛(wèi)生熱水產(chǎn)品市場很大，并具有廣闊的發(fā)展空間。傳統(tǒng)衛(wèi)生熱水供應方式市場占有量很大，公眾中的認知度很高。盡管熱泵熱水器具有技術上的優(yōu)勢和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，但同時它也有初投資較高、實際工程應用較少的不足。因此，只有深入研究、開發(fā)與完善熱泵熱水器并使之產(chǎn)業(yè)化，降低成本，提高設計、施工質量，確保運行效果，增強其自身的市場競爭力，才能占居建筑空調市場一席之地，不斷擴大市場份額，使其成為衛(wèi)生熱水器的最佳選擇方案之一。所以提升熱泵熱水器的市場競爭力，是推廣應用該項技術的根本途徑。 

（2）政府支持在熱泵熱水器推廣應用中將發(fā)揮不可替代的作用

在熱泵熱水器技術開拓市場階段，政府的扶持、支持也是重要因素之一。在熱泵熱水器得到廣泛應用的國家中，政府通常都在推廣熱泵熱水器方面起到了積極的作用。政府可以對購置或安裝熱泵熱水器系統(tǒng)給予補貼，或資助熱泵熱水器的研發(fā)，以及采取減稅等措施來促進熱泵熱水器技術的推廣。政府還可以通過立法以及制定和頒布技術規(guī)范，促進和幫助熱泵熱水器技術的普及和推廣。政府的這些措施應是全國節(jié)能和環(huán)保政策的一部分，其目標是要增加可再生能源在整個能源結構中的比例，促進可持續(xù)發(fā)展，減少溫室氣體的排放。

（3）公眾及消費者的了解與認知是推廣熱泵熱水器應用的重要力量

電力公司也應是推廣熱泵應用的重要力量。設計人員和最終消費者的態(tài)度也很重要。例如，調查表明瑞士、瑞典和挪威的消費者通常比較愿意為高質量的有益于環(huán)保的系統(tǒng)付較高的費用。因此有必要通過示范工程、技術培訓和教育來規(guī)范和普及這種技術；并通過各種媒體的介紹和宣傳，提高公眾對熱泵熱水器這種節(jié)能和環(huán)保的衛(wèi)生熱水供應方式的認知度。

2.1.3、可持續(xù)發(fā)展性

該研究已取得階段性成果，如已具有熱泵熱水器產(chǎn)品，并已投入運行，并將總結出熱泵熱水器技術應用指南。這僅僅是熱泵熱水器技術推廣應用的基礎和開始。在此基礎上，還有一系列的后續(xù)工作能夠而且需要展開。 

2.2 研究內(nèi)容 

針對熱泵熱水器在中國的應用處于起步階段的現(xiàn)狀，研究中借鑒國外先進經(jīng)驗，結合中國的具體情況，主要攻克熱泵熱水器應用的關鍵技術，設計、建設及跟蹤測試熱泵熱水器示范工程，總結制定熱泵熱水器技術應用指南，為熱泵熱水器技術在中國的推廣應用奠定基礎。

2.2.1、熱泵熱水器衛(wèi)生熱水供應技術的基礎研究。主要內(nèi)容有：熱泵熱水換熱器的設計計算方法及其優(yōu)化，熱泵熱水器熱水供應系統(tǒng)的仿真及其優(yōu)化。

2.2.2、熱泵熱水器熱水供應系統(tǒng)的技術開發(fā)。如：熱泵熱水換熱器的設置技術，配套防凍液的研究和選??；適合熱泵系統(tǒng)的熱水供應系統(tǒng)的開發(fā)；熱泵熱水器示范工程的設計、建設、測試與總結。

2.2.3、熱泵熱水器熱水供應系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化。如：適用的熱泵系列的開發(fā)和批量生產(chǎn)；塑料管材及其配件的開發(fā)和生產(chǎn)；市場的培育和開發(fā)，包括設計、施工技術人員的培訓，市場宣傳等。

3、研究現(xiàn)狀與展望 

本研究在分析、消化、吸收及引進國際熱泵熱水器技術的基礎上，建立和開發(fā)了熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化設計理論、方法及相應軟件，建立熱泵熱水器熱水供應系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)；陸續(xù)承接設計、安裝熱泵熱水器示范工程，并進行運行測試，技術經(jīng)濟分析；不斷宣傳、培育和開發(fā)熱泵熱水器應用市場。 

4、研究應用優(yōu)勢與預期效益 

4.1 研究優(yōu)勢 

4.1.1、山東省是經(jīng)濟大省，也是建筑能耗大省，具有應用熱泵熱水器技術的廣闊市場與條件。 

山東省地處冬寒夏熱地區(qū)，冬夏天都需要衛(wèi)生熱水。建筑衛(wèi)生熱水、供熱和空調的能耗占到社會總能耗的25%左右，在國內(nèi)屬建筑能耗大省。據(jù)不完全統(tǒng)計山東省2003年新建建筑面積19億平方米，且逐年有所增加。以此為依據(jù)，今后在新建建筑中有20％的建筑采用衛(wèi)生熱水供應系統(tǒng)，在城市中近90％的家庭裝設各種熱水器。

4.1.2、山東省在熱泵熱水器研究與應用方面起步早，產(chǎn)業(yè)化程度較高

近年來山東省開發(fā)了“熱泵熱水器”衛(wèi)生熱水供應產(chǎn)品，在熱量的來源上它可歸屬于熱泵；從熱泵的技術特點上它應屬于空氣源熱泵。山東省某些企業(yè)已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)了“熱泵熱水器”機組。推廣這種技術有明顯的節(jié)能和保護大氣環(huán)境的效益，對宣傳和推動熱泵技術在衛(wèi)生熱水中的應用也起到了積極的作用。多年來山東省在熱泵熱水器技術應用研究方面也一直進行理論探討和實際應用的研究。

4.2 預期效益

在衛(wèi)生熱水供應工程中應用熱泵技術環(huán)境效益顯著，在許多發(fā)達國家得到政府的提倡和支持。作為一種有效的節(jié)能綠色產(chǎn)品，熱泵熱水器將在我國建筑熱水供應系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。因此，上述研究成果有著廣闊的應用前景。它們的應用將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益和社會效益。

4.2.1       環(huán)境效益顯著 

開發(fā)推廣熱泵熱水器熱水供應技術可徹底革除中小型燃燃氣熱水器以及小型燃煤鍋爐，該裝置的運行沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，減輕了城鎮(zhèn)的大氣污染。同時避免了電熱水器所造成的能源浪費嚴重。更為主要的是將為溫室氣體CO₂的減排做出重大貢獻，具有極大的環(huán)境效益。

4.2.2  節(jié)能、運行費用低

熱泵熱水器比傳統(tǒng)熱水供應系統(tǒng)運行效率要高約25-30％。在華東、華南小型賓館傳統(tǒng)熱水供應系統(tǒng)的運行耗電量約為2.33KW.h/人，而熱泵熱水器熱水供應系統(tǒng)約為0.74kW.h/人。按保守的估計一年節(jié)約電能約為 500 kW. h。每1kW.h 按0.5元計，一年每個客房節(jié)省250元。因此由于熱泵熱水器系統(tǒng)的運行費用低，所增加的初投資可在5-7年內(nèi)收回。

4.2.3        利用可再生能源，可持續(xù)發(fā)展

熱泵熱水器是利用了空氣內(nèi)熱能或地熱資源作為冷熱源，進行能量交換的熱水供應系統(tǒng)。空氣和地表淺層地熱資源量大面廣，無處不在，它是一種清潔的可再生能源。因此，熱泵熱水器，是一種可持續(xù)發(fā)展的“綠色裝置”。

參考文獻 

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2. Yu M Z, Diao N R, Su D C and Fang Z H, A pilot project of the closed-loop ground-source heat pump system in China, Proceeding of 7^th IEA Conference on Heat Pumping Technologies, 356-364, Beijing, 2002.

王強  男，高級工程師 大學  1966年9月生 山東菏澤人  濟南德榮科技有限公司 濟南市經(jīng)十一路58號  郵編 250002  電話 13906416355