热泵技术

摘要：生活热水供应是人民生活质量提高的必然。文章分析当前各种热水设备的热效率都是小于1的数，而惟有用热泵技术和热回收来解决对广大人民的热水供应，才是符合实施“循环经济”，达到社会可持续发展的要求。热泵热水机组是当前最为节能、环保、安全、可靠的制取生活热水的设备。文章介绍了当前有关空调余热，实施制冷和热水供应的两用机组的一些做法。文章着重分析了对于家用/商用中央空调系统中如何实现一机三用-夏季空调、冬季采暖、全年生活热水供应-的一些研发动向和不用化石燃料为辅助热源的真正三用一体机的设想。指出增大单机低温工况下的制热功率，以及应用高效的非化石燃料的辅助热源，是三用机组的关键。，大力发展三用热泵热水系统作一个诠释。

关键词：生活热水 热泵技术 热水机组 空调余热利用

　　1 生活热水是现代人生活的必需，节能环保是社会发展的根本

　　热水是每家每户必不可少的生活资源。过去在人们极不富裕的情况下，为了取得一点生活热水，甚至想洗一个热水澡，都是一种。过去，人们用柴火来烧热水，每天有几壶暖瓶的热水，就是一种幸福和享受。为了节省烧水的柴火，城里的人们，到“老虎灶”去“泡”水来用。过去艰苦的年代终于过去了，随着改革、开放，人民的生活有了极大的提高。城里每家每户都有了煤气供应，大大方便了烧热水。以后电热水器、燃气热水器大量进入寻常百姓家，每个家庭用热水有了保证。至于酒店、宾馆等等商业设施，自然必须有集中的热水供应。目前，就连学生宿舍、小区住宅，都纷纷安装上了中央热水系统，保证了人们对于热水的需求，洗脸洗澡，做饭洗菜等都用上了热水，使人们沐浴在一个“温暖、温馨”的天地里。

　　社会在进步，生活质量在不断提高。为了2020年我国进入进一步小康的社会，为了社会可持续发展，节能和环保这两大问题相当突出了。当前生活热水供应的耗能是很高的，椐统计，城市各类商业建筑生活热水的能耗约为其建筑总能耗的10-40%（其中，写字楼约为2.7%；商场10.7%；饭店31%；医院41.8%）；城市民用建筑生活热水能耗约为其建筑总能耗的20-30%。而建筑能耗约占整个社会总能耗的30%，这样折算下来，热水的能耗约为整个社会总能耗的3-4%，根据估算，为满足全国城镇居民生活热水供应（年人均耗用热水25-35升/日），一年约要耗用相当于1750亿到2450亿度电的能量。高能耗是常规热水技术无法克服的缺点。用柴火来烧热水，自然过于原始，也在破坏宝贵的森林资源。即使用煤气、燃油去制取热水，还面临一个对于矿物燃料资源的过度消耗（我国的人口占世界21%，但石油储量仅占1.8%；天然气仅占世界0.7%，我国石油的对外依赖度达到57%）和对环境污染的问题。

　　无论是家用或是中央热水系统，目前，极大多数所使用的热源是煤、煤气、燃油或电力，也有用蒸汽-水热交换器来产生热水，但蒸汽也是用煤或燃油、燃气来产生的。使用矿物燃料来产生热水，有一个投入/产出的问题，一般是投入的能量多，而产出的热量少一些。这就是热源设备的热效率。从下列表格可以看到各种燃料（热源）的低位发热量和热源设备的热效率。

表1 燃料低位发热量和热源设备的热效率

燃料或热源设备名称 单位 低位发热量（大卡） 热源设备热效率% 实际转化成热水的热量（大卡） 投入/产出的能量之比(能效比)%

煤（标煤）

城市煤气

天然气

液化石油气

0#柴油

电力

蒸汽（0.6MPa）

（指汽-水换热器）

热泵热水机组 公斤

立方米

立方米

公斤

公斤

度

公斤

输入电量-度 7000

3800

8600

10500

10200

860

663

860 60

85

85

85

80

95

90

350 4200

3230

7310

8925

8160

817

597

3010 0.60

0.85

0.85

0.85

0.8

0.95

0.90

3.50

　　从表中我们可以看出，目前所使用的燃料和热源设备，总是投入能量比产出的热量大，也就是说，其热效率总是小于1的，即使是用电，其转化的热效率最高，也只有95-98%，但一度电也只能转化为817大卡的热量。那么，能否找到一个制热效率大于1的热源设备呢？

　　2 用热泵原理制取生活热水是当前最为节能、环保的手段

　　热泵技术是一种热能回收技术，使用热泵技术，利用空气中、水中所蕴藏的趋于无限的能量，一年四季都可以将空气中和水中取出的热量来制造热水。利用热泵原理制造的热水机组是一种热效率大于1的设备。无论是水源热泵或者空气源热泵，都是可以吸取低温水源或空气源的热量，再将这一些热量连同本身所消耗的一部分电能所转化的热量，转送到常温环境条件下去应用。就拿空气源热泵热水机组而言，利用了制冷工质循环过程的“泵”热原理，完全可以做到“1+2=3”甚至“1+3=4”。公式中“1”是热泵所消耗的一份能量（电能），而“2”、“3”是从空气中所吸取的热量，“3”或“4”就是用来制取热水的热量。即使在冬季日平均气温下，空气源热泵机组的能效比COP，也可以达到2.5左右，即耗用一度电，就可以得到2150大卡的热量。也就是说，要得到同样数量的热水，使用热泵热水机组的耗电仅是电锅炉的1/3-1/4。而且到了夏季，随着气温的升高，空气源热泵热水机组的制热效率更高，COP可以达到5，而电锅炉的热效率并不因为气温升高而提高。

　　热泵热水机组（水源或空气源）是当前最为节能的、最为环保的制取热水的设备，也是最为安全、可靠的、最为简便的热水设备。当前，燃油、燃气、燃煤的价格受国际市场的影响，不断攀升，人们又转向于用电来供暖和制取热水，当前采用电锅炉加上蓄热技术的方案，也已得到国家电力部门的认可。而采用热泵热水机组加上蓄热技术来制取热水，虽然都是用电，但用热泵热水机组，不仅可以比电锅炉大大节约用电，而且也完全可以利用低价谷电，来大大降低运行的成本。

　　一个以热泵热水机组为热源的中央热水系统，最基本的组成是机组、蓄热水箱、循环加热泵及其管路和室内热水输配系统。而前三者综合起来，可以称之为“热源部分”。热源部分由机组，通过循环加热泵和相应管路与蓄热水箱构成一个加热循环，加热后的热水通过泵或重力外送，图1就是一个开式循环加热热源系统。图2是一个闭式循环加热系统。



图1 开式循环加热系统



图2 闭式循环加热系统

　　空气源热泵热水机组在制取热水的过程中，不断把周围空气温度降下来，如果能将这部分冷空气送入房间中，便达到了“免费”供冷的目的。如果是水源热泵热水机组，那么，完全可以做到一侧制取热水，而另一侧把空调冷回水的水温降下来，又成为空调用的合格冷水，达到了一机两用的目的：在制取生活热水的同时，又提供了一部分空调用的冷水。反过来说，利用热泵原理，可以将一台空调用风冷或水冷热泵冷水机组，改装为以产空调用冷水为主、兼供生活热水的两用机组，机组全部或部分利用了制冷循环中的冷凝热来制热水。目前，一台热回收型的水源热泵热水机组，可以吸取15-60℃的低品位水（海水、污水、建筑中水、空调冷水、冷却水、工业废水等）的热量，来制取60-90℃的高品位热水，作为采暖热水、生活热水或工业用热水。利用热泵技术来制取生活热水的热水系统，具有安全、可靠、高质、节能、环保、使用灵活、运行经济、能源（电）受国际市场的影响小的特点，可以广泛用于住宅、医院、宾馆、酒店、学校、美容理发、餐饮洗浴，以及室内游泳池、桑拿等场所。

　　――因为热源仅用少量的电能和空气中或水中的热量，根本不用燃油、燃气、燃煤或液化石油气等矿物燃料，没有燃烧生成物，也没有任何有害气体排放，没有火灾、爆炸的危险，因此十分安全；

　　――因为有良好的控制系统和蓄热水箱，可以做到每日充沛的供水量和满足每日高峰供水的需要。设有液位和温度的控制，保证水温低了，热泵启动制热；液位低了，自动补充冷水；热水多了，可以由蓄热水箱调节储存；系统回水温度低了，会自动开启循环水泵以及热泵再加热储存的温水，出口水温长期过低，可以启动辅助电加热器作短期加热，因而，热泵热水系统的供水温度稳定可靠，供水水量充足，供水质量有保证；

　　――热泵制热系数（能效比）恒大于1，全年平均的能效比可达3-4，因而比任何一种矿物燃料燃烧的制热效率高，也因此是最为节能的热水机组，即使与太阳能热水系统比较，热泵热水系统的运行费用也会比较低。如果当地的太阳能全年的利用天数仅在2/3之内（太阳能的利用受昼夜、阴晴、雨雪和季节影响很大，除西藏、新疆、青海外，一般地区全年平均有效利用太阳能的天数不足全年的2/3，即不足250天），而且其辅助加热也是用电加热的话，那么，热泵热水机组的用电、可以与太阳能热水系统的用电持平，或者还要比太阳能系统节电；

　　――热泵热水机组无任何CO2、NOX等温室气体和有害气体排放。对地球的温室效应无任何影响，其制冷工质是按蒙特利尔公约规定，可以允许应用的HFC工质；其使用的热源是清洁的空气、水以及少量的电能，因而，热泵热水机组运行时，不会破坏周围环境的生态，是符合环境保护的。

　　――由于热泵热水机组的制热效率比任何燃烧矿物燃料的制热设备的热效率高，可以大大减少电能的消耗，而且，电的价格受市场的冲击小，价格比较稳定，因此，热水的制造成本也比较稳定，比较经济。如果可以利用低价谷电和采取蓄热措施，则热水制造成本会更低。