熱泵熱水器的研究與應(yīng)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(shù)中是最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)之一。在熱泵熱水供應(yīng)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(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國的具體情況，研究開發(fā)熱泵熱水器的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)、建設(shè)及跟蹤測試熱泵熱水器示范產(chǎn)品，總結(jié)制定熱泵熱水器應(yīng)用手冊和生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程，培訓(xùn)安裝技術(shù)隊(duì)伍，提高公眾對熱泵熱水器的認(rèn)知度，為熱泵熱水器技術(shù)在中國的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)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(fèi)中礦物能源，特別是煤炭占一次性能源消費(fèi)中的72.8％（詳見表1）。這一主體作用，在本世紀(jì)中仍將繼續(xù)，這是煤在中國能源結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢（儲(chǔ)量大、易開采、價(jià)格低廉等）所決定的。

   中國與世界能源消費(fèi)格局比較(%)            表1

消費(fèi)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(fèi)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(jì)算2002年中國石油人均儲(chǔ)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(jì)合作與發(fā)展組織中的國家每萬美元能源消費(fèi)量為2.97噸油當(dāng)量，其中日本為最低是1.61噸油當(dāng)量，而中國則高達(dá)14.29噸油當(dāng)量，是世界平均水平的3倍。進(jìn)入21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，強(qiáng)化高新技術(shù)在能源開發(fā)中的應(yīng)用，全面提升能源行業(yè)與系統(tǒng)的科技含量，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑。

   中國與發(fā)達(dá)國家能量設(shè)備效率比較（％）        表2

能量設(shè)備名稱 

火電 

工業(yè)鍋爐 

泵 

風(fēng)機(jī) 

中國 

28.5

55～65

65～80

65～70

發(fā)達(dá)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(jì)80年代中期開始，各種家用熱水器應(yīng)運(yùn)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(fèi)嚴(yán)重。

1.2 熱泵與環(huán)境 

隨著中國經(jīng)濟(jì)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(diào)已成為普遍的需求。在發(fā)達(dá)國家中，衛(wèi)生熱水、供熱和空調(diào)的能耗可占到社會(huì)總能耗的25-30%。我國的能源結(jié)構(gòu)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(yīng)氣體的排放已日益成為各國政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。

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(gè)傳熱環(huán)節(jié)最終轉(zhuǎn)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(shù)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(dá)到200%以上。因此，采用熱泵技術(shù)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。現(xiàn)在全世界約有1.5億臺(tái)熱泵在運(yùn)行，總負(fù)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(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)電效率的進(jìn)一步提高，采用熱泵技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(yīng)該指出，由熱泵得到的這部分熱水（熱泵提升能量 - 驅(qū)動(dòng)能）屬于可再生的能源。

1.3 在我國推廣熱泵熱水器供應(yīng)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(yīng)的配套的技術(shù)政策和有效的監(jiān)督執(zhí)行機(jī)制，沒有實(shí)現(xiàn)有效的引導(dǎo)。

（2）       環(huán)保意識(shí)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(yīng)用技術(shù)。

（4）       熱泵理論研究，尤其是應(yīng)用技術(shù)的研究還不成熟。

（5）       由于熱泵熱水器應(yīng)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(dǎo)致該系統(tǒng)初投資較高，應(yīng)用受限。

（7）       缺乏相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)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(shù)節(jié)能效果，尤其是環(huán)境保護(hù)效益缺乏了解與認(rèn)識(shí)。

2、  研究內(nèi)容與特點(diǎn) 

2.1 研究特點(diǎn)

2.1.1、創(chuàng)新性

熱泵早在20世紀(jì)50年代在一些北歐國家的供熱中得到實(shí)際應(yīng)用。由于石油危機(jī)的影響，熱泵在20世紀(jì)70年代得到較大的發(fā)展，自20世紀(jì)80年代以來，在北美也形成了利用熱泵對建筑進(jìn)行冷熱聯(lián)供的研究和工程實(shí)踐的新一輪高潮，技術(shù)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(yīng)用技術(shù)更是缺乏系統(tǒng)的研究和實(shí)踐。

熱泵的發(fā)展一方面與能源的結(jié)構(gòu)與供應(yīng)、政府的導(dǎo)向以及國民經(jīng)濟(jì)總體發(fā)展有關(guān)，另一方面也與熱泵熱水器本身技術(shù)進(jìn)展有關(guān)。目前，熱泵熱水器作為商品在美國等發(fā)達(dá)國家已處于成熟期，而在中國才剛剛起步。其中一個(gè)重要原因就是中國對熱泵熱水器的應(yīng)用研究還不完善，尤其是對實(shí)際工程設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行的研究與總結(jié)幾乎是空白。這在很大程度上制約了熱泵熱水器的應(yīng)用。熱泵熱水器研究的重點(diǎn)就是要填補(bǔ)這一空白。熱泵熱水器應(yīng)用技術(shù)指南和示范工程的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)行測試報(bào)告，將為熱泵熱水器在我國衛(wèi)生熱水供應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)揮重要的示范與指導(dǎo)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(yīng)用的根本途徑

在衛(wèi)生熱水供應(yīng)中應(yīng)用熱泵技術(shù)的主要制約因素曾經(jīng)是電力供應(yīng)不足和人民群眾消費(fèi)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(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，以上兩個(gè)制約因素已不復(fù)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(kuò)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(yīng)方式市場占有量很大，公眾中的認(rèn)知度很高。盡管熱泵熱水器具有技術(shù)上的優(yōu)勢和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也有初投資較高、實(shí)際工程應(yīng)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(shè)計(jì)、施工質(zhì)量，確保運(yùn)行效果，增強(qiáng)其自身的市場競爭力，才能占居建筑空調(diào)市場一席之地，不斷擴(kuò)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(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的根本途徑。 

（2）政府支持在熱泵熱水器推廣應(yīng)用中將發(fā)揮不可替代的作用

在熱泵熱水器技術(shù)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(yīng)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(bǔ)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(jìn)熱泵熱水器技術(shù)的推廣。政府還可以通過立法以及制定和頒布技術(shù)規(guī)范，促進(jìn)和幫助熱泵熱水器技術(shù)的普及和推廣。政府的這些措施應(yīng)是全國節(jié)能和環(huán)保政策的一部分，其目標(biāo)是要增加可再生能源在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的比例，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，減少溫室氣體的排放。

（3）公眾及消費(fèi)者的了解與認(rèn)知是推廣熱泵熱水器應(yīng)用的重要力量

電力公司也應(yīng)是推廣熱泵應(yīng)用的重要力量。設(shè)計(jì)人員和最終消費(fèi)者的態(tài)度也很重要。例如，調(diào)查表明瑞士、瑞典和挪威的消費(fèi)者通常比較愿意為高質(zhì)量的有益于環(huán)保的系統(tǒng)付較高的費(fèi)用。因此有必要通過示范工程、技術(shù)培訓(xùn)和教育來規(guī)范和普及這種技術(shù)；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(yīng)方式的認(rèn)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(yùn)行，并將總結(jié)出熱泵熱水器技術(shù)應(yīng)用指南。這僅僅是熱泵熱水器技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)和開始。在此基礎(chǔ)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(yīng)用處于起步階段的現(xiàn)狀，研究中借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國的具體情況，主要攻克熱泵熱水器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)、建設(shè)及跟蹤測試熱泵熱水器示范工程，總結(jié)制定熱泵熱水器技術(shù)應(yīng)用指南，為熱泵熱水器技術(shù)在中國的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2.2.1、熱泵熱水器衛(wèi)生熱水供應(yīng)技術(shù)的基礎(chǔ)研究。主要內(nèi)容有：熱泵熱水換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及其優(yōu)化，熱泵熱水器熱水供應(yīng)系統(tǒng)的仿真及其優(yōu)化。

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

2.2.3、熱泵熱水器熱水供應(yīng)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(shè)計(jì)、施工技術(shù)人員的培訓(xùn)，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(jìn)國際熱泵熱水器技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立和開發(fā)了熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、方法及相應(yīng)軟件，建立熱泵熱水器熱水供應(yīng)系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)；陸續(xù)承接設(shè)計(jì)、安裝熱泵熱水器示范工程，并進(jìn)行運(yùn)行測試，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析；不斷宣傳、培育和開發(fā)熱泵熱水器應(yīng)用市場。 

4、研究應(yīng)用優(yōu)勢與預(yù)期效益 

4.1 研究優(yōu)勢 

4.1.1、山東省是經(jīng)濟(jì)大省，也是建筑能耗大省，具有應(yīng)用熱泵熱水器技術(shù)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(diào)的能耗占到社會(huì)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(jì)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(yīng)系統(tǒng)，在城市中近90％的家庭裝設(shè)各種熱水器。

4.1.2、山東省在熱泵熱水器研究與應(yīng)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(yīng)產(chǎn)品，在熱量的來源上它可歸屬于熱泵；從熱泵的技術(shù)特點(diǎn)上它應(yīng)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(jī)組。推廣這種技術(shù)有明顯的節(jié)能和保護(hù)大氣環(huán)境的效益，對宣傳和推動(dòng)熱泵技術(shù)在衛(wèi)生熱水中的應(yīng)用也起到了積極的作用。多年來山東省在熱泵熱水器技術(shù)應(yīng)用研究方面也一直進(jìn)行理論探討和實(shí)際應(yīng)用的研究。

4.2 預(yù)期效益

在衛(wèi)生熱水供應(yīng)工程中應(yīng)用熱泵技術(shù)環(huán)境效益顯著，在許多發(fā)達(dá)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(yīng)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(yīng)用前景。它們的應(yīng)用將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(yīng)技術(shù)可徹底革除中小型燃燃?xì)鉄崴饕约靶⌒腿济哄仩t，該裝置的運(yùn)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(shí)避免了電熱水器所造成的能源浪費(fèi)嚴(yán)重。更為主要的是將為溫室氣體CO₂的減排做出重大貢獻(xiàn)，具有極大的環(huán)境效益。

4.2.2  節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低

熱泵熱水器比傳統(tǒng)熱水供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高約25-30％。在華東、華南小型賓館傳統(tǒng)熱水供應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行耗電量約為2.33KW.h/人，而熱泵熱水器熱水供應(yīng)系統(tǒng)約為0.74kW.h/人。按保守的估計(jì)一年節(jié)約電能約為 500 kW. h。每1kW.h 按0.5元計(jì)，一年每個(gè)客房節(jié)省250元。因此由于熱泵熱水器系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)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?zé)豳Y源作為冷熱源，進(jìn)行能量交換的熱水供應(yīng)系統(tǒng)。空氣和地表淺層地?zé)豳Y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(xiàn) 

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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(qiáng)  男，高級(jí)工程師 大學(xué)  1966年9月生 山東菏澤人  濟(jì)南德榮科技有限公司 濟(jì)南市經(jīng)十一路58號(hào)  郵編 250002  電話 13906416355