热泵热水器的研究与应用

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摘要：采用热泵为建筑物提供卫生热水可以大大减少CO₂排放量，在现有技术中是最经济有效的技术之一。在热泵热水供应系统中空气源热泵较适合作为热水器的热源且性能系数较高。借鉴国外先进经验，结合中国的具体情况，研究开发热泵热水器的关键技术，设计、建设及跟踪测试热泵热水器示范产品，总结制定热泵热水器应用手册和生产技术规程，培训安装技术队伍，提高公众对热泵热水器的认知度，为热泵热水器技术在中国的推广应用奠定基础。

关键词：热泵   热水器   节能   环保

1研究背景 

1.1我国能源现状

我国能源的消费中矿物能源，特别是煤炭占一次性能源消费中的72.8％（详见表1）。这一主体作用，在本世纪中仍将继续，这是煤在中国能源结构中的优势（储量大、易开采、价格低廉等）所决定的。

   中国与世界能源消费格局比较(%)            表1

消费格局

煤

石油

天然气

水电

核电

中国

72.8

18.3

2.0

5.9

1.0

世界

27

38.0

23.0

6.0

6.0

我国能源使用排放的二氧化碳约占各种温室气体总排放量的80％，随着能源消费量的增加而增加。中国拥有比较丰富而多样的能源资源，但人均资源量并不多。按美国《油气杂志》计算2002年中国石油人均储量为2.9吨，仅为世界平均值的11.6％。另一方面，中国的能源利用效率很低（见表2），从单位产值能耗看，1999年经济合作与发展组织中的国家每万美元能源消费量为2.97吨油当量，其中日本为最低是1.61吨油当量，而中国则高达14.29吨油当量，是世界平均水平的3倍。进入21世纪知识经济时代，强化高新技术在能源开发中的应用，全面提升能源行业与系统的科技含量，是实现可持续发展的根本途径。

   中国与发达国家能量设备效率比较（％）        表2

能量设备名称 

火电 

工业锅炉 

泵 

风机 

中国 

28.5

55～65

65～80

65～70

发达国家 

36～38

80～85

78～90

80～90

中国城乡建筑发展迅速，人们生活水平迅速提高，家用卫生热水的需求量也越来越大，在20世纪80年代中期开始，各种家用热水器应运而生，其中有电热水器、煤气热水器、太阳能热水器等，各种热水器在家庭中的使用正日益普遍，能源浪费严重。

1.2 热泵与环境 

随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的卫生热水、空调已成为普遍的需求。在发达国家中，卫生热水、供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25-30%。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，这些温室效应气体的排放已日益成为各国政府和公众关注的焦点。

采用热泵作为建筑卫生热水可以大大降低一次能源的消耗。通常我们通过直接燃烧矿物燃料（煤、石油、天然气）产生的热量并通过若干个传热环节最终转化为建筑卫生热水，一次能源利用率最高可为100%。但是，燃烧矿物燃料通常可产生1500-1800°C的高温，是高品位的热能，而卫生热水最终需要的是40-55°C的低品位的热能；直接燃烧矿物燃料作为卫生热水意味着大量可用能的损失。在现有技术条件下利用燃料发电再用热泵供卫生热水，一次能源利用率可以达到200%以上。因此，采用热泵技术为建筑物提供卫生热水可大大降低卫生热水的燃料消耗，也就是大大降低了燃烧矿物燃料而引起的CO₂的排放。现在全世界约有1.5亿台热泵在运行，总负荷容量约为每年4.7´10¹⁵ kJ，每年减少CO₂排放量约为1.3亿吨。随着热泵技术的进一步改进和发电效率的进一步提高，采用热泵技术使全世界CO₂排放量减少16%是有可能的。因此，它是节能和减少CO₂排放的关键技术之一。

热泵的作用通常是提高环境（大气、地表水和大地）中的热量或废热的温度并利用这些热量。应该指出，由热泵得到的这部分热水（热泵提升能量 - 驱动能）属于可再生的能源。

1.3 在我国推广热泵热水器供应热水的主要障碍

（1）       在温室气体减排方面，国家和地方没有制定相适应的配套的技术政策和有效的监督执行机制，没有实现有效的引导。

（2）       环保意识差，对温室气体的减排缺乏足够重视。

（3）       缺乏建筑中适用的清洁可再生能源应用技术。

（4）       热泵理论研究，尤其是应用技术的研究还不成熟。

（5）       由于热泵热水器应用很少，公众对其可靠性还存有怀疑。

（6）       热泵热水器还未形成产业，导致该系统初投资较高，应用受限。

（7）       缺乏相应的国家标准和规范以及合格的施工人员。

（8）       最重要的是政府、工程界和公众对该技术节能效果，尤其是环境保护效益缺乏了解与认识。

2、  研究内容与特点 

2.1 研究特点

2.1.1、创新性

热泵早在20世纪50年代在一些北欧国家的供热中得到实际应用。由于石油危机的影响，热泵在20世纪70年代得到较大的发展，自20世纪80年代以来，在北美也形成了利用热泵对建筑进行冷热联供的研究和工程实践的新一轮高潮，技术逐渐趋于成熟。多年来中国在热泵研究方面一直处于理论探讨阶段，对热泵热水器的应用技术更是缺乏系统的研究和实践。

热泵的发展一方面与能源的结构与供应、政府的导向以及国民经济总体发展有关，另一方面也与热泵热水器本身技术进展有关。目前，热泵热水器作为商品在美国等发达国家已处于成熟期，而在中国才刚刚起步。其中一个重要原因就是中国对热泵热水器的应用研究还不完善，尤其是对实际工程设计、安装及运行的研究与总结几乎是空白。这在很大程度上制约了热泵热水器的应用。热泵热水器研究的重点就是要填补这一空白。热泵热水器应用技术指南和示范工程的设计、建造及运行测试报告，将为热泵热水器在我国卫生热水供应系统的应用发挥重要的示范与指导作用。

2.1.2、市场性

（1）不断提高热泵热水器市场综合竞争力是其推广应用的根本途径

在卫生热水供应中应用热泵技术的主要制约因素曾经是电力供应不足和人民群众消费水平较低，对热泵热水器的市场需求尚未形成。随着改革开放，我国经济的发展和人民生活水平的提高，以上两个制约因素已不复存在，卫生热水已成为普通百姓的需求，并逐渐向中国农村扩展，卫生热水产品市场很大，并具有广阔的发展空间。传统卫生热水供应方式市场占有量很大，公众中的认知度很高。尽管热泵热水器具有技术上的优势和节能环保的优点，但同时它也有初投资较高、实际工程应用较少的不足。因此，只有深入研究、开发与完善热泵热水器并使之产业化，降低成本，提高设计、施工质量，确保运行效果，增强其自身的市场竞争力，才能占居建筑空调市场一席之地，不断扩大市场份额，使其成为卫生热水器的最佳选择方案之一。所以提升热泵热水器的市场竞争力，是推广应用该项技术的根本途径。 

（2）政府支持在热泵热水器推广应用中将发挥不可替代的作用

在热泵热水器技术开拓市场阶段，政府的扶持、支持也是重要因素之一。在热泵热水器得到广泛应用的国家中，政府通常都在推广热泵热水器方面起到了积极的作用。政府可以对购置或安装热泵热水器系统给予补贴，或资助热泵热水器的研发，以及采取减税等措施来促进热泵热水器技术的推广。政府还可以通过立法以及制定和颁布技术规范，促进和帮助热泵热水器技术的普及和推广。政府的这些措施应是全国节能和环保政策的一部分，其目标是要增加可再生能源在整个能源结构中的比例，促进可持续发展，减少温室气体的排放。

（3）公众及消费者的了解与认知是推广热泵热水器应用的重要力量

电力公司也应是推广热泵应用的重要力量。设计人员和最终消费者的态度也很重要。例如，调查表明瑞士、瑞典和挪威的消费者通常比较愿意为高质量的有益于环保的系统付较高的费用。因此有必要通过示范工程、技术培训和教育来规范和普及这种技术；并通过各种媒体的介绍和宣传，提高公众对热泵热水器这种节能和环保的卫生热水供应方式的认知度。

2.1.3、可持续发展性

该研究已取得阶段性成果，如已具有热泵热水器产品，并已投入运行，并将总结出热泵热水器技术应用指南。这仅仅是热泵热水器技术推广应用的基础和开始。在此基础上，还有一系列的后续工作能够而且需要展开。 

2.2 研究内容 

针对热泵热水器在中国的应用处于起步阶段的现状，研究中借鉴国外先进经验，结合中国的具体情况，主要攻克热泵热水器应用的关键技术，设计、建设及跟踪测试热泵热水器示范工程，总结制定热泵热水器技术应用指南，为热泵热水器技术在中国的推广应用奠定基础。

2.2.1、热泵热水器卫生热水供应技术的基础研究。主要内容有：热泵热水换热器的设计计算方法及其优化，热泵热水器热水供应系统的仿真及其优化。

2.2.2、热泵热水器热水供应系统的技术开发。如：热泵热水换热器的设置技术，配套防冻液的研究和选取；适合热泵系统的热水供应系统的开发；热泵热水器示范工程的设计、建设、测试与总结。

2.2.3、热泵热水器热水供应系统的产业化。如：适用的热泵系列的开发和批量生产；塑料管材及其配件的开发和生产；市场的培育和开发，包括设计、施工技术人员的培训，市场宣传等。

3、研究现状与展望 

本研究在分析、消化、吸收及引进国际热泵热水器技术的基础上，建立和开发了热泵热水器系统优化设计理论、方法及相应软件，建立热泵热水器热水供应系统的仿真系统；陆续承接设计、安装热泵热水器示范工程，并进行运行测试，技术经济分析；不断宣传、培育和开发热泵热水器应用市场。 

4、研究应用优势与预期效益 

4.1 研究优势 

4.1.1、山东省是经济大省，也是建筑能耗大省，具有应用热泵热水器技术的广阔市场与条件。 

山东省地处冬寒夏热地区，冬夏天都需要卫生热水。建筑卫生热水、供热和空调的能耗占到社会总能耗的25%左右，在国内属建筑能耗大省。据不完全统计山东省2003年新建建筑面积19亿平方米，且逐年有所增加。以此为依据，今后在新建建筑中有20％的建筑采用卫生热水供应系统，在城市中近90％的家庭装设各种热水器。

4.1.2、山东省在热泵热水器研究与应用方面起步早，产业化程度较高

近年来山东省开发了“热泵热水器”卫生热水供应产品，在热量的来源上它可归属于热泵；从热泵的技术特点上它应属于空气源热泵。山东省某些企业已经开发生产了“热泵热水器”机组。推广这种技术有明显的节能和保护大气环境的效益，对宣传和推动热泵技术在卫生热水中的应用也起到了积极的作用。多年来山东省在热泵热水器技术应用研究方面也一直进行理论探讨和实际应用的研究。

4.2 预期效益

在卫生热水供应工程中应用热泵技术环境效益显著，在许多发达国家得到政府的提倡和支持。作为一种有效的节能绿色产品，热泵热水器将在我国建筑热水供应系统中发挥越来越重要的作用。因此，上述研究成果有着广阔的应用前景。它们的应用将产生重大的经济效益和社会效益。

4.2.1       环境效益显著 

开发推广热泵热水器热水供应技术可彻底革除中小型燃燃气热水器以及小型燃煤锅炉，该装置的运行没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，减轻了城镇的大气污染。同时避免了电热水器所造成的能源浪费严重。更为主要的是将为温室气体CO₂的减排做出重大贡献，具有极大的环境效益。

4.2.2  节能、运行费用低

热泵热水器比传统热水供应系统运行效率要高约25-30％。在华东、华南小型宾馆传统热水供应系统的运行耗电量约为2.33KW.h/人，而热泵热水器热水供应系统约为0.74kW.h/人。按保守的估计一年节约电能约为 500 kW. h。每1kW.h 按0.5元计，一年每个客房节省250元。因此由于热泵热水器系统的运行费用低，所增加的初投资可在5-7年内收回。

4.2.3        利用可再生能源，可持续发展

热泵热水器是利用了空气内热能或地热资源作为冷热源，进行能量交换的热水供应系统。空气和地表浅层地热资源量大面广，无处不在，它是一种清洁的可再生能源。因此，热泵热水器，是一种可持续发展的“绿色装置”。

参考文献 

1. 刘学来 地源热泵与低温地板辐射供暖联合运行的可行性分析 2004年全国暖通制冷年会资料摘要集235-236

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.

王强  男，高级工程师 大学  1966年9月生 山东菏泽人  济南德荣科技有限公司 济南市经十一路58号  邮编 250002  电话 13906416355