家用空氣源熱泵熱水器節(jié)能分析

馮百樂 何海霞

(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院，浙江杭州 310028;2.中節(jié)能實業(yè)發(fā)展有限公司，浙江杭州 310012)

0 引言

空氣源熱泵熱水器是一種新型生產(chǎn)熱水的設(shè)備，是繼燃?xì)鉄崴?、電熱水器、太陽能熱水器后的第四代熱水器?？諝庠礋岜脽崴骶哂泄?jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟、使用便利等諸多優(yōu)點，十分適合家庭使用。

2012年6月16日，國家發(fā)改委、財政部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布了2012第17號公告，將第一批高效節(jié)能空氣源熱泵熱水器(機)推廣目錄納入節(jié)能惠民工程補貼范圍，這被認(rèn)為是未來空氣源熱泵熱水器市場加速發(fā)展的信號。

本文就空氣源熱泵熱水器的工作原理、技術(shù)特點作了簡要闡述，并對其節(jié)能環(huán)保效益進行了分析。

1 空氣源熱泵熱水器工作原理及系統(tǒng)形式

1.1 工作原理

空氣源熱泵熱水器一般由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、過濾器、儲液罐、儲水箱及輔助熱源等部分組成。運用逆卡諾循環(huán)原理，以空氣作為低溫?zé)嵩传@取熱量，經(jīng)過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮埽鬟f到水箱中把冷水加熱。其工作流程如下:首先，傳熱工質(zhì)(過熱液體媒體)在蒸發(fā)器內(nèi)吸收低溫?zé)嵩吹臒崃?，蒸發(fā)成氣體媒體，經(jīng)過壓縮器的壓縮，變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w媒體;高溫高壓的氣體媒體流經(jīng)冷凝器將熱能傳遞給冷水，同時自身變?yōu)楦邏阂后w媒體;高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變成過熱液體媒體，進入蒸發(fā)器，完成一個循環(huán);通過冷凝器向冷水中不斷放熱，使水逐漸升溫，達到制熱水的目的。

1.2 系統(tǒng)形式

1.2.1 按加熱方式分類

按加熱方式可分為一次加熱式熱泵熱水系統(tǒng)、循環(huán)加熱式熱泵熱水系統(tǒng)和靜態(tài)加熱式熱泵熱水系統(tǒng)。

1)一次加熱式又稱直熱式，是指初始冷水流過熱泵熱水器主機內(nèi)部的冷凝器(換熱器)一次就達到用戶設(shè)定溫度，直接送到保溫水箱中。優(yōu)點是出水溫度恒定、可調(diào)。缺點是當(dāng)室外環(huán)境溫度較低或進出水溫差條件不佳時，達到設(shè)定溫度的出水量很少;壓縮機一直處在高壓工作狀態(tài)下，易損耗。

2)循環(huán)加熱式是指先將冷水注入到保溫水箱中，再利用循環(huán)泵和水管管路輸送至主機加熱，加熱的方式是多次、循環(huán)加熱，當(dāng)水溫達到預(yù)設(shè)溫度后，循環(huán)停止。優(yōu)點是設(shè)備運行較為穩(wěn)定，制熱效率較高。缺點是水的加熱時間較長，在多個時段供水，供水品質(zhì)不夠穩(wěn)定;使用循環(huán)泵會浪費一些電，熱水輸送的管路上會損失一部分熱量。

3)靜態(tài)加熱式是指采用盤管式換熱水箱，即換熱器(冷凝器)與水箱一體，水箱和主機之間用管道連接，冷媒在管路內(nèi)的循環(huán)，不斷地通過水箱內(nèi)的盤管換熱器與水箱中的冷水交換熱量，把水加熱。其中，盤管換熱水箱根據(jù)盤管放置的位置又有內(nèi)盤管和外盤管之分。靜態(tài)加熱式空氣源熱泵熱水器的制熱效率略低于前述兩種形式，一般在家用機中應(yīng)用較多。

1.2.2 按結(jié)構(gòu)形式分類

按系統(tǒng)各部件關(guān)系可分為整體式熱泵熱水器和分體式熱泵熱水器。整體式是指壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器以及水箱等主要零部件在同一箱體內(nèi)的熱泵熱水器。分體式是指上述主要部件不在同一箱體內(nèi)的熱泵熱水器，一般分為熱泵機組和儲熱水箱。家庭使用可根據(jù)不同的居住、氣候條件選擇不同的機型。

1.2.3 按水箱形式分類

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)根據(jù)水箱的形式分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。開式系統(tǒng)使用開式水箱，熱水采用重力流供水或加壓供水;閉式系統(tǒng)使用承壓水箱，熱水通過冷水的壓力頂出去。一般推薦采用承壓式水箱，可保證出水時冷熱水壓的平衡。

2 空氣源熱泵熱水器使用性能分析

空氣源熱泵熱水器與其他形式熱水器相比較，在使用上具有運行穩(wěn)定、安全舒適、管理操作方便等諸多優(yōu)點。空氣源熱泵熱水器在名義工況下，性能系數(shù)COP可達到3～4左右，產(chǎn)水溫度可達55℃～60℃。在使用過程中，不產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣和噪聲污染，不會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。與同樣具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢的太陽能熱水器相比，還具有運行穩(wěn)定的優(yōu)勢:空氣源熱泵熱水器由于是以空氣作為能量的來源，受環(huán)境影響較小，在陰天、雨雪天或夜晚都可以照常工作(適用溫度范圍在－15℃～60℃)，全天候提供熱水。此外，家用空氣源熱泵熱水器室外機與空調(diào)外機相似，可放置在屋面、設(shè)備陽臺等處。

但是空氣源熱泵熱水器在運行時存在結(jié)霜問題。當(dāng)室外溫度過低時，熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度過低，在蒸發(fā)器表面極易結(jié)霜，降低了換熱效果，導(dǎo)致系統(tǒng)的制熱效率急劇下降，甚至無法正常啟動。因此，空氣源熱泵熱水器基本適用于華東、華南等長江以南地區(qū)，在北方地區(qū)使用時必須解決好除霜問題。在使用性能上，空氣源熱泵熱水器和其他形式熱水器比較如表1所示。

3 空氣源熱泵熱水器節(jié)能、經(jīng)濟和環(huán)保效益分析

以杭州市為例，對空氣源熱泵熱水器進行節(jié)能環(huán)保效益分析。

根據(jù)GB 50015-2003建筑給排水設(shè)計規(guī)范，每人每天熱水定額量為40 L 60℃的熱水。按一般的用水習(xí)慣，假設(shè)熱水出水溫度為55℃，自來水水溫按10℃計算，則每人一次淋浴的耗熱量:

其中，Q為每人一次淋浴的耗熱量，MJ;V為額定用熱水量，L;Tu為使用時的熱水溫度，℃;Ti為冷水溫度，℃;C為水的比熱容，C=4 187 J/(kg·℃);ρ為熱水密度，ρ=1 kg/L。

表1 不同熱水器的使用性能比較

平均家庭人口以3人/戶計算，假設(shè)每人每天淋浴一次，則每戶每年消耗在生活熱水加熱的能耗約為8 256 MJ。

1)采用電熱水器。

電熱水器平均效能為95%，1度電的熱值為3.6 MJ，則耗電量為:

2)采用燃?xì)鉄崴鳌?/p>

根據(jù)GB 6932-2001家用燃?xì)饪焖贌崴饕螅細(xì)鉄崴髯畹蜔嵝手挡坏陀?80%，天然氣熱值約為 35.27 MJ/m3[4]，則耗氣量為:

3)采用太陽能熱水器。

使用太陽能熱水器，太陽能熱水系統(tǒng)每年可產(chǎn)生的熱量為:

式中:Qr——太陽能熱水系統(tǒng)的全年熱效能，MJ;

E——太陽能的年輻射總量，杭州取值為4 600 MJ/m2;

β——太陽輻射全年可利用系數(shù)，β=0.5;

η——太陽能熱水系統(tǒng)的熱效率，η=0.8;

F——戶式太陽能熱水系統(tǒng)的集熱板面積，取3 m2，則:

則需輔助電加熱耗電量為:

4)采用空氣源熱泵熱水器。

根據(jù)GB/T 23137-2008家用和類似用途熱泵熱水器規(guī)定的名義工況下COP的限定值，取靜態(tài)加熱式熱泵熱水器的COP最低值3.4?？紤]到冬季工況時，空氣源熱泵熱水器的COP值較低，因此，冬季三個月時的COP取2，其余三個季節(jié)取標(biāo)準(zhǔn)要求的最低值 3.4。

則耗電量為:

3.1 節(jié)能效益分析

通過上述計算，使用四種不同形式熱水器供一戶家庭全年生活熱水，全年實際耗熱量、空氣源熱泵熱水器較其他形式熱水器全年節(jié)約的耗熱量如表2所示。

可見，空氣源熱泵熱水器除和太陽能熱水器耗能量相差不大，幾乎可以忽略不計，但較其他兩種形式熱水器大大節(jié)省了常規(guī)能源的費用，具有很好的節(jié)能效益。

3.2 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)杭州市物價局規(guī)定，居民生活電價取0.53元(不考慮杭州市實行的階梯電價制度)，居民生活用氣價格2.4元/m3，則四種形式的熱水器運行費用、空氣源熱泵熱水器較其他形式熱水器節(jié)約費用如表3所示。

表2 不同形式熱水器耗能量比較

表3 不同形式熱水器運行費用比較

可見，空氣源熱泵熱水器運行費用是電熱水器運行費用的1/3，是燃?xì)鉄崴鬟\行費用的2/3左右，與太陽能熱水器的運行費用幾乎可以忽略不計。

相對于普通的電熱水器，計算出空氣源熱泵熱水器的靜態(tài)回收年限、靜態(tài)投資回報率等，如表4所示。

表4 各種系統(tǒng)靜態(tài)回收年限、投資回報率計算

可見，使用空氣源熱泵系統(tǒng)的初始投資雖然較電熱水器稍貴，但由于在運行時通過少量的電能輸入獲得了其3倍～4倍的能量，較電能直接制熱大大節(jié)省了能源消耗和費用，增加投資額可以通過使用過程中節(jié)省的常規(guī)能源費用償還，在使用周期內(nèi)完全可以回收成本，并減少常規(guī)能源費用。

3.3 環(huán)保效益分析

根據(jù)上述分析，一臺家用空氣源熱泵熱水器相對于家用電熱水器一年可節(jié)約5 840 MJ能量，折合成用電量約為1 622 kWh。根據(jù)國家發(fā)展改革委氣候司2006年～2008年電量邊際排放因子的加權(quán)平均值，華東區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子0.859 2 kg(CO2)/kWh，則可減少1 393 kg二氧化碳排放量，在使用壽命(按10年計)內(nèi)，則可減少13.93 t二氧化碳的排放，具有良好的環(huán)保效益。

4 結(jié)語

空氣源熱泵熱水器較其他形式熱水器，具有節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保、使用便利等諸多優(yōu)點，十分適用于我國南方地區(qū)家庭使用。在解決好除霜問題后，其應(yīng)用范圍可逐漸擴大到北方地區(qū)。由于空氣源熱泵熱水器行業(yè)成長時間較短、政府扶持力度相對較小、產(chǎn)品價格較高，導(dǎo)致其市場份額、市場認(rèn)知度都較低，但在能源緊缺的今天，其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢日益突出，已逐步受到重視。隨著國家和地方政府一系列補助、扶持政策的推出，會極大地推動該項技術(shù)的普及應(yīng)用，其發(fā)展前景十分良好。

[1]王靖華，汪 波.空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在冬冷夏熱地區(qū)的應(yīng)用探討[J].給水排水，2007，33(5):79-81.

[2]邵迎旭，崔志國，于金濤，等.空氣源熱泵在生活熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].給水排水，2001(S37):354-356.

[3]李元哲.空氣源熱泵在建筑節(jié)能中的應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2010(4):76-81.

[4]李慶華.空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的技術(shù)與應(yīng)用[J].商品與質(zhì)量，2011(7):253-254.