一、概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源緊張以及環(huán)境保護問題亦日益突出，近年來，不少賓館都實施了“煤改氣（油、電）”的環(huán)保政策，但卻造成了洗浴熱水費用升高，賓館冬季高峰時單此項費用就高達3萬余元每天，如何更多更好地利用自然能源，特別是低品位能源，避免和減少環(huán)境污染，緩和能源緊張問題早已是人們所關(guān)注的課題。有些賓館為了降低洗浴熱水的成本，安裝了真空管式太陽能熱水系統(tǒng)，靠太陽光的直射來產(chǎn)熱，是解決了環(huán)保問題，也相應(yīng)降低了部分時段的洗浴熱水成本，太陽能是大自然賦予人類取之不盡的清潔能源，充分利用它服務(wù)于人類的生產(chǎn)、生活，是人們長期以來的愿望。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)就是比較理想的太陽潛能（空氣能）的利用方式之一。
二、空氣源熱泵的工作原理

熱泵技術(shù)是近年來在全世界備受關(guān)注的新能源技術(shù)，目前較多地應(yīng)用于冷暖空調(diào)機。日常生活中泵的應(yīng)用很多。泵是一種提高位能的裝置，根據(jù)用途不同有水泵、氣泵、油泵等。水泵主要是提高水位或增加水壓；氣泵主要是增加氣壓；油泵主要是用于供油系統(tǒng)和油壓設(shè)備。人們使用的打氣筒也是一種簡單的注復(fù)式氣泵。這些泵都是對接觸的物質(zhì)直接作功。

“熱”不是物質(zhì)，而是能，廣泛的存在于自然界中的各類質(zhì)的物體中，這些物質(zhì)，我們認為是熱的載體，載體可以是固體（如金屬）、液體（如水）、也可以是氣體。熱的傳遞方式有對流、傳導(dǎo)和輻射。“熱”必須通過載體攜帶并傳遞，不同載體主要傳遞方式不同。熱泵顧名思義就是泵熱的裝置。按照新的國際制冷辭典的定義，熱泵是以冷凝器放出熱量來供熱的制冷系統(tǒng)。熱泵按工作原理可以分為蒸氣壓縮式、氣體壓縮式、蒸氣噴射式、吸收式、電熱式、半導(dǎo)體式和電化學(xué)式多種。而目前應(yīng)用最普遍的應(yīng)當(dāng)是蒸氣壓縮式熱泵。它的工作主要是靠電力驅(qū)動的壓縮機使熱泵工質(zhì)在壓縮機、熱交換器、節(jié)流裝置等部件組成的閉合回路系統(tǒng)中進行循環(huán)，通過工質(zhì)狀態(tài)的相變，將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能。低端吸熱制冷，高端放熱制熱，周而復(fù)始的循環(huán)得到的是制冷又制熱的雙重效應(yīng)，目前較多的應(yīng)用于冷暖空調(diào)。

熱泵系統(tǒng)的工作原理。蒸發(fā)器吸收熱后，其工質(zhì)蒸發(fā)生成的高溫低壓過熱氣體在壓縮機中經(jīng)絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，經(jīng)冷凝器定壓冷凝為低溫高壓液體（放出汽化熱，而制熱）。液態(tài)工質(zhì)經(jīng)降壓絕熱節(jié)流為低溫低壓液體，再進入蒸發(fā)器定壓吸收熱源熱量，并蒸發(fā)變成過熱蒸氣重復(fù)下一個循環(huán)。所以利用熱泵熱水機釋放到水中的熱量不是直接用電加熱產(chǎn)生出來的，而是通過熱泵熱水機把熱源搬運到水中去的。

利用少量高品位的電能作為驅(qū)動能源，從低溫?zé)嵩锤咝盏推肺粺崮懿鬏斀o高溫?zé)嵩矗_到了“泵熱”的目的。熱泵技術(shù)也是一種提高能量品位的技術(shù)，它不是能量轉(zhuǎn)換的過程，不受能量轉(zhuǎn)換效率極限1００％的制約，而是受逆卡諾循環(huán)效率的制約。其搬運的能力與投入熱泵的電能之比稱為制熱性能系數(shù)又稱能效比（用ＣＯＰ來表示）。

其理論效率為:(工作溫度＋273)/溫升△T。當(dāng)工作溫度25℃,△T為20℃時，理論制熱系數(shù)就可以達到COP理＝15。

但是實際當(dāng)中，電動機效率＝0.95，壓縮機效率＝0.8，換熱器效率＝0.9，系統(tǒng)效率＝0.8，則總效率為0.95×0.8×0.9×0.8=0.55.COP實＝15×0.55=8.25.

這就是說投入1KW的電能來搬運熱量，理想最高可以搬運8.25KW的熱量.

三、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)勢

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)就是把空氣作為低品位熱源，通過查閱大量的文獻資料得知與常規(guī)熱水產(chǎn)熱系統(tǒng)相比，空氣源熱水系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1資源豐富。

地球上百分之九十幾的能量是來自太陽的，太陽能數(shù)量巨大，且取之不盡用之不竭，一系列的常規(guī)能源，譬如煤炭、石油都是太陽能長期轉(zhuǎn)換的結(jié)果，而這只是相當(dāng)小的一部分能量。另外一大部分能量都以地流熱、輻射熱等形式存在于空氣中。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)就是將空氣中的這些熱量和其他低溫?zé)嵩粗袩o法利用的潛熱及工業(yè)排放的廢熱通過泵搬運到水中去，從而使水變熱。

2技術(shù)的日趨成熟。

國際上美國空氣源熱泵熱水器已經(jīng)有20多年歷史了，澳大利亞也在15年前就開始研制同類產(chǎn)品，國內(nèi)雖然起步較晚，但在國家重點扶持和科研、生產(chǎn)部們的不斷努力下，目前空氣源熱泵熱水機的生產(chǎn)已初具規(guī)模，部分廠家產(chǎn)品已達到或超過國際先進水平，空氣源熱泵熱水機的產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品質(zhì)量的提高，為我們的嘗試提供了條件。

3優(yōu)越的經(jīng)濟性。

空氣源熱水系統(tǒng)利用很少的電搬運幾倍的熱量，年節(jié)約率高達80%以上。

4良好的實用性。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)采用的是容積式儲熱方式，在短時停電停水的情況下可連續(xù)供熱水，且費用低于常規(guī)熱水系統(tǒng)，連續(xù)供水還可減少管道腐蝕，延長管道壽命并保證水質(zhì)清潔。

5無以倫比的環(huán)境效益。

空氣源熱能是無污染能源，這是其它能源所無法比擬的，在環(huán)境污染日趨嚴重的今天，這一點更為重要。

四、系統(tǒng)方案論證與實施

1、系統(tǒng)方案的論證

熱泵熱水機組必須由主機和水箱，循環(huán)泵組成，通過循環(huán)把主機產(chǎn)熱帶入水箱，對水箱的水逐漸升溫加熱，水系統(tǒng)的工作情況，直接影響到整體效果，所以我們稱之謂熱泵熱水系統(tǒng)。常用的系統(tǒng)有直接大循環(huán)式和定溫放水式兩種不同形式。直接大循環(huán)又有一次加水加熱放水和不間斷使用補水兩種。定溫放水由加熱水箱和儲熱水箱組成，加熱水箱有不承壓定溫完全放水和承壓不間斷自動補水頂水放水式兩種。這些系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，我們分析了熱泵熱水小系統(tǒng)的特性，發(fā)現(xiàn)在加熱的過程中，水溫越低能效比COP值越高，隨著水溫的升高COP值在降低，相同外部工況下同等的水從20℃加熱到50℃時段與50℃升高到60℃時段所耗用的能量接近。最后選用用加熱水箱定溫全放水方式，控制系統(tǒng)雖然較復(fù)雜，但每加熱一箱水都是從冷水初始溫度到設(shè)定溫度全過程加熱充分發(fā)揮熱泵輸入功率隨溫升變化的特點COP值較高，節(jié)能效果明顯。加之冬季機組間斷工作不易結(jié)霜。

2、改造的目標與方向。

有了2噸小機組過冬的數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)，在賓館領(lǐng)導(dǎo)的決策下，我們首先選定了賓館職工浴室與食堂用熱水作為節(jié)能改造的方向；目標是結(jié)合浴室采用智能磁卡系統(tǒng)與利用夜間低價谷電，力爭使節(jié)能改造后年平均綜合節(jié)約率達80%（詳見下表）。

節(jié)能改造前節(jié)能改造后節(jié)省量

浴室日用熱水（噸）503515

食堂日用熱水（噸）15105

年均熱水費用（元）28.937.021.93

日加熱費用（元）1880.45315.001565.45

年加熱費用（元）686364.25114975.00571389.25

綜合節(jié)約率83.25%

根據(jù)職工浴室與食堂該造后的目標日用熱水量為45T，放10%的容積余量，我們的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的日產(chǎn)熱水能力需達到50T。

3、日產(chǎn)熱水量為50T，通過查閱該公司產(chǎn)品資料再結(jié)合實際情況，春夏秋三季環(huán)境溫度和入水溫度比較高，上海地區(qū)最高氣溫達35℃，按平均環(huán)境溫度為25℃，入水溫度為20℃時，10匹機每小時產(chǎn)60℃熱水750L，用8臺10匹機工作8.5小時可產(chǎn)60℃熱水50T。冬季氣溫比較低，上海地區(qū)最低氣溫為0℃左右，入水溫度10℃，此時10匹工程機每小時產(chǎn)60℃熱水400L，最惡劣的情況下用8臺10匹機工作16小時可產(chǎn)60℃熱水50T。

無論是鍋爐還是其他形式產(chǎn)生熱水，人們總希望水的溫度越高越好，我們經(jīng)研究才發(fā)現(xiàn)這是一個誤區(qū)，水溫太高水的循環(huán)能力會相應(yīng)減小，一般的水質(zhì)在65℃～85℃之間是強結(jié)垢區(qū)，65℃以下是弱結(jié)垢區(qū)，如果達到85℃以上就會行成堅硬垢，會阻礙熱水系統(tǒng)內(nèi)部的水循環(huán)，影響水溫。國際上生活標準熱水為60℃，洗浴用水為40℃-45℃，利用低水溫，大容量的辦法可以提高系統(tǒng)的效率。所以我們把加熱水箱的排熱水度設(shè)定在56℃，熱泵機組最終停機溫度設(shè)定為58℃。

4、系統(tǒng)方案的實施

由于整個系統(tǒng)方案在前期進行了周密的論證與分析，加之我們賓館又有一支具有多年制冷鍋爐水電管工經(jīng)驗的工程技術(shù)人員隊伍，經(jīng)與公司技術(shù)人員的多方接洽、共同努力，經(jīng)過近一個月的時間，整個改造項目全部完成并投入運行。現(xiàn)在系統(tǒng)全自動運行一切正常。

五、經(jīng)濟價值分析

系統(tǒng)投入運行后，我們在22：00開始到次日7：24記錄了一組水電數(shù)據(jù)如下：（環(huán)境溫度：21℃；進水溫度18℃；出水溫度56℃）

時段耗電電費單價（元）電費（元）

22:00-28日次日6:00396KWh0.267105.74

次日6:00-28日7:2466KWh0.97264.15

小計462KWh169.89

總產(chǎn)熱水量（噸）50.6

平均每噸熱水加熱費用(元)3.36

賓館用水單價為1.2元/噸，排污費為1.5元/噸

則在以上工況下，系統(tǒng)產(chǎn)生每噸熱水的總費用為：3.36＋1.2＋1.5=6.06元

較原來用燃氣鍋爐時每噸熱水費用28.93元節(jié)減了：28.93-6.06=22.87元

夏季的環(huán)境溫度上海最高達35℃，此時進水溫度可達21℃，冬季上海的最低氣可低至-5℃，進水溫度為4℃，但相對時間較短，為此，我們把以上記錄的數(shù)據(jù)作年平均數(shù)據(jù)來計算：

系統(tǒng)每年節(jié)約費用總額為：22.87×50.6×365=42.24萬元

六、結(jié)論

通過對上述工程實例分析，我們可以看出空氣源熱泵熱水機組是一種新型的高效、環(huán)保、安全的節(jié)能產(chǎn)品，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)逐步替代電、燃氣、燃油熱水系統(tǒng)是必然趨勢。該產(chǎn)品可以有效地解決目前國內(nèi)有關(guān)部們對節(jié)約能源、環(huán)保、安全等各方面較棘手的問題，利國利民，值得大力推廣應(yīng)用