空气源热泵系统工程实例及经济技术分析

引言
随着经济的发展，能源紧张以及环境保护问题亦日益突出，近年来，上海市的不少宾馆都实施了“煤改气（油、电）”的环保政策，但却造成了洗浴热水费用升高，我们宝山宾馆冬季高峰时单此项费用就高达3万余元每天，如何更多更好地利用自然能源，特别是低品位能源，避免和减少环境污染，缓和能源紧张问题早已是人们所关注的课题。有些宾馆为了降低洗浴热水的成本，安装了真空管式太阳能热水系统，靠太阳光的直射来产热，是解决了环保问题，也相应降低了部分时段的洗浴热水成本，但据上海市近三年的气象资料表明，本市每年有近半年时间为多云与阴雨天，此气候条件下还是要靠电热管辅助加热，而用电直接加热水时的费用比锅炉还高（每吨水温升40℃达30多元），且需提供足够大的楼顶安装采光面积，有一定的局限性。太阳能是大自然赋予人类取之不尽的清洁能源，充分利用它服务于人类的生产、生活，是人们长期以来的愿望。空气源热泵热水系统就是比较理想的太阳潜能（空气能）的利用方式之一，为此，我们宾馆在鹏悅总经理与一班领导层的决策下，责成保障部于中全经理牵头成立了由季建明、任海军、俞明发、叶国亮、张兵等工程技术人员组成的QC攻关小组，于2004年下半年开始进行了这方面的探索。
1.热泵与热泵的工作原理
热泵技术是近年来在全世界备受关注的新能源技术，目前较多地应用于冷暖空调机。日常生活中泵的应用很多。泵是一种提高位能的装置，根据用途不同有水泵、气泵、油泵等。水泵主要是提高水位或增加水压；气泵主要是增加气压；油泵主要是用于供油系统和油压设备。人们使用的打气筒也是一种简单的注复式气泵。这些泵都是对接触的物质直接作功。
“热”不是物质，而是能，广泛的存在于自然界中的各类质的物体中，这些物质，我们认为是热的载体，载体可以是固体（如金属）、液体（如水）、也可以是气体。热的传递方式有对流、传导和辐射。“热”必须通过载体携带并传递，不同载体主要传递方式不同。热泵顾名思义就是泵热的装置。按照新的国际制冷辞典的定义，热泵是以冷凝器放出热量来供热的制冷系统。热泵按工作原理可以分为蒸气压缩式、气体压缩式、蒸气喷射式、吸收式、电热式、半导体式和电化学式多种。而目前应用最普遍的应当是蒸气压缩式热泵。它的工作主要是靠电力驱动的压缩机使热泵工质在压缩机、热交换器、节流装置等部件组成的闭合回路系统中进行循环，通过工质状态的相变，将低品位热能转化为高品位热能。低端吸热制冷，高端放热制热，周而复始的循环得到的是制冷又制热的双重效应，目前较多的应用于冷暖空调。
热泵系统的工作原理。蒸发器吸收热后，其工质蒸发生成的高温低压过热气体在压缩机中经绝热压缩变为高温高压的气体，经冷凝器定压冷凝为低温高压液体（放出汽化热，而制热）。液态工质经降压绝热节流为低温低压液体，再进入蒸发器定压吸收热源热量，并蒸发变成过热蒸气重复下一个循环。所以利用热泵热水机释放到水中的热量不是直接用电加热产生出来的，而是通过热泵热水机把热源搬运到水中去的。
利用少量高品位的电能作为驱动能源，从低温热源高效吸收低品位热能并传输给高温热源，达到了“泵热”的目的。热泵技术也是一种提高能量品位的技术，它不是能量转换的过程，不受能量转换效率极限1００％的制约，而是受逆卡诺循环效率的制约。其搬运的能力与投入热泵的电能之比称为制热性能系数又称能效比（用ＣＯＰ来表示）。
其理论效率为:(工作温度＋273)/温升△T。当工作温度25℃,△T为20℃时，理论制热系数就可以达到COP理＝15。
但是实际当中，电动机效率＝0.95，压缩机效率＝0.8，换热器效率＝0.9，系统效率＝0.8，则总效率为0.95×0.8×0.9×0.8=0.55.COP实＝15×0.55=8.25.
这就是说投入1KW的电能来搬运热量，理想最高可以搬运8.25KW的热量.
2.空气源热泵热水系统的优势
空气源热泵热水系统就是把空气作为低品位热源，通过查阅大量的文献资料得知与常规热水产热系统相比，空气源热水系统具有以下优势：
2.1资源丰富。地球上百分之九十几的能量是来自太阳的，太阳能数量巨大，且取之不尽用之不竭，一系列的常规能源，譬如煤炭、石油都是太阳能长期转换的结果，而这只是相当小的一部分能量。另外一大部分能量都以地流热、辐射热等形式存在于空气中。空气源热泵热水系统就是将空气中的这些热量和其他低温热源中无法利用的潜热及工业排放的废热通过泵搬运到水中去，从而使水变热。
2.2技术的日趋成熟。国际上美国空气源热泵热水器已经有20多年历史了，澳大利亚也在15年前就开始研制同类产品，国内虽然起步较晚，但在国家重点扶持和科研、生产部们的不断努力下，目前空气源热泵热水机的生产已初具规模，部分厂家产品已达到或超过国际先进水平，空气源热泵热水机的产业化和产品质量的提高，为我们的尝试提供了条件。
2.3优越的经济性。空气源热水系统利用很少的电搬运几倍的热量，年节约率高达80%以上。
2.4良好的实用性。空气源热泵热水系统采用的是容积式储热方式，在短时停电停水的情况下可连续供热水，且费用低于常规热水系统，连续供水还可减少管道腐蚀，延长管道寿命并保证水质清洁。
2.5无以伦比的环境效益。空气源热能是无污染能源，这是其它能源所无法比拟的，在环境污染日趋严重的今天，这一点更为重要。
3.探索过程
3.1热泵机组的选定
空气源热泵热水机组，顾名思义关键在于热泵。要靠热泵把存在于空气中的低品位热能搬运到水中去来把水加热，一就要求压缩机能承受高温高压；二要求有较大换热表面积的蒸发器，与空气接触的表面积越大，在同等条件下能搬运到的热能就越多，能效就会越高越节能；三是高性能的搬热的工质（也称冷媒），要能在严寒的冬季把寒冷的空气中低品位的热能采集提高搬运到水中去，要求工质的两态（液态与气态）转换温度点要低于-25℃，同时要能产生65℃的热水又要求工质的临界压力要低，否则压力太高对压缩机不利或使压缩机进入高压保护而制不了高温热水。
对照以上三项以及厂家产品的生产工艺、质量保证、售后服务等诸多因素最终选定了由世界太阳能协会理事、中国空气源热泵热水机发起人韩广田老师研发的豪瓦特热泵热水机组，因该厂家机组采用的美国谷轮压缩机和比同行业同类产品增大到1.5倍表面积的蒸发器，特别是该机组采用的是其自己独特配方的混合工质，打破了其他品牌机组用R22或R417等单一工质只能制到55℃热水与适应不了-5℃以下环境的极限，产生65℃热水时压缩机压力为22Kg，其他品牌的同类产品到55℃时压缩机压力就超过此值了。为了慎重起见，我们于厂家联系定在较寒冷的2004年12月初在我们宾馆先安装了一只日产2吨65℃热水的小系统进行过冬论证，到2005年4月得出数据表明：在最恶劣的寒冬用此机组制一吨热水的总费用为7.32元，较用然气锅炉的28.93元节约了近75%。
3.2系统方案论证与实施
3.2.1系统方案的论证
热泵热水机组必须由主机和水箱，循环泵组成，通过循环把主机产热带入水箱，对水箱的水逐渐升温加热，水系统的工作情况，直接影响到整体效果，所以我们称之谓热泵热水系统。常用的系统有直接大循环式和定温放水式两种不同形式。直接大循环又有一次加水加热放水和不间断使用补水两种。定温放水由加热水箱和储热水箱组成，加热水箱有不承压定温完全放水和承压不间断自动补水顶水放水式两种。这些系统各有优缺点，我们分析了2T热泵热水小系统的特性，发现在加热的过程中，水温越低能效比COP值越高，随着水温的升高COP值在降低，相同外部工况下同等的水从20℃加热到50℃时段与50℃升高到60℃时段所耗用的能量接近。最后选用用加热水箱定温全放水方式，控制系统虽然较复杂，但每加热一箱水都是从冷水初始温度到设定温度全过程加热充分发挥热泵输入功率随温升变化的特点COP值较高，节能效果明显。加之冬季机组间断工作不易结霜。
3.2.2改造的目标与方向。
有了2吨小机组过冬的数据与基础，在宾馆领导的决策下，我们首先选定了宾馆职工浴室与食堂用热水作为节能改造的方向；目标是结合浴室采用智能磁卡系统与利用夜间低价谷电，力争使节能改造后年平均综合节约率达80%（详见下表）。
节能改造前节能改造后节省量
浴室日用热水（吨）503515
食堂日用热水（吨）15105
年均热水费用（元）28.937.021.93
日加热费用（元）1880.45315.001565.45
年加热费用（元）686364.25114975.00571389.25
综合节约率83.25%
3.2.3系统的构成。
根据职工浴室与食堂该造后的目标日用热水量为45T，放10%的容积余量，我们的空气源热泵热水系统的日产热水能力需达到50T。
3.2.3.1选用8台豪瓦特JKR-10H热泵工程机组。日产热水量为50T，通过查阅该公司产品资料再结合实际情况，春夏秋三季环境温度和入水温度比较高，上海地区最高气温达35℃，按平均环境温度为25℃，入水温度为20℃时，10匹机每小时产60℃热水750L，用8台10匹机工作8.5小时可产60℃热水50T。冬季气温比较低，上海地区最低气温为0℃左右，入水温度10℃，此时10匹工程机每小时产60℃热水400L，最恶劣的情况下用8台10匹机工作16小时可产60℃热水50T。
豪瓦特产品参数：
型号JKR05HJKR10H
额定输入功率4KW8KW
等效输出制热功率16KW32KW
生产热水温度55～60℃55～60℃
热水补偿速度(环温25℃
进水20℃△t40℃)350L/h750L/h
制热系数标准工况25℃约4标准工况25℃约4
进出水口尺寸G1″G1.5″
设备尺寸820×820×1025mm850×1660×1450mm
设备重量153kg300kg
3.2.3.2一只储热水箱。50T容量(内部分15T与35T独立的两格，35T供宾馆职工浴室15T供食堂)，内层不锈钢板，底板厚度2.0mm,側板厚度1.5～2.0mm,冲压加强成型，内径7m长（分成5m与2m）×3m宽×2.5m高，外层材料玻璃钢板或不锈钢板冲压加强成型，两层中间10cm厚的PE橡塑保温，整体底部8根×4根20号槽钢，在保温层中另加8号槽钢框架。水箱外北側面各带液位显示，水箱顶部分别各内置1套不锈钢蒸气管消音装置，以便备份蒸气锅炉启动时使用。
3.2.3.3两只加热水箱.均为2T容量，?1.28m×2.1m，内外均为不锈钢，中间50mm西班牙聚氨脂填充保温。3台热泵机组对一只加热水箱加热供给15T储热水箱，5台热泵机组对另一只加热水箱加热供给35T储热水箱。
3.2.3.4一只放置于食堂楼顶提高位能的热水储水箱。3T容量，?1.52m×2.1m，内外均为不锈钢，中间50mm西班牙聚氨脂填充保温。
3.2.3.5热水循环泵11只。8台热泵热水机组8套管路中各配用1只，3只小水箱各配用1只。
3.2.3.6电磁阀5只。控制两只2T加热水箱的冷水进水各配用1只，控制加热完出热水到50T大水箱的配用3只。
3.2.3.7系统总电控柜1只。控制70KVA负荷能力；具有漏电、缺相、错相、过载保护功能；显示和控制两只加热水箱与15T、35T储热水箱的水温；显示和控制15T、35T储热水箱的水位；
3.2.4系统的工作原理。
3.2.5系统各环节水温的设定。(省略)
无论是锅炉还是其他形式产生热水，人们总希望水的温度越高越好，我们经研究才发现这是一个误区，水温太高水的循环能力会相应减小，一般的水质在65℃～85℃之间是强结垢区，65℃以下是弱结垢区，如果达到85℃以上就会行成坚硬垢，会阻碍热水系统内部的水循环，影响水温。国际上生活标准热水为60℃，洗浴用水为40℃-45℃，利用低水温，大容量的办法可以提高系统