1 引言

 

  2006 年2 月16 日, 旨在限制溫室氣體排放、遏制全球變暖的《京都議定書》生效, 大力鼓勵、推廣綠色環(huán)保新能源及其應用產品成為必然的選擇。而能源緊張、拉閘限電、燃氣漲價等問題的凸顯, 喚起了人們對能源戰(zhàn)略應用的重新思考, 同時也將人們的目光引向了新型能源的開發(fā)與利用, 促使傳統(tǒng)的、高能耗的家電產品逐步退出市場。

 

  近兩年來, 用空氣能熱泵制取生活熱水的技術在國內剛剛起步。空氣能熱泵熱水器由于安全、節(jié)能、壽命長、不排放毒氣等諸多優(yōu)點, 以及可以有效解決目前國內有關部門對節(jié)約能源、環(huán)保、安全等各方面較棘手的問題, 而受到社會各方面的廣泛關注。

 

  最近, 由于其在節(jié)能創(chuàng)新方面業(yè)績突出, 熱泵熱水器已經被國家科技部列入“火炬計劃”。

 

  最新調查顯示, 在目前階段下, 空氣能熱泵熱水器可以解決太陽能熱水器在城市發(fā)展的困境, 占有率將在幾年內達到太陽能熱水器的數倍。預計在三至五年市場占有率可望達到10 %～ 20 %, 銷售總額將達到400 億元。在未來5 年內, 空氣能熱泵熱水器將成為中國家庭特別是商品樓房的熱水設備首選產品, 市場前景非常廣闊。

 

  特別是近年來, 如何平衡燃氣與用電量兩種能源結構已經成為政府工作會議頻繁討論的一個議題。以上海、天津為首的一些城市在未來幾年內, 內環(huán)以內的熱水鍋爐設備將逐漸被取締, 市政府職能部門也在大力提倡使用節(jié)能、環(huán)保產品。在這種情況下節(jié)能、環(huán)保的熱泵熱水器是一個最好的選擇。

 

  據了解, 在2008 年北京奧運會奧運村和奧運場館所需要的大量生活熱水供用規(guī)劃中, 也是利用了熱泵技術輔助的加熱系統(tǒng)。

 

  2 運行機理及研發(fā)現狀

 

  空氣能熱泵熱水器主要由類似空調器室外機的熱泵主機和大容量承壓保溫水箱組成, 規(guī)格從0.7kW 至100kW 不等, 可滿足小至家庭、發(fā)廊, 大至學校、賓館、軍營、公共浴室等熱水用量較大的各種用戶的使用要求, 安裝不受建筑物或樓層限制, 使用上也不受氣候條件限制。具有高效節(jié)能、安全環(huán)保、全天候運行、使用方便等諸多優(yōu)點, 其熱效率是電熱水器的4 倍, 燃氣熱水器的4 ～ 6 倍, 在保證使用的前提下, 其效率同樣也高于太陽能熱水器。

 

  一臺壓縮式熱泵裝置, 主要由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和節(jié)流裝置四部分組成, 通過讓工質不斷完成蒸發(fā)(吸取環(huán)境中的熱量) ※壓縮※冷凝(放出熱量)※節(jié)流※再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程, 從而將環(huán)境里的熱量轉移到水中。

 

  熱泵在工作時, 把環(huán)境介質中貯存的能量QA 在蒸發(fā)器中加以吸收;它本身消耗一部分能量, 即壓縮機耗電QB ;通過工質循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進行放熱QC , QC =QA +QB , 由此可以看出, 熱泵輸出的能量為壓縮機做的功QB 和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量QA ;因此, 采用熱泵技術可以節(jié)約大量的電能。

 

  當然, 空氣能熱泵熱水器不是簡單地把熱泵空調器用于采暖的熱變成熱水。產熱水的溫度一般要求在45 ～ 50 ℃,因此它不僅有著在寒冷地區(qū)冬季如何產熱的問題, 還有著在炎熱地區(qū)夏季如何產熱的問題,空氣能熱泵熱水器的典型性能曲線如圖3 所示。

 

  如果空氣能熱泵熱水器從室外空氣中取熱的話,從冷凝溫度、冷凝壓力、蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力以及兩者溫差、壓力差等技術參數與熱泵空調器的對比結果來看:無論是冬季還是夏季, 空氣能熱泵熱水器都要比熱泵空調器的運行工況更不利。如何解決和處理這些技術問題, 已經受到業(yè)內相關人士的廣泛關注。

 

  目前, 主要有兩種解決方案, 一是從室內空氣中吸收熱量。由于室內環(huán)境溫度相對穩(wěn)定, 可以避免結霜現象和蒸發(fā)壓力的大幅波動, 在一定程度上保護了壓縮機, 延長了使用壽命;二是在節(jié)流部分, 采用雙毛細管結構。根據氣候條件, 選擇節(jié)流的毛細管通道, 再通過優(yōu)化控制, 能效比可以達到年平均4.0 的水平, 在冬季-10 ℃的低溫條件下能達到大約2.0 能效比的水平。

 

  3 與傳統(tǒng)熱水器的比較分析

 

  傳統(tǒng)熱水器以燃氣、電和太陽能為主, 燃氣熱水器安全性較差, 燃燒不充分和水壓不穩(wěn)定易造成燃氣中毒和燙傷事件, 電熱水器的漏電隱患和住宅接地不良也對消費者的生命安全造成嚴重威脅, 太陽能熱水器儲水式的特點決定了其在晴天時, 水溫可能很高, 造成燙傷, 陰雨天的電輔助加熱留下安全隱患, 在安裝、使用過程中也存在很多的局限性。而與以上熱水器不同, 空氣能熱泵熱水器是通過壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體加熱水罐中的水, 電主要用于驅動壓縮機, 制熱后的氣體通過外盤式的盤管與搪瓷水罐中的水交換熱量, 水電完全分離, 這樣, 既不存在漏電隱患, 省去了防漏電的煩惱, 也避免了電加熱管表面溫度高, 易結垢并影響加熱效率的弊端, 真正做到了安全可靠。

 

  空氣能熱泵熱水器由于采用了熱泵技術, 可將大量低品位的熱能(空氣中的熱量)通過壓縮機和制冷劑, 轉變?yōu)楦咂肺坏目衫玫?a href="http://www.optool.cn/t/熱能.html" >熱能, 能效比在3.0以上, 即空氣能熱泵熱水器的壓縮機每耗1kWh 電,可產生電加熱消耗3kWh 電產生的熱水, 極大地節(jié)省了能源。

 

  當然, 從初次購買成本來看, 空氣能熱泵熱水器比電熱水器要貴不少。市場調查顯示, 120L 的空氣能熱泵熱水器, 市場價格在3000 ～ 4000 元, 200L 的空氣能熱泵熱水器, 市場價格在7000 ～ 8000 元。但在相同出水量的情況下, 其耗電量僅為電熱水器的1/4 左右。按照120L 容量計算, 空氣能熱泵熱水器每小時耗電為0.56kWh , 普通電熱水器為2kWh , 一戶家庭每年能節(jié)省800 元左右。這筆初期投入預計將在2 年半時間內收回。從投資回收來看, 還是相當合算的。

 

  以120L 、溫度從15 ℃升到55 ℃為例, 我們對幾種熱水器的經濟性做了比較, 可以看出空氣能熱泵熱水器在節(jié)能、環(huán)保方面確實優(yōu)于目前現有的其他熱水器。

 

  4 市場動態(tài)

 

  國內自主研發(fā)技術的空氣能熱泵熱水器2001年開始進入家庭, 之后發(fā)展遲緩, 直至目前, 在市場上幾乎還是一片空白。在近年供電矛盾突出的情況下, 由于其環(huán)保性能突出而獲得國家政策性支持, 市場前景重新被看好。目前, 全國已經有100 多家企業(yè)從事研發(fā)、生產空氣能熱泵熱水器的工作。

 

  現在市場上銷售的空氣能熱泵熱水器, 其主要結構如圖4 所示。大部分生產廠家在基本架構上并沒有較大變動, 技術創(chuàng)新多是基于現有結構上的局部改進。

 

  國內空氣能熱泵熱水器主要有商用和家用兩大系列, 家用系列簡單地講, 可以說是商用系列的小型化產品。除在水箱容量、熱水補償速度、制熱量、機組總重等方面因機組大小而不同之外, 二者在運行工況、出水溫度、COP 以及制冷劑工質的應用等方面并沒有太大差別。目前國內市場上的該類產品種類繁多, 性能不一, 其主要性能指標如下:

 

  ①機組運行的標準工況為環(huán)境溫度20 ℃;

 

  ②允許的工作環(huán)境溫度一般為-10 ～ 40 ℃, 部分產品在5 ～ 40 ℃;③最高出水溫度一般為50 ～ 60 ℃, 進出水溫差一般為35 ～ 40 ℃;④熱效率(COP)一般在300 %～ 600 %, 部分產

 

  品夏季最高可達到700 %～ 800 %;

 

  ⑤制冷劑工質多采用R22 、R134a 、R410a 、R417a ;⑥水箱容量主要有:

 

  家用系列:120L 、150L 、200L 、250L 、300L商用系列:270L 、400L 、480L 、760L 、840L 、1600L值得一提的是2005 年3 月, 首屆中國熱泵行業(yè)研討會的召開, 使得空氣能熱泵熱水器受到了業(yè)內的普遍關注。除了幾十家已有產品投入市場的企業(yè)外, 許多尚未上馬生產的企業(yè)也列席了會議, 其中也包括傳統(tǒng)的空調生產巨頭。

 

  同年7 月, 全國首條規(guī)模生產整體式戶內空氣能熱泵熱水器的總裝生產線在上海建成, 年產量可達到3 萬臺。

 

  這些都充分表明, 目前國內空氣能熱泵熱水器企業(yè)逐步增多, 實力逐漸加強, 在研發(fā)和生產上的投入力度也越來越大。雖然國內市場目前還處于開發(fā)的初級階段, 但是空氣能熱泵熱水器潛在的巨大市場和美好的市場前景正吸引著越來越多企業(yè)的關注和參與。

 

  5 亟待解決的問題

 

  誠然, 國內空氣能熱泵熱水器的市場前景非常看好, 政府相關政策也有所支持, 但是我們還是應該看到, 我們畢竟處于發(fā)展初期, 還有好長一段路要走, 尤其是在市場開發(fā)、技術研發(fā)和行業(yè)標準等方面還存在著相當多的問題。這也是今后空氣能熱泵熱水器在全國范圍推廣必然要面臨和解決的問題。我們應該看到:

 

  (1)空氣能熱泵熱水器在技術上還不是很成熟,特別是節(jié)能方面的關鍵技術, 離產業(yè)化還有一個過程。據了解, 從2004 年開始, 國內不少空氣能熱泵熱水器廠家都推出了多款商用機和家用機, 占據了一定的市場份額, 但是市場拓展的步履還是有些艱難, 現在很多公司基本上是定量生產。

 

  因此, 不論從政府、企業(yè)還是市場方面都應該對環(huán)保、節(jié)能的空氣能熱泵熱水器加強宣傳力度, 加速產業(yè)化進程, 以期得到更廣大消費者的認可。

 

  (2)空氣能熱泵熱水器屬于空調和熱水器的邊緣行業(yè), 對行業(yè)加以規(guī)范就顯得尤為重要。目前的GB/T 18713 -2002《熱水系統(tǒng)設計、安裝及工程驗收技術規(guī)范》還遠不足以監(jiān)管和指導整個市場。在首屆熱泵行業(yè)研討會上, 有關專家估計未來兩三年內空氣能熱泵熱水器的市場將達到上百億元, 巨大的市場吸引了眾多企業(yè)介入, 目前每周都有一兩家企業(yè)投入研發(fā)生產, 其中不乏出現了一些家庭作坊式的廠家, 產品質量、售后服務都無從談起, 嚴重損害了消費者的利益。

 

  2005 年初, 某品牌的空氣能熱泵熱水器為上海某飯店設計用水方案, 根據甲方要求每日提供12t洗浴熱水, 根據冬季5 ℃或0 ℃時工況, 最少要配置3 臺額定制熱水量為400 L/h(40 ℃溫升)的機組以達到用水要求。但該品牌急功近利, 在掌握了甲方的初始投資預算后, 結合空氣能熱泵機組在有利工況下的工作條件, 選配了2 臺機組, 不足部分全部采用電加熱, 結果兩個月運行下來, 共耗電3 萬多kWh , 根本不能滿足用水需求。不但沒起到節(jié)能的效果, 還大大浪費了電能, 增加了運行成本。保溫水箱也只是簡單地在周圍用泡沫板加了一層, 這樣的工程未能得到消費者的認可。很多時候并不是產品不合格, 更多的原因還是設計者急功近利, 沒有顧及消費者的利益, 而一旦出了問題, 消費者的第一反應則是機組有問題, 還不成熟, 會對整個行業(yè)失去信心。

 

  在這種形勢下, 相關的政府職能部門、行業(yè)協(xié)會和企業(yè)應當參與其中, 大到生產設計規(guī)范、安裝技術規(guī)范, 小到能效要求, 都需要成立一個行業(yè)組織集中統(tǒng)籌, 制定一套完善的行業(yè)標準, 對產品和工程實施加以規(guī)范和監(jiān)管, 并使其有效實施, 維護良好的行業(yè)環(huán)境, 共同呵護和培育這一新興的產業(yè)。

 

  (3)空氣能熱泵熱水器需要占據直徑為半米多的一塊空間, 而目前大多數居室廚衛(wèi)設計并沒有為其留下一席之地。因此, 我們應當將空氣能熱泵熱水器納入綠色節(jié)能建筑發(fā)展計劃中, 并且在房屋設計時就為其留下相應的空間, 以使空氣能熱泵熱水器在更大程度上得到推廣和普及。

 

  6 結語

 

  空氣能熱泵熱水器是一項極具開發(fā)和應用潛力的新技術, 具有節(jié)能、環(huán)保、安全的優(yōu)點, 解決了太陽能熱水器依靠陽光采熱和安裝不便的缺點。它在國內市場上剛一出現就顯示出巨大的市場潛力, 在未來5 年內將成為中國家庭特別是商品樓房熱水設備的首選產品。因此成立一個行業(yè)組織, 盡快制定相應的行業(yè)標準, 規(guī)范行業(yè)的發(fā)展秩序, 保護消費者的利益, 已經成為當務之急。同時要加快空氣能熱泵熱水器的產業(yè)化進程, 并且出臺一些相關的優(yōu)惠政策和經濟補貼, 以使產品單價控制在千元左右, 更能為普通市民百姓所接受。

 

  另外, 目前所生產的空氣能熱泵熱水器正常工作的環(huán)境溫度一般為-10 ～ 40 ℃, 對冬季氣溫低于-10 ℃的寒冷北方不太適合, 而且采用空氣能熱泵熱水器加熱用水時對制冷劑的要求也相當高。要解決這些技術難題, 使其得到更廣泛的應用, 還需要在技術研發(fā)方面給予更多政策支持和資金投入。

 

  總的來說, 空氣能熱泵熱水器具有突出的節(jié)能、安全和環(huán)保性能, 有著巨大的市場潛力和美好的發(fā)展前景, 但在行業(yè)監(jiān)管、產業(yè)化進程以及技術研發(fā)等方面也存在著不少問題, 如何妥善解決和處理好這些問題將成為我們今后研究的主要方向。