[科普中国]-热泵热水系统

简介

作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，使用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的 1/3 或更低，这也是热泵的节能特点。

热泵与制冷的原理、系统设备组成及功能是一样的，对蒸气压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成：压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；膨胀阀或节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量2。

根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断的从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。热泵是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中取热，此时从环境取热的对象称为热源；相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷源。蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。这样热泵或制冷机根据与环境换热介质的不同，可分为水—水式，水—空气式，空气—水式，和空气—空气式共四类。

由于热泵具有节能、环保、节约资源等优点，所以热泵有很好的发展前景，但目前热泵用于热水生产的技术和市场还不规范，缺乏相关标准；同时，在经营过程中，大多数厂商把热泵当作热水机来经营，一卖了事。这样用户在使用时存在节能不显著，冬季产水能力差，COP 低等许多问题。为了促进热泵热水产业的快速健康发展，研究热泵热水系统的特性，对其进行改造和优化也就成了一个重要的话题。

热泵热水技术热泵热水技术是基于热泵技术之上的一种热水供应方式，它最早出现在 20 世纪 50 年代。能源危机之后，热泵热水系统得到了较大的发展，在很多发达国家已经形成了一定的市场规模。在美国，热泵热水器自 1988 年问世以来发展很快，目前已占据了热水器市场份额的 38%左右。现在大约有近 300 万台同类设备在欧美各国运行使用。在东南亚、澳大利亚等一些国家的宾馆、学校和企事业单位，提供 60℃热水的 75%采用空气源热泵热水器。
所谓热泵就是以水或空气为热源，通过使用冷冻剂（在热泵中通过其状态变化吸收和释放热量，并通过其循环传递热量，如氨、氟利昂、溴化锂等）使热的移动发生逆转，亦即使热从低温向高温进行移动的机械装置。热泵可以按照其用途、热量输出、热源类型和驱动功形式等分为不同类型的热泵，如按照驱动功形式可以分为压缩式热泵、吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵和热电热泵等不同类型的热泵3。

热泵技术是“开发和强化高质能源利用率的重要手段”，同时也是“获得可再生能源及维护生态平衡的有效途径之一”。热泵作为一种高效节能的制热装置，其制热效率通常可以达到 400%以上，远远高于电热效率的95% ～ 98%。热泵技术已经越来越受到全世界的关注，因为热泵可以利用自然界的低品味能源（如空气、地表水、地下水、土壤等）作为其冷热源，还可以回收建筑内部的热量以及各种余热，这些热源的温度较低，一般工业过程和生活中很难利用，可是通过热泵却可以提升品位，向生活和生产过程提供有用的热量。而且热泵以电力驱动，采用热泵原理吸收室外或大地的热量供热，消除了使用常规锅炉供暖中造成的环境污染，因而是一种清洁、高效、节能的空调产品。由此可见，热泵技术是一种能够有效节省能源、减少大气污染和 CO2等温室效应气体排放的供热、空调新技术。

将热泵技术和给水排水相联系，形成了两个学科的交叉，即热泵热水技术。 热泵系统取热范围广泛，能量取自天然冷热源时，不同类型的冷热源对热泵机组的性能会有不同的影响，这取决于不同冷热源其自身的的特点以及适用性。

各种天然冷热源都有其优点和局限性，因此针对不同地区不同应用条件都应综合考虑各种因素，以确定最佳冷热源类型。在我国中南部冬冷夏热地区，如果空调建筑物附近有可利用的海、湖、水池或人工湖，在考证水源的可靠性并采取适当措施改善水质的前提下，地表水将可能成为理想的热泵热水系统热源。另一方面，对于一般的宾馆建筑，使用水源热泵且不受当地水源资源的限制，比如从现代建筑中不可或缺的生活水池、消防水池中取热，辅助空气源热泵热水机组，使其即使在最不利工况下仍能保证热泵热水系统的正常工作，都是值得探讨的问题。

国内外热泵热水系统的研究应用进展目前将热泵用于制取热水常见的做法是热泵热水机，即单台的热泵热水机组针对单个房间或者一户供应热水。常规热泵热水器在欧美等高能耗国家已经很普及，甚至在南非等发展中国家的热水器市场已经占有 16%的份额；国内户用热泵热水器也有产品报道，热泵技术作为大型热水供应系统的研究和推广有待深化和完善。

国外研究应用进展上世纪 70 年代以来，世界能源形势变得比较严峻，能量大量而又广泛的应用带来的环境问题已日益加剧，许多国家加大了对能源技术，特别是可再生能源技术的政策支持力度。上世纪 90 年代，澳大利亚、以色列等国通过法令，要求新建住宅必须配备太阳能热水器；1994 年日本实施“日光计划”；1997 年，美国实施“100万太阳能屋顶发电计划”；1999 年德国实施“10 万套屋顶光伏电计划”等等。发达工业化国家在上世纪 90 年代初开始也加大了对热泵技术的支持力度，热泵热水器已占相当的市场份额。

国内外学者对热泵热水系统进行了全面的研究，旨在进一步提高系统的运行性能。研究方向多集中在高效压缩机的设计与选用、太阳能热泵热水系统的研究、热泵热水系统中制冷工质的替代、除霜研究以及热泵热水系统中水箱的研究与设计等方面4。

P．Heyl 等设计的膨胀压缩机像自由活塞器一样运行，它包括两个双效活塞、通过活塞秆连接起来，两个气缸构成了四个工作容积、分为两个压缩容积和两个膨胀容积。每个活塞将气缸分为压缩和膨胀容积。这项设计转换简单、损失小、原理简单、经济性好而又结构紧凑，制冷剂带少量润滑油即可运行。Fagerli 等设计的单缸小封闭式压缩机部分地采用了传统的 R22 压缩机的结构，其等熵效率比R22 压缩机低 9%－15%，容积效率要低 5%。Suzai 等开发了双级封闭式活塞压缩机，其容量为 750W，在相同壁厚的情况下，使用高强度钢能承受 25MPa 的压力。日本松下公司在 R410A 涡旋压缩机的基础上开发了 CO2压缩机，排气容积为71.23cm3，可是压缩机的制冷量达到 2.15～5.10kw，压缩机容积效率可达 70%～80%，而压缩机效率只有 45%左右。

Hasegawa 等人对涡旋压缩机（制冷量 4.3kw）进行了研究，结果表明能效不高，仅为 47%，单容积效率却达 87%。Hasegawa等人提出了两级复叠压缩式热泵热水系统，对于 65℃的供水温度，系统 COP 值为3.73。

热泵热水系统的冷凝器多以沉浸式盘管的形式置于储水箱内，而系统水箱内水温是随着时间的增长而升高的。水温升高、冷凝压力随之升高，所以冷凝器的结构形式对热泵热水系统的性能非常重要。国内外的研究主要通过改进冷凝器的结构形式、制冷工质流动方向、采用高效的冷凝盘管等手段，来提高热泵热水系统的性能。同时指出，水箱内温度是分层分布的，这种分层现象受水箱的尺寸、冷凝盘管形式以及进出口水流量等因素影响，也引起了研究者的注意。Chen，Fang C 等对一热泵热水器箱内温度分布进行了CFD模拟和实验研究，作者发现当水箱内冷凝盘管的形式为U型管时，水箱中存在着温度分层现象，水箱顶部和底部的温差可达到16℃。而当盘管形式为L型管时，水温的分层现象就消失了。Minsung Kim等对一空气源热泵热水系统的热力学性质进行了研究。在对压缩机和水箱的处理上采用了集总参数模型。研究发现在不同的水箱容积条件下，系统的运行参数随着水温升高的变化是不同的。水箱越小，则系统性能降低的幅度就越大。当然水箱的容积越大则热损失越大，因此作者认为在对一具体的热泵热水系统设计中应有一个最佳的水箱容积。

国内研究应用进展热泵热水系统循环工质的替代，由基于提高性能转换到基于环保上来，由基于无臭氧破坏到同时满足臭氧保护和阻止全球变暖的双重需要上来。世界各国学者对无环害的混合工质及自然工质进行了大量的研究。

热泵技术的研究及应用在我国起步较早，早在 60 年代，我国开发了窗式热泵空调器，但由于当时我国能源价格的特殊性，以及一些其它因素的影响，热泵技术在我国的应用和发展始终很缓慢。直到 80 年代初才开发了分体式热泵空调器。到了 90 年代，热泵技术得到了空前的发展，先后开发了整体式风冷热泵冷热水机组、模块式风冷热泵冷热水机组、水源热泵等。到了最近几年，空气源热泵冷热水机组市场已是空前的繁荣，生产厂家已由 1995 年的十几家发展到现在的 40 多家，产品规格非常齐全。不过上述说明都是热泵在暖通空调中的应用，而利用热泵技术来制取生活热水的“空气源热泵型热水机组”，是最近几年才在我国兴起的中央热水设备5。

空气源热泵热水机在2002年前后自中国南方广东登陆，迅速席卷学校、医院、工厂、酒店和体育场馆等场合下的60℃以下热水市场，曾经因为节能、环保特性在广东教育系统市场占有率高达80%的太阳能热水系统在市场的份额迅速下降。典型工程如深圳外国语学校、北京市府大学珠海校区等等，逼得广东各个太阳热水器生产厂家不得不匆匆上马热泵项目，技术成熟与否顾不及，市场不等人。

2005年3月，首届中国热泵行业研讨会的召开，使得空气能热泵热水器受到了普遍关注。2005年7月，全国首条规模生产整体式户内空气能热泵热水器的总装生产线在上海建成，年生产量可达到3万台。 苏州大学文正学院原有10台锅炉，全部使用0号柴油。由于0号柴油的市场价格随国际油价上涨一路攀升，使得学校在财政上的支付一路攀升。权衡考虑采用空气源热泵代替燃油锅炉作为中央热水系统的加热设备，取得了很好的经济和环保价值
。

水源热泵技术在我国的应用刚刚开始，所以从水源热泵机组的选择到整个管网系统设计与施工，还需要不断的探索和完善。陈观生等通过对水源热泵型家用热水器样机的试验，从节能效果、性能价格以及安装及使用等几个方面分析了该热水器应用的可行性，结果是肯定的。沧州建安通用住宅小区，采用水源热泵供应热水。其生活用水由城市供水管网供给，水温常年稳定在 14℃左右，通过有关部门的认可，以地下水作为水源热泵系统的低位热源。根据建筑物冬季空调热负荷和热水供应系统的设计小时热负荷的和及地下水的出水温度确定取水井两眼，回灌井三眼。

热泵热水系统工作原理热泵热水机工作原理2热泵热水系统通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。一年四季中，热泵热水系统无间断的把空气、地下水、地表水中的热量“取”出来，加热自来水到达一定温度后供给用户作为生活热水使用。室外空气的温度随着季节的变化呈现一个波动很大的有规律的周期性变化，而地下建筑内部空气温度变化波动相应的比较小。地下水的水温或土壤温度随自然地理环境、地质条件及循环深度不同而变化，近地表处为变温带，变温带之下的一定深度为恒温带，地下水温或土壤温度不受太阳辐射影响。不同纬度地区的恒温带深度不同，水温范围 10～22℃。恒温带向下，温度随深度增加而升高，升高多少取决于不同地域和不同岩性的地热增温率。通常热泵消耗 1kW 的能量，用户可以得到 4kW 以上的热量或冷量。

热泵热水系统原理利用热泵供热水的基本系统方案有直接加热和间接加热两种方式。

方案一，直接加热方式，是将热泵冷凝器直接置于水箱中加热冷水，与方案二相比少了一个换热设备，因此换热效率相对要大一些，能达到的最高水温也要高一点。储热水箱须和热泵组合在一起，不适于现有热泵的改装，供应热水需水泵提供动力，一定程度上增加了系统耗电量和噪声。

方案二，间接加热方式，是先把冷凝器的热量传给中间介质——循环水，再由循环水通过盘管加热水箱中的生活用水。系统多了一个换热设备。间接换热有热损失，这在一定程度上降低了整个系统的加热效率。

方案三，混合型加热方式，用一个水泵强制水箱里的水循环流经冷凝器，加强换热效率。

热泵热水生产系统的种类常规热泵热水器，包括地源热泵、水源热泵、空气源热泵等几种机械压缩式热泵形式，作为空调技术，其应用已经很普遍应用于热泵热水系统按设备取热热源的不同此处将热泵热水系统分如下四种2：

空气源热泵热水系统利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较广泛。空气源热泵热水系统是以空气作为热源，通过电能驱动压缩机做功，推动系统中冷媒循环运动，将周围环境空气温度降低，吸收其中的热量，带到输出冷凝端，放出热量来加热冷水的热泵热水系统。其特点有：

1. 热能源于空气，不受气候影响，可以一年四季全天候使用；

2. 占地面积小，安装更简便，不再受居住层次的影响，实现同建筑的一体化；

3. 采用环保工质，无任何废气废水排放，绝对环保；

4. 其最大的优点是更加的经济实惠。

空气热源取之不尽，用之不竭，作为热源有着悠久的历史。目前，我国一些空调器厂均大量生产空气热源的热泵型空调器，但由于热源的限制，其典型应用范围是长江以南地区。在华北地区，冬季平均气温低于0℃，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率较低，几乎无法运行。

水源热泵热水系统利用水作冷热源的热泵，称之为水源热泵。水是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般水源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但由于受水源的限制，水源热泵的应用远不及空气源热泵。

水源热泵技术是将储存于地球表浅层低品位的冷热源（如地下水、湖水、河水）中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，借助热泵原理，通过少量的高位电能输入，高效集中“提取”出来，使低位热能向高位热能转移的一种技术，实现取暖和制冷的功能。而水源热泵热水系统，是将提取出的热量用于加热生活热水。

地源热泵热水系统地热能是指蕴藏在地球内部的巨大的天然热能。其热量来源主要是地球内部岩石和矿物中具有足够丰度、产热率较高、半衰期与地球年龄相当的、多集中在地球表层数百里内的放射性元素衰变所产生的巨大能量。

混合取热型热泵热水系统将上面提到的三种不同的热泵机组，根据当地不同气候、使用条件等采用两种以上的取热方式组成热源的热水系统热源的称为混合取热型热泵热水系统。

热泵热水系统的优势和局限性热泵热水系统的优势（1）显而易见的节能、环保效果2；

（2）可“移峰填谷”，开发低谷用电；

（3）可实现热水、采暖、供冷一体化，提高能源利用率；

（4）便于地热、建筑废热等低品位能源的利用、回收。

热泵热水系统的局限性（1）热泵热水机组不同于传统的换热器，热媒不是蒸汽或者高温水，因此相对来说，冷水温升速度较慢，生产热水的时间较长。同时也就造成所需贮热量，即热水的贮水容积要比传统的换热器大，否则可能会导致用水高峰时热水供应不足。

（2）从技术角度而言，常规热泵热水技术要提供 55℃以上的热水有一定的困难，国内的实验研究在大部分气候条件下不超过 50℃，致使推广受到限制。

（3）热泵热水系统的经济性受到能源政策影响较大，当各种能源价格、环保税率等发生变化时，不同热水供应系统的投资与运行费用的比较随着发生变化。就我国目前能源价格体系而言，热泵系统的初投资最大，运行费用相对于电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉有较明显的经济性，但相对于燃煤锅炉，不具备经济性优势。