空氣能熱泵熱水器的現狀及展望

  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(shū)》生效, 大力鼓勵、推廣綠色環(huán)保新能源及其應用產(chǎn)品成為必然的選擇。而能源緊張、拉閘限電、燃氣漲價(jià)等問(wèn)題的凸顯, 喚起了人們對能源戰略應用的重新思考, 同時(shí)也將人們的目光引向了新型能源的開(kāi)發(fā)與利用, 促使傳統的、高能耗的家電產(chǎn)品逐步退出市場(chǎng)。

 

  近兩年來(lái), 用空氣能熱泵制取生活熱水的技術(shù)在國內剛剛起步。空氣能熱泵熱水器由于安全、節能、壽命長(cháng)、不排放毒氣等諸多優(yōu)點(diǎn), 以及可以有效解決目前國內有關(guān)部門(mén)對節約能源、環(huán)保、安全等各方面較棘手的問(wèn)題, 而受到社會(huì )各方面的廣泛關(guān)注。

 

  最近, 由于其在節能創(chuàng )新方面業(yè)績(jì)突出, 熱泵熱水器已經(jīng)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(yáng)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(yáng)能熱水器的數倍。預計在三至五年市場(chǎng)占有率可望達到10 %～ 20 %, 銷(xiāo)售總額將達到400 億元。在未來(lái)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(chǎn)品, 市場(chǎng)前景非常廣闊。

 

  特別是近年來(lái), 如何平衡燃氣與用電量?jì)煞N能源結構已經(jīng)成為政府工作會(huì )議頻繁討論的一個(gè)議題。以上海、天津為首的一些城市在未來(lái)幾年內, 內環(huán)以?xún)鹊臒崴仩t設備將逐漸被取締, 市政府職能部門(mén)也在大力提倡使用節能、環(huán)保產(chǎn)品。在這種情況下節能、環(huán)保的熱泵熱水器是一個(gè)最好的選擇。

 

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

 

  2 運行機理及研發(fā)現狀

 

  空氣能熱泵熱水器主要由類(lèi)似空調器室外機的熱泵主機和大容量承壓保溫水箱組成, 規格從0.7kW 至100kW 不等, 可滿(mǎn)足小至家庭、發(fā)廊, 大至學(xué)校、賓館、軍營(yíng)、公共浴室等熱水用量較大的各種用戶(hù)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。具有高效節能、安全環(huán)保、全天候運行、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn), 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(yáng)能熱水器。

 

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

 

  熱泵在工作時(shí), 把環(huán)境介質(zhì)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(guò)工質(zhì)循環(huán)系統在冷凝器中進(jìn)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(shù)可以節約大量的電能。

 

  當然, 空氣能熱泵熱水器不是簡(jiǎn)單地把熱泵空調器用于采暖的熱變成熱水。產(chǎn)熱水的溫度一般要求在45 ～ 50 ℃,因此它不僅有著(zhù)在寒冷地區冬季如何產(chǎn)熱的問(wèn)題, 還有著(zhù)在炎熱地區夏季如何產(chǎn)熱的問(wèn)題,空氣能熱泵熱水器的典型性能曲線(xiàn)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(huà),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(shù)參數與熱泵空調器的對比結果來(lái)看:無(wú)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(shù)問(wèn)題, 已經(jīng)受到業(yè)內相關(guān)人士的廣泛關(guān)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)境溫度相對穩定, 可以避免結霜現象和蒸發(fā)壓力的大幅波動(dòng), 在一定程度上保護了壓縮機, 延長(cháng)了使用壽命;二是在節流部分, 采用雙毛細管結構。根據氣候條件, 選擇節流的毛細管通道, 再通過(guò)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 與傳統熱水器的比較分析

 

  傳統熱水器以燃氣、電和太陽(yáng)能為主, 燃氣熱水器安全性較差, 燃燒不充分和水壓不穩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(yáng)能熱水器儲水式的特點(diǎn)決定了其在晴天時(shí), 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(guò)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(guò)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(dòng)壓縮機, 制熱后的氣體通過(guò)外盤(pán)式的盤(pán)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(shù), 可將大量低品位的熱能(空氣中的熱量)通過(guò)壓縮機和制冷劑, 轉變?yōu)楦咂肺坏目衫玫?a href="http://keyinmall.com/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(chǎn)生電加熱消耗3kWh 電產(chǎn)生的熱水, 極大地節省了能源。

 

  當然, 從初次購買(mǎi)成本來(lái)看, 空氣能熱泵熱水器比電熱水器要貴不少。市場(chǎng)調查顯示, 120L 的空氣能熱泵熱水器, 市場(chǎng)價(jià)格在3000 ～ 4000 元, 200L 的空氣能熱泵熱水器, 市場(chǎng)價(jià)格在7000 ～ 8000 元。但在相同出水量的情況下, 其耗電量?jì)H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(shí)耗電為0.56kWh , 普通電熱水器為2kWh , 一戶(hù)家庭每年能節省800 元左右。這筆初期投入預計將在2 年半時(shí)間內收回。從投資回收來(lái)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(jīng)濟性做了比較, 可以看出空氣能熱泵熱水器在節能、環(huán)保方面確實(shí)優(yōu)于目前現有的其他熱水器。

 

  4 市場(chǎng)動(dòng)態(tài)

 

  國內自主研發(fā)技術(shù)的空氣能熱泵熱水器2001年開(kāi)始進(jìn)入家庭, 之后發(fā)展遲緩, 直至目前, 在市場(chǎng)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(chǎng)前景重新被看好。目前, 全國已經(jīng)有100 多家企業(yè)從事研發(fā)、生產(chǎn)空氣能熱泵熱水器的工作。

 

  現在市場(chǎng)上銷(xiāo)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(chǎn)廠(chǎng)家在基本架構上并沒(méi)有較大變動(dòng), 技術(shù)創(chuàng )新多是基于現有結構上的局部改進(jìn)。

 

  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(jiǎn)單地講, 可以說(shuō)是商用系列的小型化產(chǎn)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(zhì)的應用等方面并沒(méi)有太大差別。目前國內市場(chǎng)上的該類(lèi)產(chǎn)品種類(lèi)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(chǎn)品在5 ～ 40 ℃;③最高出水溫度一般為50 ～ 60 ℃, 進(jìn)出水溫差一般為35 ～ 40 ℃;④熱效率(COP)一般在300 %～ 600 %, 部分產(chǎn)

 

  品夏季最高可達到700 %～ 800 %;

 

  ⑤制冷劑工質(zhì)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(huì )的召開(kāi), 使得空氣能熱泵熱水器受到了業(yè)內的普遍關(guān)注。除了幾十家已有產(chǎn)品投入市場(chǎng)的企業(yè)外, 許多尚未上馬生產(chǎn)的企業(yè)也列席了會(huì )議, 其中也包括傳統的空調生產(chǎn)巨頭。

 

  同年7 月, 全國首條規模生產(chǎn)整體式戶(hù)內空氣能熱泵熱水器的總裝生產(chǎn)線(xiàn)在上海建成, 年產(chǎn)量可達到3 萬(wàn)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(shí)力逐漸加強, 在研發(fā)和生產(chǎn)上的投入力度也越來(lái)越大。雖然國內市場(chǎng)目前還處于開(kāi)發(fā)的初級階段, 但是空氣能熱泵熱水器潛在的巨大市場(chǎng)和美好的市場(chǎng)前景正吸引著(zhù)越來(lái)越多企業(yè)的關(guān)注和參與。

 

  5 亟待解決的問(wèn)題

 

  誠然, 國內空氣能熱泵熱水器的市場(chǎng)前景非?？春? 政府相關(guān)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(cháng)一段路要走, 尤其是在市場(chǎng)開(kāi)發(fā)、技術(shù)研發(fā)和行業(yè)標準等方面還存在著(zhù)相當多的問(wèn)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(wèn)題。我們應該看到:

 

  (1)空氣能熱泵熱水器在技術(shù)上還不是很成熟,特別是節能方面的關(guān)鍵技術(shù), 離產(chǎn)業(yè)化還有一個(gè)過(guò)程。據了解, 從2004 年開(kāi)始, 國內不少空氣能熱泵熱水器廠(chǎng)家都推出了多款商用機和家用機, 占據了一定的市場(chǎng)份額, 但是市場(chǎng)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(chǎn)。

 

  因此, 不論從政府、企業(yè)還是市場(chǎng)方面都應該對環(huán)保、節能的空氣能熱泵熱水器加強宣傳力度, 加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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)加以規范就顯得尤為重要。目前的GB/T 18713 -2002《熱水系統設計、安裝及工程驗收技術(shù)規范》還遠不足以監管和指導整個(gè)市場(chǎng)。在首屆熱泵行業(yè)研討會(huì )上, 有關(guān)專(zhuān)家估計未來(lái)兩三年內空氣能熱泵熱水器的市場(chǎng)將達到上百億元, 巨大的市場(chǎng)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(chǎn), 其中不乏出現了一些家庭作坊式的廠(chǎng)家, 產(chǎn)品質(zhì)量、售后服務(wù)都無(wú)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(shí)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(gè)月運行下來(lái), 共耗電3 萬(wàn)多kWh , 根本不能滿(mǎn)足用水需求。不但沒(méi)起到節能的效果, 還大大浪費了電能, 增加了運行成本。保溫水箱也只是簡(jiǎn)單地在周?chē)门菽寮恿艘粚? 這樣的工程未能得到消費者的認可。很多時(shí)候并不是產(chǎn)品不合格, 更多的原因還是設計者急功近利, 沒(méi)有顧及消費者的利益, 而一旦出了問(wèn)題, 消費者的第一反應則是機組有問(wèn)題, 還不成熟, 會(huì )對整個(gè)行業(yè)失去信心。

 

  在這種形勢下, 相關(guān)的政府職能部門(mén)、行業(yè)協(xié)會(huì )和企業(yè)應當參與其中, 大到生產(chǎn)設計規范、安裝技術(shù)規范, 小到能效要求, 都需要成立一個(gè)行業(yè)組織集中統籌, 制定一套完善的行業(yè)標準, 對產(chǎn)品和工程實(shí)施加以規范和監管, 并使其有效實(shí)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(chǎn)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設計并沒(méi)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能建筑發(fā)展計劃中, 并且在房屋設計時(shí)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(yǔ)

 

  空氣能熱泵熱水器是一項極具開(kāi)發(fā)和應用潛力的新技術(shù), 具有節能、環(huán)保、安全的優(yōu)點(diǎn), 解決了太陽(yáng)能熱水器依靠陽(yáng)光采熱和安裝不便的缺點(diǎn)。它在國內市場(chǎng)上剛一出現就顯示出巨大的市場(chǎng)潛力, 在未來(lái)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(chǎn)品。因此成立一個(gè)行業(yè)組織, 盡快制定相應的行業(yè)標準, 規范行業(yè)的發(fā)展秩序, 保護消費者的利益, 已經(jīng)成為當務(wù)之急。同時(shí)要加快空氣能熱泵熱水器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程, 并且出臺一些相關(guān)的優(yōu)惠政策和經(jīng)濟補貼, 以使產(chǎn)品單價(jià)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(chǎn)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(shí)對制冷劑的要求也相當高。要解決這些技術(shù)難題, 使其得到更廣泛的應用, 還需要在技術(shù)研發(fā)方面給予更多政策支持和資金投入。

 

  總的來(lái)說(shuō), 空氣能熱泵熱水器具有突出的節能、安全和環(huán)保性能, 有著(zhù)巨大的市場(chǎng)潛力和美好的發(fā)展前景, 但在行業(yè)監管、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程以及技術(shù)研發(fā)等方面也存在著(zhù)不少問(wèn)題, 如何妥善解決和處理好這些問(wèn)題將成為我們今后研究的主要方向。