熱泵熱水系統(tǒng)經(jīng)濟環(huán)保效益分析
——以高校為例

盧芮欣 北京化工大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 100029

熱泵熱水系統(tǒng)經(jīng)濟環(huán)保效益分析
——以高校為例

盧芮欣 北京化工大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 100029

隨著能源和環(huán)境問題的突顯，我國高校的節(jié)能減排工作也應(yīng)加強，而學(xué)生生活熱水的能耗節(jié)約是其重要方面之一。解決之道要從改變傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)效率和減少污染入手，即要選擇一個高效、節(jié)能、無污染的熱水系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng)相比其他熱水系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟的特性，案例分析表明熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟環(huán)保性明顯，符合國家節(jié)能減排的要求，非常適合作為學(xué)校生活熱水系統(tǒng)。

節(jié)能減排；熱泵；熱水系統(tǒng)；高校；空氣源熱泵；能耗

隨著我國高等教育事業(yè)的發(fā)展，熱水系統(tǒng)作為生活中不可或缺的配套設(shè)施，在每個高校的基礎(chǔ)建設(shè)中起著重要的作用。尤其近年日益增長的能源緊張問題和高校擴張使得高校的能源耗損和經(jīng)營成本逐年上漲，學(xué)生生活熱水耗能是一個重要方面。因此，大力推廣可再生能源，采用一個高效、節(jié)能、無污染的熱水系統(tǒng)，促進高校基礎(chǔ)建設(shè)綠色可持續(xù)發(fā)展，成為我國高校改善現(xiàn)狀的方向之一。

熱泵技術(shù)作為近年來在全世界備受關(guān)注的新能源技術(shù)，可以實現(xiàn)用同一套設(shè)備完成夏季降溫、冬季取暖和生活熱水的制取，同時具有節(jié)能環(huán)保、安全可靠等優(yōu)點。因此，熱泵的推廣和廣泛應(yīng)用不失為緩解污染和能源緊缺的有效途徑，也能很好地解決高校生活熱水的來源和能耗高的問題。

1 熱泵發(fā)展概述

熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低溫?zé)嵩吹臒崮埽?jīng)過電力做功，提供可為人所用的高溫?zé)嵩吹难b置。熱泵的工作原理與壓縮式制冷機一致，都是將外界地溫?zé)崃俊氨谩比霚囟容^高的室內(nèi)。熱泵按具體熱源不同可分為空氣源熱泵和地源熱泵，其中地源熱泵又有土壤源熱泵與水源熱泵。

地源熱泵技術(shù)最早源于1912年瑞士Zoelly的一項專利，如今在北美和歐洲已經(jīng)非常成熟，但其真正的商業(yè)應(yīng)用也不過十幾年的歷史。目前，國際地源熱泵的發(fā)展呈現(xiàn)出研發(fā)體系完備，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范齊全，設(shè)備效率高，系統(tǒng)種類多樣，政府鼓勵措施力度大等特點。熱泵已逐漸成為21世紀(jì)最有效、最有競爭力的空調(diào)技術(shù)。我國對地源熱泵的研究始于上世紀(jì)80年代，近年政府的大力推動使地源熱泵技術(shù)受到了較廣泛的關(guān)注。2005年，地源熱泵技術(shù)被列為建筑業(yè)十項推廣新技術(shù)之一。2006年國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》出臺，并建立專項基金補貼國家級示范項目。我國地源熱泵市場日趨活躍，在近年的新建別墅、商用建筑、公共建筑、政府建筑及學(xué)校中應(yīng)用較為廣泛。

2 熱泵生活熱水系統(tǒng)

2.1 熱泵熱水系統(tǒng)的特點

現(xiàn)有熱水系統(tǒng)的熱源主要有傳統(tǒng)式如以天然氣、煤氣、燃油等為主的燃?xì)鉄崴到y(tǒng)和電熱系統(tǒng)，以及新能源式的太陽能系統(tǒng)和三大熱泵系統(tǒng)。特性對比如表1。

表2 各類熱泵的特點

2.2 各類熱泵的特點比較

熱泵熱水機組通過少量高位電能的輸入，把不能直接利用的低位熱能轉(zhuǎn)化為可以利用的高位能，從而節(jié)約部分高位能。熱泵僅用少量的電能和空氣、水或土壤中的熱量，不使用礦物燃料，無有害氣體排放，熱源清潔可再生，也沒有火災(zāi)、爆炸的危險，技術(shù)基本成熟，十分安全環(huán)保。而且熱泵舒適實用、自動化程度高、使用方便，系統(tǒng)簡單、體積小，還可以實現(xiàn)制冷、供暖、生活熱水的一機多用功能。但是每種熱泵技術(shù)的應(yīng)用都有一定的局限性，在實際工程中究竟采用哪種熱泵系統(tǒng)應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟比較后選取。

空氣源熱泵在夏季高溫和冬季酷寒的天氣時效率大大降低，通常需要電能、太陽能等進行輔助加熱，這種配套使用通常能更有效地實現(xiàn)高質(zhì)量、高性價比、低耗能、低噪音。

土壤是熱泵的一種良好的低溫?zé)嵩矗鼫囟茸兓苄。矣幸欢ㄐ顭嶙饔谩５販啬曜兓鄬τ跉鉁氐难舆t與衰減，使得以土壤作為冷（熱）源既有利于夏季空調(diào)運行時向地下放熱，也有利于冬季供暖運行時從地下吸熱。但土壤源熱泵所要求的地理地質(zhì)情況限制較多。

水源熱泵可以利用的水體主要為地球表面淺層水源，包括地下水或地下河，地表的河流、湖泊、海洋，以及工業(yè)廢水、生活污水、城市污水等。可用水源的溫度較穩(wěn)定，儲存于其中的能源近乎無限。水源熱泵是目前空調(diào)系統(tǒng)中能效比（COP值）最高的制冷制熱方式。但要受到可利用的水源條件、水層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水資源使用政策以及能源結(jié)構(gòu)和價格等因素的限制，不同的水資源利用的成本差異也相當(dāng)大。在應(yīng)用水源熱泵之前必須做詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查和技術(shù)經(jīng)濟性能分析。

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幾種熱泵的特點[1-10]比較見表2。

2.3 常用熱源經(jīng)濟性比較

對比各常用熱源的熱效率可知熱泵的效率最高，如表3。

對于能耗成本的計算，由于各地區(qū)各行業(yè)的電價差異大，油價及煤氣價格也有差別，而且冬夏獲得等溫的水所需熱量也不同，只能引用全年平均概念。以北京地區(qū)每加熱1噸水為例，按溫升40℃計算，則需要熱量1000kg×40℃×1=40000千卡。各熱源能耗及費用一般情況見表4。相比之下，空氣源熱泵熱水器運行費用最低。因此，土壤源熱泵和水源熱泵的運行費用將更低。

3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)應(yīng)用案例

3.1 空氣源熱泵生活熱水系統(tǒng)的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)系統(tǒng)改造成本較高，熱泵系統(tǒng)在新建學(xué)校校區(qū)中應(yīng)用工程較多。下面以某高校A的女浴室電加熱輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)為例分析熱泵熱水系統(tǒng)的節(jié)能效應(yīng)。因地處北方，且為高層公寓集中式熱水供應(yīng)，不具備安裝太陽能的條件，本工程配備電加熱系統(tǒng)作為輔助熱源。

本工程自2005年12月開始投入運行，采用中澳合資山東康特姆新能源有限公司的QHE20-110EC型熱泵熱水器，機組理論壽命8～10年。機組總初投資120萬元人民幣，現(xiàn)共6臺機組。熱泵主機尺寸為每臺1700mm ×100mm×1590mm，制冷劑為R417A，制冷劑最大充注量為每臺6200g，標(biāo)準(zhǔn)制熱量為每臺59.4kW，總最大功率為每臺38.3kW。熱泵室內(nèi)采用水循環(huán)系統(tǒng)，室外用空氣散熱。系統(tǒng)流程如圖1。機組全自動，開啟使用后基本不需要人工管理操作，只需定期清理附著于機器上的毛發(fā)、灰塵，檢修壓縮機、熱泵和線路，調(diào)整溫度即可，省去許多人工費。本工程采用開式冷熱水雙管路上行下給供水方式，熱泵機組底下配有80噸的水箱，每晚加滿涼水，自動開始運轉(zhuǎn)加熱。熱泵將水加熱至50攝氏度，然后自動兌涼水至所需的設(shè)定溫度，一般為夏季38度，冬季42度，春秋40度。每天可供應(yīng)100噸，最多120噸洗浴熱水，可循環(huán)加水。到冬天，氣溫低于零下5攝氏度時，系統(tǒng)將自動開啟輔助電加熱器，和熱泵同時運行。

3.2 節(jié)能減排效果分析

據(jù)實際整體測算，利用空氣源熱泵制取1噸水約耗電10度，電費4.8元，水費4元，加上人工費、維護費等的總成本約10元。對比天然氣熱水系統(tǒng)同等條件制取1噸水需總成本約20～22元，其總體經(jīng)濟性顯而易見。若僅從其運行中的節(jié)能效果來看也是很明顯的。

3.2.1 節(jié)能效果分析。根據(jù)2007到2009三年的實際運行數(shù)據(jù)為例計算得，三年平均每噸水耗電量為10.31度。為便于比較將其按熱值折算為標(biāo)準(zhǔn)煤，我國現(xiàn)行折算標(biāo)準(zhǔn)是1度電折合0.32kg標(biāo)準(zhǔn)煤，每千克標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7000千卡。因此，自來水按年均15℃計算，使用熱泵每加熱一噸洗浴水至50℃需耗標(biāo)準(zhǔn)煤3. 3kg。

若使用天然氣同樣條件加熱一噸水，根據(jù)熱量公式Q=cm·△T，需要35438. 77千卡熱量，按實際熱值需要5.21m3，即3.72kg天然氣。根據(jù)公式，某種能源折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)＝某種能源實際熱值（千卡/ kg）/7000（千卡/kg），算得天然氣折算標(biāo)煤系數(shù)為1.36。由此，使用天然氣每加熱一噸洗浴水至50℃需耗標(biāo)準(zhǔn)煤5.06kg。

對比可知，使用熱泵的能耗是天然氣的65%，節(jié)能達(dá)到34%，平均年節(jié)能相當(dāng)于70880kg標(biāo)準(zhǔn)煤，221502度電，年平均節(jié)省24萬元的總成本。

3.2.2 減排效果分析。根據(jù)國家有關(guān)部委公布的《碳排放計算器》“節(jié)約1kg標(biāo)準(zhǔn)煤=減排2.493kg二氧化碳=減排0.68kg碳=減排8.5kg二氧化硫=減排7.4kg氮氧化物”，計算本項目的主要污染物減排量數(shù)據(jù)如表5，減排效果亦十分明顯。

4 結(jié)論

（1）熱泵技術(shù)能利用空氣、水、土壤、太陽能等自然資源中蘊藏的無窮無盡的低品位熱能，但每種熱泵技術(shù)的應(yīng)用都受到一定的局限。如土壤源熱泵地下?lián)Q熱器占用較大的地下空間和初投資；地下水源熱泵可能污染地下水；空氣源熱泵要考慮冬季除霜和效能等等。在實際工程中應(yīng)結(jié)合情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟分析后選取熱泵系統(tǒng)。可將多種熱泵技術(shù)形成多熱源耦合的熱泵系統(tǒng)能使多種低品位能源得到綜合利用、互為補充，是更實用經(jīng)濟節(jié)能的方式。

（2）熱泵系統(tǒng)無論在經(jīng)濟性、節(jié)能性還是減排效果上都具有其他技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢，是未來建筑節(jié)能和空調(diào)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

總之，熱泵熱水系統(tǒng)作為學(xué)校生活熱水系統(tǒng)是合適的，也是目前最經(jīng)濟的，能符合國家節(jié)能減排的要求。如何進一步加快傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的改造和熱泵的推廣應(yīng)用將是下一步需要關(guān)注的問題。

[1]楊艷紅，倪國葳，馬卉.地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能[J]. 山西建筑.2009年4月,第35卷第11期,75～76

[2]龔偉申.高校生活熱水系統(tǒng)的選擇和設(shè)計[J]. 制冷與空調(diào). 2009年6月第23卷第3期，76～79

[3]徐偉.中國地源熱泵情況調(diào)查與分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計. 2006年12月,16～19

[4]羅清海，湯廣發(fā)，龔光彩，等. 建筑熱水節(jié)能中的熱泵技術(shù)[J].給水排水. 2004年5期,98～101

[5]于文濤. 地?zé)峁┡绞教攸c分析[J].科技促進發(fā)展. 2009年07月,69～69

[6]壽青云，陳汝東.高效節(jié)能的空調(diào)一地源熱泵[J]. 節(jié)能. 2001年第1期,41～43

[7]朱保華. 地源熱泵的地?zé)崮芾梅绞郊敖?jīng)濟性分析[J]. 山西建筑. 第33 卷第34 期, 189～190

[8]樊慶堂.地?zé)豳Y源開發(fā)利用與供暖相結(jié)合[J]. 供熱制冷. 2010年02月，53～54

[9]朱巖，楊歷，李中領(lǐng). 土壤源熱泵的節(jié)能與技術(shù)經(jīng)濟性分析[J]. 煤氣與熱力. 2005年3月第3期第25卷，73～76

[10]吳靜怡，江明旒，王如竹，等.空氣源熱泵熱水機組全年綜合能效評定[N]. 制冷學(xué)報. 2009年10月第30卷第5期，14～18

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.14.106

國家教育部大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目（編號：091001028）。

盧芮欣，本科，主要研究方向為新能源、技術(shù)經(jīng)濟。