空氣源熱泵熱水器在南京體育學院的應用帶來良好的節能效益

【摘 要】本文闡述了空氣源熱泵熱水機組的基本工作原理，及在南京體育學院安裝使用南京寧志太陽能設備有限公司制造的NZRS3-3-3型熱水機組帶來的可觀的節能經濟效益。以及本人對這種高效、環保、節能設備對未來經濟建設及社會生活的影響的點滴認識。

【關鍵詞】空氣源熱泵；熱泵熱水機組；性能系數COP

0 前言

隨著改革開放和大規模的基本建設的發展、人們對于生活環境的要求越來越高，空調系統作為室內空氣參數的主要調節裝置也就相應的越來越普及。人們對空調的要求也從原來的夏季制冷發展到冬暖夏涼，發展到對空氣品質的進一步要求。而且在能源緊缺、強調可持續發展的今天，在某些大城市和特殊地區，出于環保的考慮限制使用鍋爐供暖，于是電動熱泵技術成了人們的首選。其中又以空氣源熱泵冷熱水機組較為常見。

南京體育學院地處中山陵風景區內，保護、美化中山陵風景區的生態環境是駐景區各單位義不容辭的責任。我院的教工、學生浴室是我院的一大能源消耗大項目，盡管我們對現有的燃煤鍋爐采用了高效的消煙除塵設備，但任舊不能達到景區的排放標準，為此院領導根據南京市的相關規定決定對制熱設備進行更換，要求采用高效、節能環保型的熱水設備，后勤總務部門經過多方面的考察論證，最終選定了采用空氣源熱泵熱水機組的改造方案。并于2004年9月初投入試運行。近兩年來的運行機組經歷了夏、秋、冬、春四季各類的復雜氣候的考驗，尤其是-8℃以下的低溫運行，在此期間設備運行穩定，各項指標均達到設計要求，年消耗電能費用與同比支出的燃料費用減少近30萬元人民幣，經濟效益十分顯著，保護和美化了中山陵風景區，為我們的子孫后代留下了一片美好的世界。

1 正文

1.1 空氣能熱泵熱水機組（空氣源熱泵熱水機組）的工作原理

在自然界中，水總由高處流向低處，熱量也總是從高溫傳向低溫。但人們可以用水泵把水從低處提升到高處，從而實現水的由低處向高處流動，熱泵同樣可以把熱量從低溫傳遞到高溫。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對象（溫度較高的物體），其工作原理與制冷機相同，都是按照逆卡諾循環工作的，所不同的只是工作溫度范圍不一樣。一臺壓縮式熱泵裝置，主要有蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過讓工質不斷完成蒸發（吸取環境中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節流→再蒸發的熱力循環過程，從而將環境里的熱量轉移到水中（如圖1所示）。

圖1

熱泵在工作時，把環境介質中貯存的能量QA在蒸發器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機耗電QB；通過工質循環系統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和熱泵從環境中吸收的熱量QA；因此，采用熱泵技術可以節約大量的電能。

1.2 空氣能熱泵熱水機組（空氣源熱泵熱水機組）的發展

熱泵技術發展史隨著工業革命的發展，19世紀初，人們對能否將熱量從溫度較低的介質“泵”送到溫度較高的介質中這一問題發生了濃厚的興趣。英國物理學家J.P.Joule提出了“通過改變可壓縮流體的壓力就能夠使其溫度發生變化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的Lord Kelvin勛爵）發表論文，提出了熱量倍增器（Heat Multiplier）的概念，首次描述了熱泵的設想。

當時，熱泵供暖的對象主要是民用，供暖需求總量小，特別是對由于采暖方式及其對環境的影響尚沒有足夠的意識。人們采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，熱泵的發展長期明顯滯后于空調的發展。

20世紀30年代，隨著氟利昂制冷機的發展，熱泵有了較快的發展。特別是二戰以后，工業經濟的長足發展帶來的對供熱的大量需求及相對能源短缺，促進了大型供熱及工業用熱泵的發展。1973年的全球性能源危機，進一步促進了熱泵在全世界范圍內的發展。但熱泵在世界范圍內的大規模商業應用是最近20年的事，如美國，截止1985年全國共有14，000臺地源熱泵，而1997年就安裝了45，000臺，到目前為止已安裝了400，000臺，而且每年以10%的速度穩步增長。

我國的熱泵事業近幾年已開始起步，而且發展勢頭看好。目前，我國利用較多的是水源熱泵，而用空氣源熱泵制取生活用熱水在國內近兩年剛剛起步。

1.3 空氣能熱泵熱水機組（空氣源熱泵熱水機組）的特點

空氣源熱泵熱水機組是由蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥等設備與附件及控制系統等組成的可制備熱水的設備。按機組的容量大小分，又分為別墅式小型機組（制熱量10.6～52.8kW），中、大型機組（制熱量70.3～1406.8kW）。其主要優點如下：

1）高效節能：其輸出能量與輸入電能之比即能效比（COP）一般在3～5之間，平均可達到3以上，而普通電熱水鍋爐的能效比（COP）不大于0.90，燃氣、燃油鍋爐的能效 比（COP）一般只有0.6～0.8，燃煤鍋爐的能效比（COP）更低一般只有0.3～0.7。

2）環保無污染：該產品是通過吸收環境中的熱量來制取熱水，所以與傳統型的煤、油、 氣等燃燒加熱制取熱水方式相比，無任何燃燒外排物，制冷劑對臭氧層零污染，是一種低能耗的環保產品，具有良好的社會效益，是一種可持續發展的環保型產品。

3）運行安全可靠：整個系統的運行無傳統熱水器（燃油、燃氣、燃煤）中可能存在的易燃、易爆、中毒、腐蝕、短路、觸電等危險，熱水通過高溫冷媒與水進行熱交換得到，電與水在物理上分離，是一種完全可靠的熱水系統。

4）使用壽命長，維護費用低：該產品的使用壽命可長達15年以上，設備性能穩定，運行安全可靠，并可實現無人操作（全自動化智能程序控制）。

5）可一年四季全天候運行：該機組熱源來源廣泛，包括陽光、雨水、空氣、地下水和土壤等，無論白天、黑夜、室內、室外、地下室，不管晴天、陰天、刮風下雨或下雪都能照常工作。

6）適用范圍廣：可用于酒店、賓館、工礦、學校、醫院、桑拿浴室、美容院、游泳池、溫室、養殖場、洗衣店、家庭等，可單獨使用，亦可集中使用，不同的供熱要求可選擇不同的產品系列和安裝設計。該技術的實現，將在整體上達到國際領先水平，具有重大的經濟和社會效益。

1.4 空氣源熱泵熱水機組（空氣源熱泵熱水機組）的分類

1）從熱輸配對象分為：空氣/水-空氣源熱泵冷熱水機組，空氣/空氣-空氣源熱泵熱水機組；

2）從容量分為：小型（7kW以下）、中型、大型（>70kW）；

3）從壓縮機型式分為：渦旋式、轉子式、活塞式、螺桿式、離心式；

4）從功能分為：一般功能的空氣源熱泵冷熱水機組，熱回收型的空氣源熱泵冷熱水機組，冰蓄冷型的空氣源熱泵冷熱水機組；

5）從驅動方式分為：燃氣直接驅動和電力驅動。

1.5 空氣源熱泵熱水機組在南京體育學院的使用

1.5.1 機組的基本性能

我院根據教工、學生浴室的熱水需求，首次選用安裝了南京地區第一臺45kW空氣源熱泵熱水機組，該機組是南京寧志太陽能設備有限公司制造的NZRS3-3-3型熱水機組，該機組為14個模塊式機組組成，每個模塊單元熱水換熱器均為獨立的供熱單元，其進出水管都并接在進出冷熱水總管上。任何一個模塊單元發生故障都不影響系統的正常供熱。該機組模塊的基本性能參數如表1：

表1

1.5.2 機組的容量選擇

在日常運行中，有時也會有個別模塊發生故障，很快就能排除故障，不影響正常使用，因此，設計機組功率時，按每日55℃熱水總用量（噸）×系數（1.25-1.35）計算為機組總輸入功率。

1.5.3 貯熱水箱的容量選擇

根據我單位浴室開放時間都是集中在每日的晚餐前后這個時段，而熱泵機組是24小時均衡產熱水的，因此在浴室開放之前，就要儲足浴室開飯所需的熱水量，按每人每次耗用55℃熱水68公斤計算，我們選擇了2個20噸的熱水儲水箱，對機組生產的熱水進行儲存，以備浴室開放時供應。

1.5.4 機組工作流程

該機組工作流程比較簡單：主要有5個部分組成：1）壓縮機；2）工作介質（氟利昂）；3）裝有軸流風機強制空氣流動的蒸發器；4）裝有待加熱水的冷凝器；5）膨脹閥，以上部分由管路連接成為一個封閉的環路，工作介質通過壓縮機的運行，使其在蒸發器和冷凝器之間來回完成汽、液態的轉化，從而完成空氣中熱能到待加熱水的熱量的傳遞。機組的工作壓力為1.5±0.1kg，當蒸發器中的水逐步吸收工作介質的熱量升溫至55℃時，蒸發器冷水進口閥自動開啟，將蒸發器內的55℃熱水壓進儲熱水水箱中，此過程自動循環工作，當儲熱水水箱儲滿時，機組自動切斷電源停止工作，當儲熱水箱水位下降時，系統自動開啟機組開始熱水的生產，當用戶選擇了適當容量的機組和儲熱水箱，空氣源熱泵熱水機組將完全滿足用戶的需求保障熱源的供應。

1.5.5 機組的能效比（COP）

空氣源熱泵熱水機組的能效比又稱性能系數（COP）是指熱泵的制熱量與輸入功率之比，比值越大說明機組的效率越高，節能越明顯。自2004年9月10日機組投入運行以來經過近2年的數據統計與分析，我院使用的熱泵熱水機組年平均COP達到3.0以上，全年氣溫較低的1、2月份COP仍達到2.5以上，詳見機組能效統計表：

NZRS3-3-3空氣源熱泵熱水機組1-12月份COP值統計表（表2）

由該表可以看出，機組年平均COP達到3以上，用百分數表示為331%，完全達到并超過了設計的要求。

2 結論通過對空氣源熱泵熱水機組的原理的簡單了解，及縱觀該項技術的發展歷史與當今全球性的能源緊張的局勢的對比，以及對該類機組的分析，不難看出隨著能源緊張的進一步凸現，節能環保的設備的使用將是未來社會發展的主流。通過南京體育學院使用寧志NZRS3-3-3空氣源熱泵熱水機組，近兩年來的統計數據與往年同期燃煤、燃氣鍋爐的燃料消耗費相比僅為燃氣費用的四分之一，年同期比較可節約費用308751元，預計機組投入運行兩年多時間，燃氣費用與電費的差價即可收回該臺機組的設備初裝費。

經過科學實驗和實際運用證明：空氣源熱泵熱水機組，是利用可再生能源的首選設備，為了保護我們賴以生存的地球環境，節約日趨緊張的有限的自然資源，讓我們去積極地推廣這種高效、環保、節能型的熱水設備。

[責任編輯：楊揚]