熱泵熱水系統

熱泵熱水系統是一種利用以空氣、地下水、地表水為低溫熱源，以水為傳熱介質，採用蒸汽壓縮熱泵技術進行加熱生活熱水的熱水供應系統。利用熱泵供熱水的基本系統方案有直接加熱、間接加熱以及混合型加熱。常規熱泵熱水器，包括地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵等幾種機械壓縮式熱泵形式，作為空調技術，其套用已經很普遍。套用於熱泵熱水系統按設備取熱熱源的不同此處將熱泵熱水系統分空氣熱泵熱水系統、水源熱泵熱水系統、地熱熱泵熱水系統以及混合曲熱型熱泵熱水系統。還詳細介紹了熱泵熱水系統的國內外研究進展以及其優勢與局限。

基本介紹

• 中文名：熱泵熱水系統
• 外文名：Heat pump hot water system
• 基本系統方案：直接加熱、間接加熱、混合型加熱
• 特點：節能、清潔
• 領域：能源
• 學科：熱力學

簡介

作為自然界的現象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫流向低溫。但人們可以創造機器，如同把水從低處提升到高處而採用水泵那樣，使用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。熱泵實質上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環境介質中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的 1/3 或更低，這也是熱泵的節能特點。

熱泵與製冷的原理、系統設備組成及功能是一樣的，對蒸氣壓縮式熱泵（製冷）系統主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器和節流閥組成：壓縮機起著壓縮和輸送循環工質從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（製冷）系統的心臟；蒸發器是輸出冷量的設備，它的作用是使經節流閥流入的製冷劑液體蒸發，以吸收被冷卻物體的熱量，達到製冷的目的；冷凝器是輸出熱量的設備，從蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的；膨脹閥或節流閥對循環工質起到節流降壓作用，並調節進入蒸發器的循環工質流量。

根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功（電能）起到補償作用，使循環工質不斷的從低溫環境中吸熱，並向高溫環境放熱，周而往復地進行循環。熱泵是需要冷凝器的熱量，蒸發器則從環境中取熱，此時從環境取熱的對象稱為熱源；相反製冷是需要蒸發器的冷量，冷凝器則向環境排熱，此時向環境排熱的對象稱為冷源。蒸發器冷凝器根據循環工質與環境換熱介質的不同，主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。這樣熱泵或制冷機根據與環境換熱介質的不同，可分為水—水式，水—空氣式，空氣—水式，和空氣—空氣式共四類。

由於熱泵具有節能、環保、節約資源等優點，所以熱泵有很好的發展前景，但目前熱泵用於熱水生產的技術和市場還不規範，缺乏相關標準；同時，在經營過程中，大多數廠商把熱泵當作熱水機來經營，一賣了事。這樣用戶在使用時存在節能不顯著，冬季產水能力差，COP 低等許多問題。為了促進熱泵熱水產業的快速健康發展，研究熱泵熱水系統的特性，對其進行改造和最佳化也就成了一個重要的話題。

熱泵熱水技術

熱泵熱水技術是基於熱泵技術之上的一種熱水供應方式，它最早出現在 20 世紀 50 年代。能源危機之後，熱泵熱水系統得到了較大的發展，在很多已開發國家已經形成了一定的市場規模。在美國，熱泵熱水器自 1988 年問世以來發展很快，目前已占據了熱水器市場份額的 38%左右。現在大約有近 300 萬台同類設備在歐美各國運行使用。在東南亞、澳大利亞等一些國家的賓館、學校和企事業單位，提供 60℃熱水的 75%採用空氣源熱泵熱水器。
所謂熱泵就是以水或空氣為熱源，通過使用冷凍劑（在熱泵中通過其狀態變化吸收和釋放熱量，並通過其循環傳遞熱量，如氨、氟利昂、溴化鋰等）使熱的移動發生逆轉，亦即使熱從低溫向高溫進行移動的機械裝置。熱泵可以按照其用途、熱量輸出、熱源類型和驅動功形式等分為不同類型的熱泵，如按照驅動功形式可以分為壓縮式熱泵、吸收式熱泵、蒸汽噴射式熱泵和熱電熱泵等不同類型的熱泵。

熱泵技術是“開發和強化高質能源利用率的重要手段”，同時也是“獲得可再生能源及維護生態平衡的有效途徑之一”。熱泵作為一種高效節能的制熱裝置，其制熱效率通常可以達到 400%以上，遠遠高於電熱效率的95% ～ 98%。熱泵技術已經越來越受到全世界的關注，因為熱泵可以利用自然界的低品味能源（如空氣、地表水、地下水、土壤等）作為其冷熱源，還可以回收建築內部的熱量以及各種餘熱，這些熱源的溫度較低，一般工業過程和生活中很難利用，可是通過熱泵卻可以提升品位，向生活和生產過程提供有用的熱量。而且熱泵以電力驅動，採用熱泵原理吸收室外或大地的熱量供熱，消除了使用常規鍋爐供暖中造成的環境污染，因而是一種清潔、高效、節能的空調產品。由此可見，熱泵技術是一種能夠有效節省能源、減少大氣污染和 CO2等溫室效應氣體排放的供熱、空調新技術。

將熱泵技術和給水排水相聯繫，形成了兩個學科的交叉，即熱泵熱水技術。 熱泵系統取熱範圍廣泛，能量取自天然冷熱源時，不同類型的冷熱源對熱泵機組的性能會有不同的影響，這取決於不同冷熱源其自身的的特點以及適用性。

各種天然冷熱源都有其優點和局限性，因此針對不同地區不同套用條件都應綜合考慮各種因素，以確定最佳冷熱源類型。在我國中南部冬冷夏熱地區，如果空調建築物附近有可利用的海、湖、水池或人工湖，在考證水源的可靠性並採取適當措施改善水質的前提下，地表水將可能成為理想的熱泵熱水系統熱源。另一方面，對於一般的賓館建築，使用水源熱泵且不受當地水源資源的限制，比如從現代建築中不可或缺的生活水池、消防水池中取熱，輔助空氣源熱泵熱水機組，使其即使在最不利工況下仍能保證熱泵熱水系統的正常工作，都是值得探討的問題。

國內外熱泵熱水系統的研究套用進展

目前將熱泵用於製取熱水常見的做法是熱泵熱水機，即單台的熱泵熱水機組針對單個房間或者一戶供應熱水。常規熱泵熱水器在歐美等高能耗國家已經很普及，甚至在南非等開發中國家的熱水器市場已經占有 16%的份額；國內戶用熱泵熱水器也有產品報導，熱泵技術作為大型熱水供應系統的研究和推廣有待深化和完善。

國外研究套用進展

上世紀 70 年代以來，世界能源形勢變得比較嚴峻，能量大量而又廣泛的套用帶來的環境問題已日益加劇，許多國家加大了對能源技術，特別是可再生能源技術的政策支持力度。上世紀 90 年代，澳大利亞、以色列等國通過法令，要求新建住宅必須配備太陽能熱水器；1994 年日本實施“日光計畫”；1997 年，美國實施“100萬太陽能屋頂發電計畫”；1999 年德國實施“10 萬套屋頂光伏電計畫”等等。發達工業化國家在上世紀 90 年代初開始也加大了對熱泵技術的支持力度，熱泵熱水器已占相當的市場份額。

國內外學者對熱泵熱水系統進行了全面的研究，旨在進一步提高系統的運行性能。研究方向多集中在高效壓縮機的設計與選用、太陽能熱泵熱水系統的研究、熱泵熱水系統中製冷工質的替代、除霜研究以及熱泵熱水系統中水箱的研究與設計等方面。

P．Heyl 等設計的膨脹壓縮機像自由活塞器一樣運行，它包括兩個雙效活塞、通過活塞稈連線起來，兩個氣缸構成了四個工作容積、分為兩個壓縮容積和兩個膨脹容積。每個活塞將氣缸分為壓縮和膨脹容積。這項設計轉換簡單、損失小、原理簡單、經濟性好而又結構緊湊，製冷劑帶少量潤滑油即可運行。Fagerli 等設計的單缸小封閉式壓縮機部分地採用了傳統的 R22 壓縮機的結構，其等熵效率比R22 壓縮機低 9%－15%，容積效率要低 5%。Suzai 等開發了雙級封閉式活塞壓縮機，其容量為 750W，在相同壁厚的情況下，使用高強度鋼能承受 25MPa 的壓力。日本松下公司在 R410A 渦旋壓縮機的基礎上開發了 CO2壓縮機，排氣容積為71.23cm3，可是壓縮機的製冷量達到 2.15～5.10kw，壓縮機容積效率可達 70%～80%，而壓縮機效率只有 45%左右。

Hasegawa 等人對渦旋壓縮機（製冷量 4.3kw）進行了研究，結果表明能效不高，僅為 47%，單容積效率卻達 87%。Hasegawa等人提出了兩級復疊壓縮式熱泵熱水系統，對於 65℃的供水溫度，系統 COP 值為3.73。

熱泵熱水系統的冷凝器多以沉浸式盤管的形式置於儲水箱內，而系統水箱內水溫是隨著時間的增長而升高的。水溫升高、冷凝壓力隨之升高，所以冷凝器的結構形式對熱泵熱水系統的性能非常重要。國內外的研究主要通過改進冷凝器的結構形式、製冷工質流動方向、採用高效的冷凝盤管等手段，來提高熱泵熱水系統的性能。同時指出，水箱內溫度是分層分布的，這種分層現象受水箱的尺寸、冷凝盤管形式以及進出口水流量等因素影響，也引起了研究者的注意。Chen，Fang C 等對一熱泵熱水器箱內溫度分布進行了CFD模擬和實驗研究，作者發現當水箱內冷凝盤管的形式為U型管時，水箱中存在著溫度分層現象，水箱頂部和底部的溫差可達到16℃。而當盤管形式為L型管時，水溫的分層現象就消失了。Minsung Kim等對一空氣源熱泵熱水系統的熱力學性質進行了研究。在對壓縮機和水箱的處理上採用了集總參數模型。研究發現在不同的水箱容積條件下，系統的運行參數隨著水溫升高的變化是不同的。水箱越小，則系統性能降低的幅度就越大。當然水箱的容積越大則熱損失越大，因此作者認為在對一具體的熱泵熱水系統設計中應有一個最佳的水箱容積。

國內研究套用進展

熱泵熱水系統循環工質的替代，由基於提高性能轉換到基於環保上來，由基於無臭氧破壞到同時滿足臭氧保護和阻止全球變暖的雙重需要上來。世界各國學者對無環害的混合工質及自然工質進行了大量的研究。

熱泵技術的研究及套用在我國起步較早，早在 60 年代，我國開發了窗式熱泵空調器，但由於當時我國能源價格的特殊性，以及一些其它因素的影響，熱泵技術在我國的套用和發展始終很緩慢。直到 80 年代初才開發了分體式熱泵空調器。到了 90 年代，熱泵技術得到了空前的發展，先後開發了整體式風冷熱泵冷熱水機組、模組式風冷熱泵冷熱水機組、水源熱泵等。到了最近幾年，空氣源熱泵冷熱水機組市場已是空前的繁榮，生產廠家已由 1995 年的十幾家發展到現在的 40 多家，產品規格非常齊全。不過上述說明都是熱泵在暖通空調中的套用，而利用熱泵技術來製取生活熱水的“空氣源熱泵型熱水機組”，是最近幾年才在我國興起的中央熱水設備。

空氣源熱泵熱水機在2002年前後自中國南方廣東登入，迅速席捲學校、醫院、工廠、酒店和體育場館等場合下的60℃以下熱水市場，曾經因為節能、環保特性在廣東教育系統市場占有率高達80%的太陽能熱水系統在市場的份額迅速下降。典型工程如深圳外國語學校、北京市府大學珠海校區等等，逼得廣東各個太陽熱水器生產廠家不得不匆匆上馬熱泵項目，技術成熟與否顧不及，市場不等人。

2005年3月，首屆中國熱泵行業研討會的召開，使得空氣能熱泵熱水器受到了普遍關注。2005年7月，全國首條規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，年生產量可達到3萬台。 蘇州大學文正學院原有10台鍋爐，全部使用0號柴油。由於0號柴油的市場價格隨國際油價上漲一路攀升，使得學校在財政上的支付一路攀升。權衡考慮採用空氣源熱泵代替燃油鍋爐作為中央熱水系統的加熱設備，取得了很好的經濟和環保價值
。

水源熱泵技術在我國的套用剛剛開始，所以從水源熱泵機組的選擇到整個管網系統設計與施工，還需要不斷的探索和完善。陳觀生等通過對水源熱泵型家用熱水器樣機的試驗，從節能效果、性能價格以及安裝及使用等幾個方面分析了該熱水器套用的可行性，結果是肯定的。滄州建安通用住宅小區，採用水源熱泵供應熱水。其生活用水由城市供水管網供給，水溫常年穩定在 14℃左右，通過有關部門的認可，以地下水作為水源熱泵系統的低位熱源。根據建築物冬季空調熱負荷和熱水供應系統的設計小時熱負荷的和及地下水的出水溫度確定取水井兩眼，回灌井三眼。

熱泵熱水系統工作原理

熱泵熱水機工作原理

熱泵熱水系統通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低溫位熱能向高溫位轉移。一年四季中，熱泵熱水系統無間斷的把空氣、地下水、地表水中的熱量“取”出來，加熱自來水到達一定溫度後供給用戶作為生活熱水使用。室外空氣的溫度隨著季節的變化呈現一個波動很大的有規律的周期性變化，而地下建築內部空氣溫度變化波動相應的比較小。地下水的水溫或土壤溫度隨自然地理環境、地質條件及循環深度不同而變化，近地表處為變溫帶，變溫帶之下的一定深度為恆溫帶，地下水溫或土壤溫度不受太陽輻射影響。不同緯度地區的恆溫帶深度不同，水溫範圍 10～22℃。恆溫帶向下，溫度隨深度增加而升高，升高多少取決於不同地域和不同岩性的地熱增溫率。通常熱泵消耗 1kW 的能量，用戶可以得到 4kW 以上的熱量或冷量。

熱泵熱水系統原理

利用熱泵供熱水的基本系統方案有直接加熱和間接加熱兩種方式。

方案一，直接加熱方式，是將熱泵冷凝器直接置於水箱中加熱冷水，與方案二相比少了一個換熱設備，因此換熱效率相對要大一些，能達到的最高水溫也要高一點。儲熱水箱須和熱泵組合在一起，不適於現有熱泵的改裝，供應熱水需水泵提供動力，一定程度上增加了系統耗電量和噪聲。

方案二，間接加熱方式，是先把冷凝器的熱量傳給中間介質——循環水，再由循環水通過盤管加熱水箱中的生活用水。系統多了一個換熱設備。間接換熱有熱損失，這在一定程度上降低了整個系統的加熱效率。

方案三，混合型加熱方式，用一個水泵強制水箱裡的水循環流經冷凝器，加強換熱效率。

熱泵熱水生產系統的種類

常規熱泵熱水器，包括地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵等幾種機械壓縮式熱泵形式，作為空調技術，其套用已經很普遍套用於熱泵熱水系統按設備取熱熱源的不同此處將熱泵熱水系統分如下四種：

空氣源熱泵熱水系統

利用空氣作冷熱源的熱泵，稱之為空氣源熱泵。空氣源熱泵有著悠久的歷史，而且其安裝和使用都很方便，套用較廣泛。空氣源熱泵熱水系統是以空氣作為熱源，通過電能驅動壓縮機做功，推動系統中冷媒循環運動，將周圍環境空氣溫度降低，吸收其中的熱量，帶到輸出冷凝端，放出熱量來加熱冷水的熱泵熱水系統。其特點有：

1. 熱能源於空氣，不受氣候影響，可以一年四季全天候使用；

2. 占地面積小，安裝更簡便，不再受居住層次的影響，實現同建築的一體化；

3. 採用環保工質，無任何廢氣廢水排放，絕對環保；

4. 其最大的優點是更加的經濟實惠。

空氣熱源取之不盡，用之不竭，作為熱源有著悠久的歷史。目前，我國一些空調器廠均大量生產空氣熱源的熱泵型空調器，但由於熱源的限制，其典型套用範圍是長江以南地區。在華北地區，冬季平均氣溫低於0℃，空氣源熱泵不僅運行條件惡劣，穩定性差，而且因為存在結霜問題，效率較低，幾乎無法運行。

水源熱泵熱水系統

利用水作冷熱源的熱泵，稱之為水源熱泵。水是一種優良的熱源，其熱容量大，傳熱性能好，一般水源熱泵的製冷供熱效率或能力高於空氣源熱泵，但由於受水源的限制，水源熱泵的套用遠不及空氣源熱泵。

水源熱泵技術是將儲存於地球表淺層低品位的冷熱源（如地下水、湖水、河水）中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，藉助熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，高效集中“提取”出來，使低位熱能向高位熱能轉移的一種技術，實現取暖和製冷的功能。而水源熱泵熱水系統，是將提取出的熱量用於加熱生活熱水。

地源熱泵熱水系統

地熱能是指蘊藏在地球內部的巨大的天然熱能。其熱量來源主要是地球內部岩石和礦物中具有足夠豐度、產熱率較高、半衰期與地球年齡相當的、多集中在地球表層數百里內的放射性元素衰變所產生的巨大能量。

混合取熱型熱泵熱水系統

將上面提到的三種不同的熱泵機組，根據當地不同氣候、使用條件等採用兩種以上的取熱方式組成熱源的熱水系統熱源的稱為混合取熱型熱泵熱水系統。

熱泵熱水系統的優勢和局限性

熱泵熱水系統的優勢

（1）顯而易見的節能、環保效果；

（2）可“移峰填谷”，開發低谷用電；

（3）可實現熱水、採暖、供冷一體化，提高能源利用率；

（4）便於地熱、建築廢熱等低品位能源的利用、回收。

熱泵熱水系統的局限性

（1）熱泵熱水機組不同於傳統的換熱器，熱媒不是蒸汽或者高溫水，因此相對來說，冷水溫升速度較慢，生產熱水的時間較長。同時也就造成所需貯熱量，即熱水的貯水容積要比傳統的換熱器大，否則可能會導致用水高峰時熱水供應不足。

（2）從技術角度而言，常規熱泵熱水技術要提供 55℃以上的熱水有一定的困難，國內的實驗研究在大部分氣候條件下不超過 50℃，致使推廣受到限制。

（3）熱泵熱水系統的經濟性受到能源政策影響較大，當各種能源價格、環保稅率等發生變化時，不同熱水供應系統的投資與運行費用的比較隨著發生變化。就我國目前能源價格體系而言，熱泵系統的初投資最大，運行費用相對於電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐有較明顯的經濟性，但相對於燃煤鍋爐，不具備經濟性優勢。