商用空氣源熱泵熱水器的效益分析

熊 靜，莊曉如，楊文寧，黃學章

（1.中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙410083；2.中南大學 數(shù)學科學與計算技術(shù)學院，湖南 長沙410083）

1 引言

空氣源熱泵是繼燃氣熱水器、電熱水器及太陽能熱水器之后出現(xiàn)的第4代熱水器，具有節(jié)能、環(huán)保、安全及經(jīng)濟等優(yōu)勢，其能源利用效率遠遠高于其他類型的熱水器，近幾年來，空氣源熱泵熱水器勢頭強勁，尤其是在商用市場上，它迅速搶占了其他幾類熱水機組的市場份額。本文就此進行了調(diào)研，并從經(jīng)濟效益和社會效益方面進行了效益分析。

2 空氣源熱泵熱水器工作原理

空氣源熱泵熱水器是一種利用電能（作為消耗功）驅(qū)動熱泵中的制冷劑循環(huán)流動，“吸收”空氣中的能量，用來加熱生活用水的熱水器，即是通過消耗部分高品質(zhì)能量（電能），把熱量從低溫熱源（環(huán)境介質(zhì)）轉(zhuǎn)移到高溫熱源（生活用水）的裝置。空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由壓縮機、蒸發(fā)器、熱力膨脹閥、冷凝器、儲熱水箱等部件組成。

圖1 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 空氣源熱泵熱水器的經(jīng)濟性分析

為了對空氣源熱泵熱水器的經(jīng)濟性進行分析，本文以某大學澡堂熱水供應為例進行計算。該大學的澡堂原來是使用鍋爐燒煤來提供熱水，到2007年換用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)機組。據(jù)調(diào)查冬季每天洗澡人數(shù)為500人，每人每次洗澡為3元錢，每天營業(yè)時間為10：00～20：00，要求將水溫加熱到45℃，取溫升為35℃，水的比熱為1（即4.186 8）。

3.1 以鍋爐燒煤方式獲取熱量

冬季澡堂需水量以70t／d計算，則所需熱量為：

Q＝CmΔT＝1×70×1 000×35kCal＝2.45×106kCal。

以低位發(fā)熱量為7 000kCal／kg·K的標準煤（燃燒效率取60%）計算每天需燒煤量：

折算后標準煤按1 000元／t計算，由于鍋爐需要有專門人員負責定時添加燃料，工人工資按1 500元／月，即50元／d計算，則該方式1d所需的總運行費用（水費除外）為：1 000×0.583＋50＝633元，澡堂每天的收入為3×500＝1 500元，澡堂每天的凈收益為1 500－633＝867元。

對于以鍋爐燒煤的方式獲取熱水的系統(tǒng)，其效率不高，又因為以煤為燃料，燃燒后將產(chǎn)生的大量含有CO2與SO2等有害成分的尾氣，并且鍋爐使用不當時容易爆炸，存在安全隱患。

3.2 以空氣源熱泵機組運行來獲取熱量

該澡堂的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是由4臺熱泵機組組成，每臺型號相同，各項指標見表1。

表1 某品牌空氣源熱泵熱水機組的各項指標

改用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)后的澡堂不需要專門的工人負責燒水，只需要值班的工作人員早上上班的時候打開開關使系統(tǒng)自動運行，晚上下班時將總開關關閉即可，所以不需要雇用一個燒水工人。

空氣源熱泵熱水器的實際熱值（1kW·h電的理論熱值按860kCal／kW·h計算）：

度計算，則該系統(tǒng)1d所需的總運行費用（水費除外）為：551×0.6＝330元，澡堂每天的收入為3×500＝1 500元，澡堂每天的凈收益為1 500－330＝1 170元。

對于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，其公式為：

其效率比其他類型的熱水器高很多，同時也是一款綠色熱水系統(tǒng)，減少了溫室氣體的排放，低碳環(huán)保，并實現(xiàn)了水電完全分離，消除了漏電隱患，具有安全性。

3.3 對比分析

從以上分析可得，就系統(tǒng)1d的總運行費用而言，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)（330元）比燃煤鍋爐（633元）要低很多。盡管目前空氣源熱泵熱水機組設備價格（30 000～35 000元）要高于鍋爐設備的價格（15 000～18 000元），但在一定時間內(nèi)便可收回成本；就1d的凈收益而言，如果按運行時間為15年，因為并不是每天都有500人來洗澡，故每年折算為180d來計算，每人每次洗澡的費用為3元，則兩種設備的費用支出情況見表2。

表2 兩種設備費用支出對比

由表2可見空氣源熱泵熱水器的凈收益是非常可觀的。而就制熱性能系數(shù)而言，空氣源熱泵熱水機組是把熱量Q0從低溫熱源（外界環(huán)境）傳到高溫熱源（需被加熱的熱水），過程中所消耗的功 W（用電提供）并沒有消失，也轉(zhuǎn)化成熱量釋放到高溫熱源中，所以高溫熱源得到的熱量Qk是Q0和W之和。一般從低溫熱源中吸收的熱量Q0要大于消耗的功W，故高溫熱源所獲得的熱量Qk要遠大于所消耗掉的功W。

依據(jù)國內(nèi)空氣源熱泵熱水機組樣本及資料統(tǒng)計，在額定工況下，空氣源熱泵熱水機組的制熱性能系數(shù)可達4以上（在分析中的空氣源熱泵熱水機組的制熱性能系數(shù)就達到4.2），這就意味著消耗一份電能可以從大氣中吸收3份甚至更多的熱量用來加熱熱水。而燃煤鍋爐的制熱性能系數(shù)小于1，其消耗一份化學能還得不到一份用來加熱水的熱量。這是因為其在運行燃燒時存在大量的熱量散失，一般燃油鍋爐的COP只有0.3～0.7，其他類型熱水器的COP均在4以下，只有空氣源熱泵熱水機組能達到4以上。

4 空氣源熱泵熱水器的社會效益分析

某澡堂在2007年之前使用燃煤鍋爐提供熱水，每天需要燃燒0.583t的煤，而在之后使用空氣源熱泵熱水器提供等量熱水時需要用電551kW·h。假設空氣源熱泵熱水器所需電能都由火力發(fā)電獲得，若按1t標準煤可以發(fā)電3 000kW·h，則551kW·h電相當于需消耗標煤184kg。按燒煤鍋爐每燃燒1t標準煤，會產(chǎn)生CO2為2 620kg，SO2為8.5kg，NOx為7.4kg來計算等效的有害氣體排放量。

經(jīng)計算可得，兩種方式下將70t水加熱35℃所產(chǎn)生的有害氣體排放量見表3。

表3 兩種情況下將70t水加熱35℃所產(chǎn)生的有害氣體排放對比

由表3可得，空氣源熱泵熱水器的有害氣體排放量無論是CO2、SO2還是NOx都幾乎為燃煤鍋爐的1／4。CO2是溫室氣體的主要成員，減少CO2排放可以減緩全球氣候變暖，降低氣象災害的頻次和強度，從而保護地球生物共同的家園。SO2和NOx是形成酸雨和酸霧的大氣污染物，當SO2、NOx和粉塵共存，可形成酸雨。所以，使用空氣源熱泵熱水器能有效的減少有害氣體的排放量，必然可改善大氣環(huán)境質(zhì)量。

5 結(jié)語

按運行15年計算，使用空氣源熱泵熱水器將比使用燃煤鍋爐制熱多出82萬元的收入，相當于增加35%的收益，同時使用空氣源熱泵熱水器產(chǎn)生的有害氣體排放量無論是CO2、SO2還是NOx都幾乎為燃煤鍋爐的1／4，因此無論是在經(jīng)濟效益還是社會效益，空氣源熱泵熱水器都具有優(yōu)越性。

同時，走訪的50家商業(yè)用戶中使用空氣源熱泵熱水器、鍋爐、電熱水器、燃氣熱水器的戶數(shù)分別為：34、10、5、1，即已有一半以上的酒店和大學使用熱泵機組作為其熱水系統(tǒng)，而且使用者對熱泵熱水器的滿意度均較高，認為空氣源熱泵熱水系統(tǒng)機組節(jié)能效果明顯，且使用安全、方便。相關數(shù)據(jù)也顯示商用型空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的應用從2005年開始處于快速上升狀態(tài)，現(xiàn)在正處于穩(wěn)定發(fā)展期。這些都說明了空氣源熱泵熱水器在商用方面的應用已較為成熟并將持續(xù)興盛。

［1］吳業(yè)正，朱瑞琪，曹小林.制冷原理與設備［M］.西安：西安交通大學出版社，2010.

［2］趙恒誼.家用空氣源熱泵熱水器市場研究［D］.上海：復旦大學，2007.