熱泵技術
摘要：生活熱水供應是人民生活質量提高的必然。文章分析當前各種熱水設備的熱效率都是小於1的數，而惟有用熱泵技術和熱回收來解決對廣大人民的熱水供應，纔是符合實施“循環經濟”，達到社會可持續發展的要求。熱泵熱水機組是當前最為節能、環保、安全、可靠的制取生活熱水的設備。文章介紹了當前有關空調余熱，實施制冷和熱水供應的兩用機組的一些做法。文章着重分析了對於家用/商用中央空調系統中如何實現一機三用-夏季空調、冬季采暖、全年生活熱水供應-的一些研發動向和不用化石燃料為輔助熱源的真正三用一體機的設想。指出增大單機低溫工況下的制熱功率，以及應用高效的非化石燃料的輔助熱源，是三用機組的關鍵。，大力發展三用熱泵熱水系統作一個詮釋。
關鍵詞：生活熱水 熱泵技術 熱水機組 空調余熱利用
1 生活熱水是現代人生活的必需，節能環保是社會發展的根本
熱水是每家每戶必不可少的生活資源。過去在人們極不富裕的情況下，為了取得一點生活熱水，甚至想洗一個熱水澡，都是一種 。過去，人們用柴火來燒熱水，每天有几壺暖瓶的熱水，就是一種幸福和享受。為了節省燒水的柴火，城里的人們，到“老虎灶”去“泡”水來用。過去艱苦的年代終於過去了，隨着改革、開放，人民的生活有了極大的提高。城里每家每戶都有了煤氣供應，大大方便了燒熱水。以後電熱水器、燃氣熱水器大量進入尋常百姓家，每個家庭用熱水有了保証。至於酒店、賓館等等商業設施，自然必須有集中的熱水供應。目前，就連學生宿舍、小區住宅，都紛紛安裝上了中央熱水系統，保証了人們對於熱水的需求，洗臉洗澡，做飯洗菜等都用上了熱水，使人們沐浴在一個“溫暖、溫馨”的天地里。
社會在進步，生活質量在不斷提高。為了2020年我國進入進一步小康的社會，為了社會可持續發展，節能和環保這兩大問題相當突出了。當前生活熱水供應的耗能是很高的，椐統計，城市各類商業建築生活熱水的能耗約為其建築總能耗的10-40%（其中，寫字樓約為2.7%；商場10.7%；飯店31%；醫院41.8%）；城市民用建築生活熱水能耗約為其建築總能耗的20-30%。而建築能耗約占整個社會總能耗的30%，這樣折算下來，熱水的能耗約為整個社會總能耗的3-4%，根據估算，為滿足全國城鎮居民生活熱水供應（年人均耗用熱水25-35升/日），一年約要耗用相當于1750億到2450億度電的能量。高能耗是常規熱水技術無法克服的缺點。用柴火來燒熱水，自然過於原始，也在破坏寶貴的森林資源。即使用煤氣、燃油去制取熱水，還面臨一個對於礦物燃料資源的過度消耗（我國的人口占世界21%，但石油儲量僅占1.8%；天然氣僅占世界0.7%，我國石油的對外依賴度達到57%）和對環境污染的問題。
無論是家用或是中央熱水系統，目前，極大多數所使用的熱源是煤、煤氣、燃油或電力，也有用蒸汽-水熱交換器來產生熱水，但蒸汽也是用煤或燃油、燃氣來產生的。使用礦物燃料來產生熱水，有一個投入/產出的問題，一般是投入的能量多，而產出的熱量少一些。這就是熱源設備的熱效率。從下列表格可以看到各種燃料（熱源）的低位發熱量和熱源設備的熱效率。
表1 燃料低位發熱量和熱源設備的熱效率
燃料或熱源設備名稱 單位 低位發熱量（大卡） 熱源設備熱效率% 實際轉化成熱水的熱量（大卡） 投入/產出的能量之比(能效比)%
煤（標煤）
城市煤氣
天然氣
液化石油氣
0#柴油
電力
蒸汽（0.6MPa）
（指汽-水換熱器）
熱泵熱水機組 公斤
立方米
立方米
公斤
公斤
度
公斤
輸入電量-度 7000
3800
8600
10500
10200
860
663
860 60
85
85
85
80
95
90
350 4200
3230
7310
8925
8160
817
597
3010 0.60
0.85
0.85
0.85
0.8
0.95
0.90
3.50
從表中我們可以看出，目前所使用的燃料和熱源設備，總是投入能量比產出的熱量大，也就是說，其熱效率總是小於1的，即使是用電，其轉化的熱效率 ，也只有95-98%，但一度電也只能轉化為817大卡的熱量。那麼，能否找到一個制熱效率大於1的熱源設備呢？
2 用熱泵原理制取生活熱水是當前最為節能、環保的手段
熱泵技術是一種熱能回收技術，使用熱泵技術，利用空氣中、水中所蘊藏的趨於無限的能量，一年四季都可以將空氣中和水中取出的熱量來製造熱水。利用熱泵原理製造的熱水機組是一種熱效率大於1的設備。無論是水源熱泵或者空氣源熱泵，都是可以吸取低溫水源或空氣源的熱量，再將這一些熱量連同本身所消耗的一部分電能所轉化的熱量，轉送到常溫環境條件下去應用。就拿空氣源熱泵熱水機組而言，利用了制冷工質循環過程的“泵”熱原理，完全可以做到“1+2=3”甚至“1+3=4”。公式中“1”是熱泵所消耗的一份能量（電能），而“2”、“3”是從空氣中所吸取的熱量，“3”或“4”就是用來制取熱水的熱量。即使在冬季日平均氣溫下，空氣源熱泵機組的能效比COP，也可以達到2.5左右，即耗用一度電，就可以得到2150大卡的熱量。也就是說，要得到同樣數量的熱水，使用熱泵熱水機組的耗電僅是電鍋爐的1/3-1/4。而且到了夏季，隨着氣溫的升高，空氣源熱泵熱水機組的制熱效率更高，COP可以達到5，而電鍋爐的熱效率並不因為氣溫升高而提高。
熱泵熱水機組（水源或空氣源）是當前最為節能的、最為環保的制取熱水的設備，也是最為安全、可靠的、最為簡便的熱水設備。當前，燃油、燃氣、燃煤的價格受國際市場的影響，不斷攀升，人們又轉向于用電來供暖和制取熱水，當前採用電鍋爐加上蓄熱技術的方案，也已得到國家電力部門的認可。而採用熱泵熱水機組加上蓄熱技術來制取熱水，雖然都是用電，但用熱泵熱水機組，不僅可以比電鍋爐大大節約用電，而且也完全可以利用低價谷電，來大大降低運行的成本。
一個以熱泵熱水機組為熱源的中央熱水系統，最基本的組成是機組、蓄熱水箱、循環加熱泵及其管路和室內熱水輸配系統。而前三者綜合起來，可以稱之為“熱源部分”。熱源部分由機組，通過循環加熱泵和相應管路與蓄熱水箱構成一個加熱循環，加熱后的熱水通過泵或重力外送，圖1就是一個開式循環加熱熱源系統。圖2是一個閉式循環加熱系統。
圖1 開式循環加熱系統
圖2 閉式循環加熱系統
空氣源熱泵熱水機組在制取熱水的過程中，不斷把週圍空氣溫度降下來，如果能將這部分冷空氣送入房間中，便達到了“免費”供冷的目的。如果是水源熱泵熱水機組，那麼，完全可以做到一側制取熱水，而另一側把空調冷回水的水溫降下來，又成為空調用的合格冷水，達到了一機兩用的目的：在制取生活熱水的同時，又提供了一部分空調用的冷水。反過來說，利用熱泵原理，可以將一台空調用風冷或水冷熱泵冷水機組，改裝為以產空調用冷水為主、兼供生活熱水的兩用機組，機組全部或部分利用了制冷循環中的冷凝熱來制熱水。目前，一台熱回收型的水源熱泵熱水機組，可以吸取15-60℃的低品位水（海水、污水、建築中水、空調冷水、冷卻水、工業廢水等）的熱量，來制取60-90℃的高品位熱水，作為采暖熱水、生活熱水或工業用熱水。利用熱泵技術來制取生活熱水的熱水系統，具有安全、可靠、高質、節能、環保、使用靈活、運行經濟、能源（電）受國際市場的影響小的特點，可以廣氾用於住宅、醫院、賓館、酒店、學校、美容理髮、餐飲洗浴，以及室內游泳池、桑拿等場所。
――因為熱源僅用少量的電能和空氣中或水中的熱量，根本不用燃油、燃氣、燃煤或液化石油氣等礦物燃料，沒有燃燒生成物，也沒有任何有害氣體排放，沒有火災、爆炸的危險，因此十分安全；
――因為有良好的控制系統和蓄熱水箱，可以做到每日充沛的供水量和滿足每日高峰供水的需要。設有液位和溫度的控制，保証水溫低了，熱泵啟動制熱；液位低了，自動補充冷水；熱水多了，可以由蓄熱水箱調節儲存；系統回水溫度低了，會自動開啟循環水泵以及熱泵再加熱儲存的溫水，出口水溫長期過低，可以啟動輔助電加熱器作短期加熱，因而，熱泵熱水系統的供水溫度穩定可靠，供水水量充足，供水質量有保証；
――熱泵制熱係數（能效比）恆大於1，全年平均的能效比可達3-4，因而比任何一種礦物燃料燃燒的制熱效率高，也因此是最為節能的熱水機組，即使與太陽能熱水系統比較，熱泵熱水系統的運行費用也會比較低。如果當地的太陽能全年的利用天數僅在2/3之內（太陽能的利用受晝夜、陰晴、雨雪和季節影響很大，除西藏、新疆、青海外，一般地區全年平均有效利用太陽能的天數不足全年的2/3，即不足250天），而且其輔助加熱也是用電加熱的話，那麼，熱泵熱水機組的用電、可以與太陽能熱水系統的用電持平，或者還要比太陽能系統節電；
――熱泵熱水機組無任何CO2、NOX等溫室氣體和有害氣體排放。對地球的溫室效應無任何影響，其制冷工質是按蒙特利爾公約規定，可以允許應用的HFC工質；其使用的熱源是清潔的空氣、水以及少量的電能，因而，熱泵熱水機組運行時，不會破坏週圍環境的生態，是符合環境保護的。
――由於熱泵熱水機組的制熱效率比任何燃燒礦物燃料的制熱設備的熱效率高，可以大大減少電能的消耗，而且，電的價格受市場的衝擊小，價格比較穩定，因此，熱水的製造成本也比較穩定，比較經濟。如果可以利用低價谷電和採取蓄熱措施，則熱水製造成本會更低。
關鍵詞：生活熱水 熱泵技術 熱水機組 空調余熱利用
1 生活熱水是現代人生活的必需，節能環保是社會發展的根本
熱水是每家每戶必不可少的生活資源。過去在人們極不富裕的情況下，為了取得一點生活熱水，甚至想洗一個熱水澡，都是一種 。過去，人們用柴火來燒熱水，每天有几壺暖瓶的熱水，就是一種幸福和享受。為了節省燒水的柴火，城里的人們，到“老虎灶”去“泡”水來用。過去艱苦的年代終於過去了，隨着改革、開放，人民的生活有了極大的提高。城里每家每戶都有了煤氣供應，大大方便了燒熱水。以後電熱水器、燃氣熱水器大量進入尋常百姓家，每個家庭用熱水有了保証。至於酒店、賓館等等商業設施，自然必須有集中的熱水供應。目前，就連學生宿舍、小區住宅，都紛紛安裝上了中央熱水系統，保証了人們對於熱水的需求，洗臉洗澡，做飯洗菜等都用上了熱水，使人們沐浴在一個“溫暖、溫馨”的天地里。
社會在進步，生活質量在不斷提高。為了2020年我國進入進一步小康的社會，為了社會可持續發展，節能和環保這兩大問題相當突出了。當前生活熱水供應的耗能是很高的，椐統計，城市各類商業建築生活熱水的能耗約為其建築總能耗的10-40%（其中，寫字樓約為2.7%；商場10.7%；飯店31%；醫院41.8%）；城市民用建築生活熱水能耗約為其建築總能耗的20-30%。而建築能耗約占整個社會總能耗的30%，這樣折算下來，熱水的能耗約為整個社會總能耗的3-4%，根據估算，為滿足全國城鎮居民生活熱水供應（年人均耗用熱水25-35升/日），一年約要耗用相當于1750億到2450億度電的能量。高能耗是常規熱水技術無法克服的缺點。用柴火來燒熱水，自然過於原始，也在破坏寶貴的森林資源。即使用煤氣、燃油去制取熱水，還面臨一個對於礦物燃料資源的過度消耗（我國的人口占世界21%，但石油儲量僅占1.8%；天然氣僅占世界0.7%，我國石油的對外依賴度達到57%）和對環境污染的問題。
無論是家用或是中央熱水系統，目前，極大多數所使用的熱源是煤、煤氣、燃油或電力，也有用蒸汽-水熱交換器來產生熱水，但蒸汽也是用煤或燃油、燃氣來產生的。使用礦物燃料來產生熱水，有一個投入/產出的問題，一般是投入的能量多，而產出的熱量少一些。這就是熱源設備的熱效率。從下列表格可以看到各種燃料（熱源）的低位發熱量和熱源設備的熱效率。
表1 燃料低位發熱量和熱源設備的熱效率
燃料或熱源設備名稱 單位 低位發熱量（大卡） 熱源設備熱效率% 實際轉化成熱水的熱量（大卡） 投入/產出的能量之比(能效比)%
煤（標煤）
城市煤氣
天然氣
液化石油氣
0#柴油
電力
蒸汽（0.6MPa）
（指汽-水換熱器）
熱泵熱水機組 公斤
立方米
立方米
公斤
公斤
度
公斤
輸入電量-度 7000
3800
8600
10500
10200
860
663
860 60
85
85
85
80
95
90
350 4200
3230
7310
8925
8160
817
597
3010 0.60
0.85
0.85
0.85
0.8
0.95
0.90
3.50
從表中我們可以看出，目前所使用的燃料和熱源設備，總是投入能量比產出的熱量大，也就是說，其熱效率總是小於1的，即使是用電，其轉化的熱效率 ，也只有95-98%，但一度電也只能轉化為817大卡的熱量。那麼，能否找到一個制熱效率大於1的熱源設備呢？
2 用熱泵原理制取生活熱水是當前最為節能、環保的手段
熱泵技術是一種熱能回收技術，使用熱泵技術，利用空氣中、水中所蘊藏的趨於無限的能量，一年四季都可以將空氣中和水中取出的熱量來製造熱水。利用熱泵原理製造的熱水機組是一種熱效率大於1的設備。無論是水源熱泵或者空氣源熱泵，都是可以吸取低溫水源或空氣源的熱量，再將這一些熱量連同本身所消耗的一部分電能所轉化的熱量，轉送到常溫環境條件下去應用。就拿空氣源熱泵熱水機組而言，利用了制冷工質循環過程的“泵”熱原理，完全可以做到“1+2=3”甚至“1+3=4”。公式中“1”是熱泵所消耗的一份能量（電能），而“2”、“3”是從空氣中所吸取的熱量，“3”或“4”就是用來制取熱水的熱量。即使在冬季日平均氣溫下，空氣源熱泵機組的能效比COP，也可以達到2.5左右，即耗用一度電，就可以得到2150大卡的熱量。也就是說，要得到同樣數量的熱水，使用熱泵熱水機組的耗電僅是電鍋爐的1/3-1/4。而且到了夏季，隨着氣溫的升高，空氣源熱泵熱水機組的制熱效率更高，COP可以達到5，而電鍋爐的熱效率並不因為氣溫升高而提高。
熱泵熱水機組（水源或空氣源）是當前最為節能的、最為環保的制取熱水的設備，也是最為安全、可靠的、最為簡便的熱水設備。當前，燃油、燃氣、燃煤的價格受國際市場的影響，不斷攀升，人們又轉向于用電來供暖和制取熱水，當前採用電鍋爐加上蓄熱技術的方案，也已得到國家電力部門的認可。而採用熱泵熱水機組加上蓄熱技術來制取熱水，雖然都是用電，但用熱泵熱水機組，不僅可以比電鍋爐大大節約用電，而且也完全可以利用低價谷電，來大大降低運行的成本。
一個以熱泵熱水機組為熱源的中央熱水系統，最基本的組成是機組、蓄熱水箱、循環加熱泵及其管路和室內熱水輸配系統。而前三者綜合起來，可以稱之為“熱源部分”。熱源部分由機組，通過循環加熱泵和相應管路與蓄熱水箱構成一個加熱循環，加熱后的熱水通過泵或重力外送，圖1就是一個開式循環加熱熱源系統。圖2是一個閉式循環加熱系統。
圖1 開式循環加熱系統
圖2 閉式循環加熱系統
空氣源熱泵熱水機組在制取熱水的過程中，不斷把週圍空氣溫度降下來，如果能將這部分冷空氣送入房間中，便達到了“免費”供冷的目的。如果是水源熱泵熱水機組，那麼，完全可以做到一側制取熱水，而另一側把空調冷回水的水溫降下來，又成為空調用的合格冷水，達到了一機兩用的目的：在制取生活熱水的同時，又提供了一部分空調用的冷水。反過來說，利用熱泵原理，可以將一台空調用風冷或水冷熱泵冷水機組，改裝為以產空調用冷水為主、兼供生活熱水的兩用機組，機組全部或部分利用了制冷循環中的冷凝熱來制熱水。目前，一台熱回收型的水源熱泵熱水機組，可以吸取15-60℃的低品位水（海水、污水、建築中水、空調冷水、冷卻水、工業廢水等）的熱量，來制取60-90℃的高品位熱水，作為采暖熱水、生活熱水或工業用熱水。利用熱泵技術來制取生活熱水的熱水系統，具有安全、可靠、高質、節能、環保、使用靈活、運行經濟、能源（電）受國際市場的影響小的特點，可以廣氾用於住宅、醫院、賓館、酒店、學校、美容理髮、餐飲洗浴，以及室內游泳池、桑拿等場所。
――因為熱源僅用少量的電能和空氣中或水中的熱量，根本不用燃油、燃氣、燃煤或液化石油氣等礦物燃料，沒有燃燒生成物，也沒有任何有害氣體排放，沒有火災、爆炸的危險，因此十分安全；
――因為有良好的控制系統和蓄熱水箱，可以做到每日充沛的供水量和滿足每日高峰供水的需要。設有液位和溫度的控制，保証水溫低了，熱泵啟動制熱；液位低了，自動補充冷水；熱水多了，可以由蓄熱水箱調節儲存；系統回水溫度低了，會自動開啟循環水泵以及熱泵再加熱儲存的溫水，出口水溫長期過低，可以啟動輔助電加熱器作短期加熱，因而，熱泵熱水系統的供水溫度穩定可靠，供水水量充足，供水質量有保証；
――熱泵制熱係數（能效比）恆大於1，全年平均的能效比可達3-4，因而比任何一種礦物燃料燃燒的制熱效率高，也因此是最為節能的熱水機組，即使與太陽能熱水系統比較，熱泵熱水系統的運行費用也會比較低。如果當地的太陽能全年的利用天數僅在2/3之內（太陽能的利用受晝夜、陰晴、雨雪和季節影響很大，除西藏、新疆、青海外，一般地區全年平均有效利用太陽能的天數不足全年的2/3，即不足250天），而且其輔助加熱也是用電加熱的話，那麼，熱泵熱水機組的用電、可以與太陽能熱水系統的用電持平，或者還要比太陽能系統節電；
――熱泵熱水機組無任何CO2、NOX等溫室氣體和有害氣體排放。對地球的溫室效應無任何影響，其制冷工質是按蒙特利爾公約規定，可以允許應用的HFC工質；其使用的熱源是清潔的空氣、水以及少量的電能，因而，熱泵熱水機組運行時，不會破坏週圍環境的生態，是符合環境保護的。
――由於熱泵熱水機組的制熱效率比任何燃燒礦物燃料的制熱設備的熱效率高，可以大大減少電能的消耗，而且，電的價格受市場的衝擊小，價格比較穩定，因此，熱水的製造成本也比較穩定，比較經濟。如果可以利用低價谷電和採取蓄熱措施，則熱水製造成本會更低。