熊 靜，莊曉如，楊文寧，黃學(xué)章

（1.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；2.中南大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)與計(jì)算技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083）

1 引言

空氣源熱泵是繼燃?xì)鉄崴?、電熱水器及太?yáng)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(jì)等優(yōu)勢(shì)，其能源利用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的熱水器，近幾年來(lái)，空氣源熱泵熱水器勢(shì)頭強(qiáng)勁，尤其是在商用市場(chǎng)上，它迅速搶占了其他幾類熱水機(jī)組的市場(chǎng)份額。本文就此進(jìn)行了調(diào)研，并從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面進(jìn)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(dòng)熱泵中的制冷劑循環(huán)流動(dòng)，“吸收”空氣中的能量，用來(lái)加熱生活用水的熱水器，即是通過(guò)消耗部分高品質(zhì)能量（電能），把熱量從低溫?zé)嵩矗ōh(huán)境介質(zhì)）轉(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩矗ㄉ钣盟┑难b置?？諝庠礋岜脽崴鞯南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、熱力膨脹閥、冷凝器、儲(chǔ)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(jì)性分析

為了對(duì)空氣源熱泵熱水器的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，本文以某大學(xué)澡堂熱水供應(yīng)為例進(jìn)行計(jì)算。該大學(xué)的澡堂原來(lái)是使用鍋爐燒煤來(lái)提供熱水，到2007年換用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)機(jī)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(yíng)業(yè)時(shí)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)煤（燃燒效率取60%）計(jì)算每天需燒煤量：

折算后標(biāo)準(zhǔn)煤按1 000元／t計(jì)算，由于鍋爐需要有專門人員負(fù)責(zé)定時(shí)添加燃料，工人工資按1 500元／月，即50元／d計(jì)算，則該方式1d所需的總運(yùn)行費(fèi)用（水費(fèi)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(duì)于以鍋爐燒煤的方式獲取熱水的系統(tǒng)，其效率不高，又因?yàn)橐悦簽槿剂?，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(dāng)時(shí)容易爆炸，存在安全隱患。

3.2 以空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行來(lái)獲取熱量

該澡堂的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是由4臺(tái)熱泵機(jī)組組成，每臺(tái)型號(hào)相同，各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 某品牌空氣源熱泵熱水機(jī)組的各項(xiàng)指標(biāo)

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(fù)責(zé)燒水，只需要值班的工作人員早上上班的時(shí)候打開(kāi)開(kāi)關(guān)使系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，晚上下班時(shí)將總開(kāi)關(guān)關(guān)閉即可，所以不需要雇用一個(gè)燒水工人。

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

度計(jì)算，則該系統(tǒng)1d所需的總運(yùn)行費(fèi)用（水費(fèi)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(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了水電完全分離，消除了漏電隱患，具有安全性。

3.3 對(duì)比分析

從以上分析可得，就系統(tǒng)1d的總運(yùn)行費(fèi)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(jī)組設(shè)備價(jià)格（30 000～35 000元）要高于鍋爐設(shè)備的價(jià)格（15 000～18 000元），但在一定時(shí)間內(nèi)便可收回成本；就1d的凈收益而言，如果按運(yùn)行時(shí)間為15年，因?yàn)椴⒉皇敲刻於加?00人來(lái)洗澡，故每年折算為180d來(lái)計(jì)算，每人每次洗澡的費(fèi)用為3元，則兩種設(shè)備的費(fèi)用支出情況見(jiàn)表2。

表2 兩種設(shè)備費(fèi)用支出對(duì)比

由表2可見(jiàn)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(jī)組是把熱量Q0從低溫?zé)嵩矗ㄍ饨绛h(huán)境）傳到高溫?zé)嵩矗ㄐ璞患訜岬臒崴^(guò)程中所消耗的功 W（用電提供）并沒(méi)有消失，也轉(zhuǎn)化成熱量釋放到高溫?zé)嵩粗?，所以高溫?zé)嵩吹玫降臒崃縌k是Q0和W之和。一般從低溫?zé)嵩粗形盏臒崃縌0要大于消耗的功W，故高溫?zé)嵩此@得的熱量Qk要遠(yuǎn)大于所消耗掉的功W。

依據(jù)國(guó)內(nèi)空氣源熱泵熱水機(jī)組樣本及資料統(tǒng)計(jì)，在額定工況下，空氣源熱泵熱水機(jī)組的制熱性能系數(shù)可達(dá)4以上（在分析中的空氣源熱泵熱水機(jī)組的制熱性能系數(shù)就達(dá)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(lái)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(xué)能還得不到一份用來(lái)加熱水的熱量。這是因?yàn)槠湓谶\(yùn)行燃燒時(shí)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(jī)組能達(dá)到4以上。

4 空氣源熱泵熱水器的社會(huì)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(shí)需要用電551kW·h。假設(shè)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(biāo)準(zhǔn)煤可以發(fā)電3 000kW·h，則551kW·h電相當(dāng)于需消耗標(biāo)煤184kg。按燒煤鍋爐每燃燒1t標(biāo)準(zhǔn)煤，會(huì)產(chǎn)生CO2為2 620kg，SO2為8.5kg，NOx為7.4kg來(lái)計(jì)算等效的有害氣體排放量。

經(jīng)計(jì)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(jiàn)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(duì)比

由表3可得，空氣源熱泵熱水器的有害氣體排放量無(wú)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(zāi)害的頻次和強(qiáng)度，從而保護(hù)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(dāng)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(yǔ)

按運(yùn)行15年計(jì)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(wàn)元的收入，相當(dāng)于增加35%的收益，同時(shí)使用空氣源熱泵熱水器產(chǎn)生的有害氣體排放量無(wú)論是CO2、SO2還是NOx都幾乎為燃煤鍋爐的1／4，因此無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)效益還是社會(huì)效益，空氣源熱泵熱水器都具有優(yōu)越性。

同時(shí)，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?xì)鉄崴鞯膽魯?shù)分別為：34、10、5、1，即已有一半以上的酒店和大學(xué)使用熱泵機(jī)組作為其熱水系統(tǒng)，而且使用者對(duì)熱泵熱水器的滿意度均較高，認(rèn)為空氣源熱泵熱水系統(tǒng)機(jī)組節(jié)能效果明顯，且使用安全、方便。相關(guān)數(shù)據(jù)也顯示商用型空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的應(yīng)用從2005年開(kāi)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(shuō)明了空氣源熱泵熱水器在商用方面的應(yīng)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(shè)備［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2010.

［2］趙恒誼.家用空氣源熱泵熱水器市場(chǎng)研究［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2007.