盧芮欣 北京化工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100029

熱泵熱水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益分析
——以高校為例

盧芮欣 北京化工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100029

隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的突顯，我國(guó)高校的節(jié)能減排工作也應(yīng)加強(qiáng)，而學(xué)生生活熱水的能耗節(jié)約是其重要方面之一。解決之道要從改變傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)效率和減少污染入手，即要選擇一個(gè)高效、節(jié)能、無(wú)污染的熱水系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng)相比其他熱水系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的特性，案例分析表明熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)保性明顯，符合國(guó)家節(jié)能減排的要求，非常適合作為學(xué)校生活熱水系統(tǒng)。

節(jié)能減排；熱泵；熱水系統(tǒng)；高校；空氣源熱泵；能耗

隨著我國(guó)高等教育事業(yè)的發(fā)展，熱水系統(tǒng)作為生活中不可或缺的配套設(shè)施，在每個(gè)高校的基礎(chǔ)建設(shè)中起著重要的作用。尤其近年日益增長(zhǎng)的能源緊張問(wèn)題和高校擴(kuò)張使得高校的能源耗損和經(jīng)營(yíng)成本逐年上漲，學(xué)生生活熱水耗能是一個(gè)重要方面。因此，大力推廣可再生能源，采用一個(gè)高效、節(jié)能、無(wú)污染的熱水系統(tǒng)，促進(jìn)高?；A(chǔ)建設(shè)綠色可持續(xù)發(fā)展，成為我國(guó)高校改善現(xiàn)狀的方向之一。

熱泵技術(shù)作為近年來(lái)在全世界備受關(guān)注的新能源技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)用同一套設(shè)備完成夏季降溫、冬季取暖和生活熱水的制取，同時(shí)具有節(jié)能環(huán)保、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此，熱泵的推廣和廣泛應(yīng)用不失為緩解污染和能源緊缺的有效途徑，也能很好地解決高校生活熱水的來(lái)源和能耗高的問(wèn)題。

1 熱泵發(fā)展概述

熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低溫?zé)嵩吹臒崮埽?jīng)過(guò)電力做功，提供可為人所用的高溫?zé)嵩吹难b置。熱泵的工作原理與壓縮式制冷機(jī)一致，都是將外界地溫?zé)崃俊氨谩比霚囟容^高的室內(nèi)。熱泵按具體熱源不同可分為空氣源熱泵和地源熱泵，其中地源熱泵又有土壤源熱泵與水源熱泵。

地源熱泵技術(shù)最早源于1912年瑞士Zoelly的一項(xiàng)專(zhuān)利，如今在北美和歐洲已經(jīng)非常成熟，但其真正的商業(yè)應(yīng)用也不過(guò)十幾年的歷史。目前，國(guó)際地源熱泵的發(fā)展呈現(xiàn)出研發(fā)體系完備，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范齊全，設(shè)備效率高，系統(tǒng)種類(lèi)多樣，政府鼓勵(lì)措施力度大等特點(diǎn)。熱泵已逐漸成為21世紀(jì)最有效、最有競(jìng)爭(zhēng)力的空調(diào)技術(shù)。我國(guó)對(duì)地源熱泵的研究始于上世紀(jì)80年代，近年政府的大力推動(dòng)使地源熱泵技術(shù)受到了較廣泛的關(guān)注。2005年，地源熱泵技術(shù)被列為建筑業(yè)十項(xiàng)推廣新技術(shù)之一。2006年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》出臺(tái)，并建立專(zhuān)項(xiàng)基金補(bǔ)貼國(guó)家級(jí)示范項(xiàng)目。我國(guó)地源熱泵市場(chǎng)日趨活躍，在近年的新建別墅、商用建筑、公共建筑、政府建筑及學(xué)校中應(yīng)用較為廣泛。

2 熱泵生活熱水系統(tǒng)

2.1 熱泵熱水系統(tǒng)的特點(diǎn)

現(xiàn)有熱水系統(tǒng)的熱源主要有傳統(tǒng)式如以天然氣、煤氣、燃油等為主的燃?xì)鉄崴到y(tǒng)和電熱系統(tǒng)，以及新能源式的太陽(yáng)能系統(tǒng)和三大熱泵系統(tǒng)。特性對(duì)比如表1。

表2 各類(lèi)熱泵的特點(diǎn)

2.2 各類(lèi)熱泵的特點(diǎn)比較

熱泵熱水機(jī)組通過(guò)少量高位電能的輸入，把不能直接利用的低位熱能轉(zhuǎn)化為可以利用的高位能，從而節(jié)約部分高位能。熱泵僅用少量的電能和空氣、水或土壤中的熱量，不使用礦物燃料，無(wú)有害氣體排放，熱源清潔可再生，也沒(méi)有火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)，技術(shù)基本成熟，十分安全環(huán)保。而且熱泵舒適實(shí)用、自動(dòng)化程度高、使用方便，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、體積小，還可以實(shí)現(xiàn)制冷、供暖、生活熱水的一機(jī)多用功能。但是每種熱泵技術(shù)的應(yīng)用都有一定的局限性，在實(shí)際工程中究竟采用哪種熱泵系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選取。

空氣源熱泵在夏季高溫和冬季酷寒的天氣時(shí)效率大大降低，通常需要電能、太陽(yáng)能等進(jìn)行輔助加熱，這種配套使用通常能更有效地實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高性價(jià)比、低耗能、低噪音。

土壤是熱泵的一種良好的低溫?zé)嵩?，它溫度變化很小，且有一定蓄熱作用。地溫年變化相?duì)于氣溫的延遲與衰減，使得以土壤作為冷（熱）源既有利于夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)向地下放熱，也有利于冬季供暖運(yùn)行時(shí)從地下吸熱。但土壤源熱泵所要求的地理地質(zhì)情況限制較多。

水源熱泵可以利用的水體主要為地球表面淺層水源，包括地下水或地下河，地表的河流、湖泊、海洋，以及工業(yè)廢水、生活污水、城市污水等?？捎盟吹臏囟容^穩(wěn)定，儲(chǔ)存于其中的能源近乎無(wú)限。水源熱泵是目前空調(diào)系統(tǒng)中能效比（COP值）最高的制冷制熱方式。但要受到可利用的水源條件、水層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水資源使用政策以及能源結(jié)構(gòu)和價(jià)格等因素的限制，不同的水資源利用的成本差異也相當(dāng)大。在應(yīng)用水源熱泵之前必須做詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能分析。

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幾種熱泵的特點(diǎn)[1-10]比較見(jiàn)表2。

2.3 常用熱源經(jīng)濟(jì)性比較

對(duì)比各常用熱源的熱效率可知熱泵的效率最高，如表3。

對(duì)于能耗成本的計(jì)算，由于各地區(qū)各行業(yè)的電價(jià)差異大，油價(jià)及煤氣價(jià)格也有差別，而且冬夏獲得等溫的水所需熱量也不同，只能引用全年平均概念。以北京地區(qū)每加熱1噸水為例，按溫升40℃計(jì)算，則需要熱量1000kg×40℃×1=40000千卡。各熱源能耗及費(fèi)用一般情況見(jiàn)表4。相比之下，空氣源熱泵熱水器運(yùn)行費(fèi)用最低。因此，土壤源熱泵和水源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用將更低。

3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)應(yīng)用案例

3.1 空氣源熱泵生活熱水系統(tǒng)的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)系統(tǒng)改造成本較高，熱泵系統(tǒng)在新建學(xué)校校區(qū)中應(yīng)用工程較多。下面以某高校A的女浴室電加熱輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)為例分析熱泵熱水系統(tǒng)的節(jié)能效應(yīng)。因地處北方，且為高層公寓集中式熱水供應(yīng)，不具備安裝太陽(yáng)能的條件，本工程配備電加熱系統(tǒng)作為輔助熱源。

本工程自2005年12月開(kāi)始投入運(yùn)行，采用中澳合資山東康特姆新能源有限公司的QHE20-110EC型熱泵熱水器，機(jī)組理論壽命8～10年。機(jī)組總初投資120萬(wàn)元人民幣，現(xiàn)共6臺(tái)機(jī)組。熱泵主機(jī)尺寸為每臺(tái)1700mm ×100mm×1590mm，制冷劑為R417A，制冷劑最大充注量為每臺(tái)6200g，標(biāo)準(zhǔn)制熱量為每臺(tái)59.4kW，總最大功率為每臺(tái)38.3kW。熱泵室內(nèi)采用水循環(huán)系統(tǒng)，室外用空氣散熱。系統(tǒng)流程如圖1。機(jī)組全自動(dòng)，開(kāi)啟使用后基本不需要人工管理操作，只需定期清理附著于機(jī)器上的毛發(fā)、灰塵，檢修壓縮機(jī)、熱泵和線路，調(diào)整溫度即可，省去許多人工費(fèi)。本工程采用開(kāi)式冷熱水雙管路上行下給供水方式，熱泵機(jī)組底下配有80噸的水箱，每晚加滿涼水，自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)加熱。熱泵將水加熱至50攝氏度，然后自動(dòng)兌涼水至所需的設(shè)定溫度，一般為夏季38度，冬季42度，春秋40度。每天可供應(yīng)100噸，最多120噸洗浴熱水，可循環(huán)加水。到冬天，氣溫低于零下5攝氏度時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)開(kāi)啟輔助電加熱器，和熱泵同時(shí)運(yùn)行。

3.2 節(jié)能減排效果分析

據(jù)實(shí)際整體測(cè)算，利用空氣源熱泵制取1噸水約耗電10度，電費(fèi)4.8元，水費(fèi)4元，加上人工費(fèi)、維護(hù)費(fèi)等的總成本約10元。對(duì)比天然氣熱水系統(tǒng)同等條件制取1噸水需總成本約20～22元，其總體經(jīng)濟(jì)性顯而易見(jiàn)。若僅從其運(yùn)行中的節(jié)能效果來(lái)看也是很明顯的。

3.2.1 節(jié)能效果分析。根據(jù)2007到2009三年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為例計(jì)算得，三年平均每噸水耗電量為10.31度。為便于比較將其按熱值折算為標(biāo)準(zhǔn)煤，我國(guó)現(xiàn)行折算標(biāo)準(zhǔn)是1度電折合0.32kg標(biāo)準(zhǔn)煤，每千克標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7000千卡。因此，自來(lái)水按年均15℃計(jì)算，使用熱泵每加熱一噸洗浴水至50℃需耗標(biāo)準(zhǔn)煤3. 3kg。

若使用天然氣同樣條件加熱一噸水，根據(jù)熱量公式Q=cm·△T，需要35438. 77千卡熱量，按實(shí)際熱值需要5.21m3，即3.72kg天然氣。根據(jù)公式，某種能源折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)＝某種能源實(shí)際熱值（千卡/ kg）/7000（千卡/kg），算得天然氣折算標(biāo)煤系數(shù)為1.36。由此，使用天然氣每加熱一噸洗浴水至50℃需耗標(biāo)準(zhǔn)煤5.06kg。

對(duì)比可知，使用熱泵的能耗是天然氣的65%，節(jié)能達(dá)到34%，平均年節(jié)能相當(dāng)于70880kg標(biāo)準(zhǔn)煤，221502度電，年平均節(jié)省24萬(wàn)元的總成本。

3.2.2 減排效果分析。根據(jù)國(guó)家有關(guān)部委公布的《碳排放計(jì)算器》“節(jié)約1kg標(biāo)準(zhǔn)煤=減排2.493kg二氧化碳=減排0.68kg碳=減排8.5kg二氧化硫=減排7.4kg氮氧化物”，計(jì)算本項(xiàng)目的主要污染物減排量數(shù)據(jù)如表5，減排效果亦十分明顯。

4 結(jié)論

（1）熱泵技術(shù)能利用空氣、水、土壤、太陽(yáng)能等自然資源中蘊(yùn)藏的無(wú)窮無(wú)盡的低品位熱能，但每種熱泵技術(shù)的應(yīng)用都受到一定的局限。如土壤源熱泵地下?lián)Q熱器占用較大的地下空間和初投資；地下水源熱泵可能污染地下水；空氣源熱泵要考慮冬季除霜和效能等等。在實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后選取熱泵系統(tǒng)?？蓪⒍喾N熱泵技術(shù)形成多熱源耦合的熱泵系統(tǒng)能使多種低品位能源得到綜合利用、互為補(bǔ)充，是更實(shí)用經(jīng)濟(jì)節(jié)能的方式。

（2）熱泵系統(tǒng)無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性還是減排效果上都具有其他技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)建筑節(jié)能和空調(diào)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

總之，熱泵熱水系統(tǒng)作為學(xué)校生活熱水系統(tǒng)是合適的，也是目前最經(jīng)濟(jì)的，能符合國(guó)家節(jié)能減排的要求。如何進(jìn)一步加快傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的改造和熱泵的推廣應(yīng)用將是下一步需要關(guān)注的問(wèn)題。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.14.106

國(guó)家教育部大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：091001028）。

盧芮欣，本科，主要研究方向?yàn)樾履茉?、技術(shù)經(jīng)濟(jì)。