【摘 要】本文闡述了空氣源熱泵熱水機(jī)組的基本工作原理，及在南京體育學(xué)院安裝使用南京寧志太陽(yáng)能設(shè)備有限公司制造的NZRS3-3-3型熱水機(jī)組帶來(lái)的可觀的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。以及本人對(duì)這種高效、環(huán)保、節(jié)能設(shè)備對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)建設(shè)及社會(huì)生活的影響的點(diǎn)滴認(rèn)識(shí)。

【關(guān)鍵詞】空氣源熱泵；熱泵熱水機(jī)組；性能系數(shù)COP

0 前言

隨著改革開(kāi)放和大規(guī)模的基本建設(shè)的發(fā)展、人們對(duì)于生活環(huán)境的要求越來(lái)越高，空調(diào)系統(tǒng)作為室內(nèi)空氣參數(shù)的主要調(diào)節(jié)裝置也就相應(yīng)的越來(lái)越普及。人們對(duì)空調(diào)的要求也從原來(lái)的夏季制冷發(fā)展到冬暖夏涼，發(fā)展到對(duì)空氣品質(zhì)的進(jìn)一步要求。而且在能源緊缺、強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的今天，在某些大城市和特殊地區(qū)，出于環(huán)保的考慮限制使用鍋爐供暖，于是電動(dòng)熱泵技術(shù)成了人們的首選。其中又以空氣源熱泵冷熱水機(jī)組較為常見(jiàn)。

南京體育學(xué)院地處中山陵風(fēng)景區(qū)內(nèi)，保護(hù)、美化中山陵風(fēng)景區(qū)的生態(tài)環(huán)境是駐景區(qū)各單位義不容辭的責(zé)任。我院的教工、學(xué)生浴室是我院的一大能源消耗大項(xiàng)目，盡管我們對(duì)現(xiàn)有的燃煤鍋爐采用了高效的消煙除塵設(shè)備，但任舊不能達(dá)到景區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)，為此院領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)南京市的相關(guān)規(guī)定決定對(duì)制熱設(shè)備進(jìn)行更換，要求采用高效、節(jié)能環(huán)保型的熱水設(shè)備，后勤總務(wù)部門(mén)經(jīng)過(guò)多方面的考察論證，最終選定了采用空氣源熱泵熱水機(jī)組的改造方案。并于2004年9月初投入試運(yùn)行。近兩年來(lái)的運(yùn)行機(jī)組經(jīng)歷了夏、秋、冬、春四季各類(lèi)的復(fù)雜氣候的考驗(yàn)，尤其是-8℃以下的低溫運(yùn)行，在此期間設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，年消耗電能費(fèi)用與同比支出的燃料費(fèi)用減少近30萬(wàn)元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，保護(hù)和美化了中山陵風(fēng)景區(qū)，為我們的子孫后代留下了一片美好的世界。

1 正文

1.1 空氣能熱泵熱水機(jī)組（空氣源熱泵熱水機(jī)組）的工作原理

在自然界中，水總由高處流向低處，熱量也總是從高溫傳向低溫。但人們可以用水泵把水從低處提升到高處，從而實(shí)現(xiàn)水的由低處向高處流動(dòng)，熱泵同樣可以把熱量從低溫傳遞到高溫。所以熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周?chē)h(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對(duì)象（溫度較高的物體），其工作原理與制冷機(jī)相同，都是按照逆卡諾循環(huán)工作的，所不同的只是工作溫度范圍不一樣。一臺(tái)壓縮式熱泵裝置，主要有蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過(guò)讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過(guò)程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中（如圖1所示）。

圖1

熱泵在工作時(shí)，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量QA在蒸發(fā)器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機(jī)耗電QB；通過(guò)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進(jìn)行放熱QC，QC=QA+QB，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機(jī)做的功QB和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量QA；因此，采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量的電能。

1.2 空氣能熱泵熱水機(jī)組（空氣源熱泵熱水機(jī)組）的發(fā)展

熱泵技術(shù)發(fā)展史隨著工業(yè)革命的發(fā)展，19世紀(jì)初，人們對(duì)能否將熱量從溫度較低的介質(zhì)“泵”送到溫度較高的介質(zhì)中這一問(wèn)題發(fā)生了濃厚的興趣。英國(guó)物理學(xué)家J.P.Joule提出了“通過(guò)改變可壓縮流體的壓力就能夠使其溫度發(fā)生變化”的原理。1854年，W.Thomson教授（即大家熟知的Lord Kelvin勛爵）發(fā)表論文，提出了熱量倍增器（Heat Multiplier）的概念，首次描述了熱泵的設(shè)想。

當(dāng)時(shí)，熱泵供暖的對(duì)象主要是民用，供暖需求總量小，特別是對(duì)由于采暖方式及其對(duì)環(huán)境的影響尚沒(méi)有足夠的意識(shí)。人們采暖的方式主要是燃煤和木材，因而，熱泵的發(fā)展長(zhǎng)期明顯滯后于空調(diào)的發(fā)展。

20世紀(jì)30年代，隨著氟利昂制冷機(jī)的發(fā)展，熱泵有了較快的發(fā)展。特別是二戰(zhàn)以后，工業(yè)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)足發(fā)展帶來(lái)的對(duì)供熱的大量需求及相對(duì)能源短缺，促進(jìn)了大型供熱及工業(yè)用熱泵的發(fā)展。1973年的全球性能源危機(jī)，進(jìn)一步促進(jìn)了熱泵在全世界范圍內(nèi)的發(fā)展。但熱泵在世界范圍內(nèi)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用是最近20年的事，如美國(guó)，截止1985年全國(guó)共有14，000臺(tái)地源熱泵，而1997年就安裝了45，000臺(tái)，到目前為止已安裝了400，000臺(tái)，而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。

我國(guó)的熱泵事業(yè)近幾年已開(kāi)始起步，而且發(fā)展勢(shì)頭看好。目前，我國(guó)利用較多的是水源熱泵，而用空氣源熱泵制取生活用熱水在國(guó)內(nèi)近兩年剛剛起步。

1.3 空氣能熱泵熱水機(jī)組（空氣源熱泵熱水機(jī)組）的特點(diǎn)

空氣源熱泵熱水機(jī)組是由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥等設(shè)備與附件及控制系統(tǒng)等組成的可制備熱水的設(shè)備。按機(jī)組的容量大小分，又分為別墅式小型機(jī)組（制熱量10.6～52.8kW），中、大型機(jī)組（制熱量70.3～1406.8kW）。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1）高效節(jié)能：其輸出能量與輸入電能之比即能效比（COP）一般在3～5之間，平均可達(dá)到3以上，而普通電熱水鍋爐的能效比（COP）不大于0.90，燃?xì)?、燃油鍋爐的能效 比（COP）一般只有0.6～0.8，燃煤鍋爐的能效比（COP）更低一般只有0.3～0.7。

2）環(huán)保無(wú)污染：該產(chǎn)品是通過(guò)吸收環(huán)境中的熱量來(lái)制取熱水，所以與傳統(tǒng)型的煤、油、 氣等燃燒加熱制取熱水方式相比，無(wú)任何燃燒外排物，制冷劑對(duì)臭氧層零污染，是一種低能耗的環(huán)保產(chǎn)品，具有良好的社會(huì)效益，是一種可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保型產(chǎn)品。

3）運(yùn)行安全可靠：整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行無(wú)傳統(tǒng)熱水器（燃油、燃?xì)?、燃煤）中可能存在的易燃、易爆、中毒、腐蝕、短路、觸電等危險(xiǎn)，熱水通過(guò)高溫冷媒與水進(jìn)行熱交換得到，電與水在物理上分離，是一種完全可靠的熱水系統(tǒng)。

4）使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用低：該產(chǎn)品的使用壽命可長(zhǎng)達(dá)15年以上，設(shè)備性能穩(wěn)定，運(yùn)行安全可靠，并可實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作（全自動(dòng)化智能程序控制）。

5）可一年四季全天候運(yùn)行：該機(jī)組熱源來(lái)源廣泛，包括陽(yáng)光、雨水、空氣、地下水和土壤等，無(wú)論白天、黑夜、室內(nèi)、室外、地下室，不管晴天、陰天、刮風(fēng)下雨或下雪都能照常工作。

6）適用范圍廣：可用于酒店、賓館、工礦、學(xué)校、醫(yī)院、桑拿浴室、美容院、游泳池、溫室、養(yǎng)殖場(chǎng)、洗衣店、家庭等，可單獨(dú)使用，亦可集中使用，不同的供熱要求可選擇不同的產(chǎn)品系列和安裝設(shè)計(jì)。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，將在整體上達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1.4 空氣源熱泵熱水機(jī)組（空氣源熱泵熱水機(jī)組）的分類(lèi)

1）從熱輸配對(duì)象分為：空氣/水-空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，空氣/空氣-空氣源熱泵熱水機(jī)組；

2）從容量分為：小型（7kW以下）、中型、大型（>70kW）；

3）從壓縮機(jī)型式分為：渦旋式、轉(zhuǎn)子式、活塞式、螺桿式、離心式；

4）從功能分為：一般功能的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，熱回收型的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，冰蓄冷型的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組；

5）從驅(qū)動(dòng)方式分為：燃?xì)庵苯域?qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)。

1.5 空氣源熱泵熱水機(jī)組在南京體育學(xué)院的使用

1.5.1 機(jī)組的基本性能

我院根據(jù)教工、學(xué)生浴室的熱水需求，首次選用安裝了南京地區(qū)第一臺(tái)45kW空氣源熱泵熱水機(jī)組，該機(jī)組是南京寧志太陽(yáng)能設(shè)備有限公司制造的NZRS3-3-3型熱水機(jī)組，該機(jī)組為14個(gè)模塊式機(jī)組組成，每個(gè)模塊單元熱水換熱器均為獨(dú)立的供熱單元，其進(jìn)出水管都并接在進(jìn)出冷熱水總管上。任何一個(gè)模塊單元發(fā)生故障都不影響系統(tǒng)的正常供熱。該機(jī)組模塊的基本性能參數(shù)如表1：

表1

1.5.2 機(jī)組的容量選擇

在日常運(yùn)行中，有時(shí)也會(huì)有個(gè)別模塊發(fā)生故障，很快就能排除故障，不影響正常使用，因此，設(shè)計(jì)機(jī)組功率時(shí)，按每日55℃熱水總用量（噸）×系數(shù)（1.25-1.35）計(jì)算為機(jī)組總輸入功率。

1.5.3 貯熱水箱的容量選擇

根據(jù)我單位浴室開(kāi)放時(shí)間都是集中在每日的晚餐前后這個(gè)時(shí)段，而熱泵機(jī)組是24小時(shí)均衡產(chǎn)熱水的，因此在浴室開(kāi)放之前，就要儲(chǔ)足浴室開(kāi)飯所需的熱水量，按每人每次耗用55℃熱水68公斤計(jì)算，我們選擇了2個(gè)20噸的熱水儲(chǔ)水箱，對(duì)機(jī)組生產(chǎn)的熱水進(jìn)行儲(chǔ)存，以備浴室開(kāi)放時(shí)供應(yīng)。

1.5.4 機(jī)組工作流程

該機(jī)組工作流程比較簡(jiǎn)單：主要有5個(gè)部分組成：1）壓縮機(jī)；2）工作介質(zhì)（氟利昂）；3）裝有軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制空氣流動(dòng)的蒸發(fā)器；4）裝有待加熱水的冷凝器；5）膨脹閥，以上部分由管路連接成為一個(gè)封閉的環(huán)路，工作介質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)的運(yùn)行，使其在蒸發(fā)器和冷凝器之間來(lái)回完成汽、液態(tài)的轉(zhuǎn)化，從而完成空氣中熱能到待加熱水的熱量的傳遞。機(jī)組的工作壓力為1.5±0.1kg，當(dāng)蒸發(fā)器中的水逐步吸收工作介質(zhì)的熱量升溫至55℃時(shí)，蒸發(fā)器冷水進(jìn)口閥自動(dòng)開(kāi)啟，將蒸發(fā)器內(nèi)的55℃熱水壓進(jìn)儲(chǔ)熱水水箱中，此過(guò)程自動(dòng)循環(huán)工作，當(dāng)儲(chǔ)熱水水箱儲(chǔ)滿時(shí)，機(jī)組自動(dòng)切斷電源停止工作，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱水位下降時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟機(jī)組開(kāi)始熱水的生產(chǎn)，當(dāng)用戶選擇了適當(dāng)容量的機(jī)組和儲(chǔ)熱水箱，空氣源熱泵熱水機(jī)組將完全滿足用戶的需求保障熱源的供應(yīng)。

1.5.5 機(jī)組的能效比（COP）

空氣源熱泵熱水機(jī)組的能效比又稱(chēng)性能系數(shù)（COP）是指熱泵的制熱量與輸入功率之比，比值越大說(shuō)明機(jī)組的效率越高，節(jié)能越明顯。自2004年9月10日機(jī)組投入運(yùn)行以來(lái)經(jīng)過(guò)近2年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，我院使用的熱泵熱水機(jī)組年平均COP達(dá)到3.0以上，全年氣溫較低的1、2月份COP仍達(dá)到2.5以上，詳見(jiàn)機(jī)組能效統(tǒng)計(jì)表：

NZRS3-3-3空氣源熱泵熱水機(jī)組1-12月份COP值統(tǒng)計(jì)表（表2）

由該表可以看出，機(jī)組年平均COP達(dá)到3以上，用百分?jǐn)?shù)表示為331%，完全達(dá)到并超過(guò)了設(shè)計(jì)的要求。

2 結(jié)論通過(guò)對(duì)空氣源熱泵熱水機(jī)組的原理的簡(jiǎn)單了解，及縱觀該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展歷史與當(dāng)今全球性的能源緊張的局勢(shì)的對(duì)比，以及對(duì)該類(lèi)機(jī)組的分析，不難看出隨著能源緊張的進(jìn)一步凸現(xiàn)，節(jié)能環(huán)保的設(shè)備的使用將是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的主流。通過(guò)南京體育學(xué)院使用寧志NZRS3-3-3空氣源熱泵熱水機(jī)組，近兩年來(lái)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與往年同期燃煤、燃?xì)忮仩t的燃料消耗費(fèi)相比僅為燃?xì)赓M(fèi)用的四分之一，年同期比較可節(jié)約費(fèi)用308751元，預(yù)計(jì)機(jī)組投入運(yùn)行兩年多時(shí)間，燃?xì)赓M(fèi)用與電費(fèi)的差價(jià)即可收回該臺(tái)機(jī)組的設(shè)備初裝費(fèi)。

經(jīng)過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)用證明：空氣源熱泵熱水機(jī)組，是利用可再生能源的首選設(shè)備，為了保護(hù)我們賴以生存的地球環(huán)境，節(jié)約日趨緊張的有限的自然資源，讓我們?nèi)シe極地推廣這種高效、環(huán)保、節(jié)能型的熱水設(shè)備。

[責(zé)任編輯：楊揚(yáng)]