空气能热泵热水器的现状及展望

  1 引言

 

  2006 年2 月16 日, 旨在限制温室气体排放、遏制全球变暖的《京都议定书》生效, 大力鼓励、推广绿色环保新能源及其应用产品成为必然的选择。而能源紧张、拉闸限电、燃气涨价等问题的凸显, 唤起了人们对能源战略应用的重新思考, 同时也将人们的目光引向了新型能源的开发与利用, 促使传统的、高能耗的家电产品逐步退出市场。

 

  近两年来, 用空气能热泵制取生活热水的技术在国内刚刚起步。空气能热泵热水器由于安全、节能、寿命长、不排放毒气等诸多优点, 以及可以有效解决目前国内有关部门对节约能源、环保、安全等各方面较棘手的问题, 而受到社会各方面的广泛关注。

 

  最近, 由于其在节能创新方面业绩突出, 热泵热水器已经被国家科技部列入“火炬计划”。

 

  最新调查显示, 在目前阶段下, 空气能热泵热水器可以解决太阳能热水器在城市发展的困境, 占有率将在几年内达到太阳能热水器的数倍。预计在三至五年市场占有率可望达到10 %～ 20 %, 销售总额将达到400 亿元。在未来5 年内, 空气能热泵热水器将成为中国家庭特别是商品楼房的热水设备首选产品, 市场前景非常广阔。

 

  特别是近年来, 如何平衡燃气与用电量两种能源结构已经成为政府工作会议频繁讨论的一个议题。以上海、天津为首的一些城市在未来几年内, 内环以内的热水锅炉设备将逐渐被取缔, 市政府职能部门也在大力提倡使用节能、环保产品。在这种情况下节能、环保的热泵热水器是一个最好的选择。

 

  据了解, 在2008 年北京奥运会奥运村和奥运场馆所需要的大量生活热水供用规划中, 也是利用了热泵技术辅助的加热系统。

 

  2 运行机理及研发现状

 

  空气能热泵热水器主要由类似空调器室外机的热泵主机和大容量承压保温水箱组成, 规格从0.7kW 至100kW 不等, 可满足小至家庭、发廊, 大至学校、宾馆、军营、公共浴室等热水用量较大的各种用户的使用要求, 安装不受建筑物或楼层限制, 使用上也不受气候条件限制。具有高效节能、安全环保、全天候运行、使用方便等诸多优点, 其热效率是电热水器的4 倍, 燃气热水器的4 ～ 6 倍, 在保证使用的前提下, 其效率同样也高于太阳能热水器。

 

  一台压缩式热泵装置, 主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置四部分组成, 通过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量) ※压缩※冷凝(放出热量)※节流※再蒸发的热力循环过程, 从而将环境里的热量转移到水中。

 

  热泵在工作时, 把环境介质中贮存的能量QA 在蒸发器中加以吸收;它本身消耗一部分能量, 即压缩机耗电QB ;通过工质循环系统在冷凝器中进行放热QC , QC =QA +QB , 由此可以看出, 热泵输出的能量为压缩机做的功QB 和热泵从环境中吸收的热量QA ;因此, 采用热泵技术可以节约大量的电能。

 

  当然, 空气能热泵热水器不是简单地把热泵空调器用于采暖的热变成热水。产热水的温度一般要求在45 ～ 50 ℃,因此它不仅有着在寒冷地区冬季如何产热的问题, 还有着在炎热地区夏季如何产热的问题,空气能热泵热水器的典型性能曲线如图3 所示。

 

  如果空气能热泵热水器从室外空气中取热的话,从冷凝温度、冷凝压力、蒸发温度、蒸发压力以及两者温差、压力差等技术参数与热泵空调器的对比结果来看:无论是冬季还是夏季, 空气能热泵热水器都要比热泵空调器的运行工况更不利。如何解决和处理这些技术问题, 已经受到业内相关人士的广泛关注。

 

  目前, 主要有两种解决方案, 一是从室内空气中吸收热量。由于室内环境温度相对稳定, 可以避免结霜现象和蒸发压力的大幅波动, 在一定程度上保护了压缩机, 延长了使用寿命;二是在节流部分, 采用双毛细管结构。根据气候条件, 选择节流的毛细管通道, 再通过优化控制, 能效比可以达到年平均4.0 的水平, 在冬季-10 ℃的低温条件下能达到大约2.0 能效比的水平。

 

  3 与传统热水器的比较分析

 

  传统热水器以燃气、电和太阳能为主, 燃气热水器安全性较差, 燃烧不充分和水压不稳定易造成燃气中毒和烫伤事件, 电热水器的漏电隐患和住宅接地不良也对消费者的生命安全造成严重威胁, 太阳能热水器储水式的特点决定了其在晴天时, 水温可能很高, 造成烫伤, 阴雨天的电辅助加热留下安全隐患, 在安装、使用过程中也存在很多的局限性。而与以上热水器不同, 空气能热泵热水器是通过压缩机排出的高温高压制冷剂气体加热水罐中的水, 电主要用于驱动压缩机, 制热后的气体通过外盘式的盘管与搪瓷水罐中的水交换热量, 水电完全分离, 这样, 既不存在漏电隐患, 省去了防漏电的烦恼, 也避免了电加热管表面温度高, 易结垢并影响加热效率的弊端, 真正做到了安全可靠。

 

  空气能热泵热水器由于采用了热泵技术, 可将大量低品位的热能(空气中的热量)通过压缩机和制冷剂, 转变为高品位的可利用的热能, 能效比在3.0以上, 即空气能热泵热水器的压缩机每耗1kWh 电,可产生电加热消耗3kWh 电产生的热水, 极大地节省了能源。

 

  当然, 从初次购买成本来看, 空气能热泵热水器比电热水器要贵不少。市场调查显示, 120L 的空气能热泵热水器, 市场价格在3000 ～ 4000 元, 200L 的空气能热泵热水器, 市场价格在7000 ～ 8000 元。但在相同出水量的情况下, 其耗电量仅为电热水器的1/4 左右。按照120L 容量计算, 空气能热泵热水器每小时耗电为0.56kWh , 普通电热水器为2kWh , 一户家庭每年能节省800 元左右。这笔初期投入预计将在2 年半时间内收回。从投资回收来看, 还是相当合算的。

 

  以120L 、温度从15 ℃升到55 ℃为例, 我们对几种热水器的经济性做了比较, 可以看出空气能热泵热水器在节能、环保方面确实优于目前现有的其他热水器。

 

  4 市场动态

 

  国内自主研发技术的空气能热泵热水器2001年开始进入家庭, 之后发展迟缓, 直至目前, 在市场上几乎还是一片空白。在近年供电矛盾突出的情况下, 由于其环保性能突出而获得国家政策性支持, 市场前景重新被看好。目前, 全国已经有100 多家企业从事研发、生产空气能热泵热水器的工作。

 

  现在市场上销售的空气能热泵热水器, 其主要结构如图4 所示。大部分生产厂家在基本架构上并没有较大变动, 技术创新多是基于现有结构上的局部改进。

 

  国内空气能热泵热水器主要有商用和家用两大系列, 家用系列简单地讲, 可以说是商用系列的小型化产品。除在水箱容量、热水补偿速度、制热量、机组总重等方面因机组大小而不同之外, 二者在运行工况、出水温度、COP 以及制冷剂工质的应用等方面并没有太大差别。目前国内市场上的该类产品种类繁多, 性能不一, 其主要性能指标如下:

 

  ①机组运行的标准工况为环境温度20 ℃;

 

  ②允许的工作环境温度一般为-10 ～ 40 ℃, 部分产品在5 ～ 40 ℃;③最高出水温度一般为50 ～ 60 ℃, 进出水温差一般为35 ～ 40 ℃;④热效率(COP)一般在300 %～ 600 %, 部分产

 

  品夏季最高可达到700 %～ 800 %;

 

  ⑤制冷剂工质多采用R22 、R134a 、R410a 、R417a ;⑥水箱容量主要有:

 

  家用系列:120L 、150L 、200L 、250L 、300L商用系列:270L 、400L 、480L 、760L 、840L 、1600L值得一提的是2005 年3 月, 首届中国热泵行业研讨会的召开, 使得空气能热泵热水器受到了业内的普遍关注。除了几十家已有产品投入市场的企业外, 许多尚未上马生产的企业也列席了会议, 其中也包括传统的空调生产巨头。

 

  同年7 月, 全国首条规模生产整体式户内空气能热泵热水器的总装生产线在上海建成, 年产量可达到3 万台。

 

  这些都充分表明, 目前国内空气能热泵热水器企业逐步增多, 实力逐渐加强, 在研发和生产上的投入力度也越来越大。虽然国内市场目前还处于开发的初级阶段, 但是空气能热泵热水器潜在的巨大市场和美好的市场前景正吸引着越来越多企业的关注和参与。

 

  5 亟待解决的问题

 

  诚然, 国内空气能热泵热水器的市场前景非常看好, 政府相关政策也有所支持, 但是我们还是应该看到, 我们毕竟处于发展初期, 还有好长一段路要走, 尤其是在市场开发、技术研发和行业标准等方面还存在着相当多的问题。这也是今后空气能热泵热水器在全国范围推广必然要面临和解决的问题。我们应该看到:

 

  (1)空气能热泵热水器在技术上还不是很成熟,特别是节能方面的关键技术, 离产业化还有一个过程。据了解, 从2004 年开始, 国内不少空气能热泵热水器厂家都推出了多款商用机和家用机, 占据了一定的市场份额, 但是市场拓展的步履还是有些艰难, 现在很多公司基本上是定量生产。

 

  因此, 不论从政府、企业还是市场方面都应该对环保、节能的空气能热泵热水器加强宣传力度, 加速产业化进程, 以期得到更广大消费者的认可。

 

  (2)空气能热泵热水器属于空调和热水器的边缘行业, 对行业加以规范就显得尤为重要。目前的GB/T 18713 -2002《热水系统设计、安装及工程验收技术规范》还远不足以监管和指导整个市场。在首届热泵行业研讨会上, 有关专家估计未来两三年内空气能热泵热水器的市场将达到上百亿元, 巨大的市场吸引了众多企业介入, 目前每周都有一两家企业投入研发生产, 其中不乏出现了一些家庭作坊式的厂家, 产品质量、售后服务都无从谈起, 严重损害了消费者的利益。

 

  2005 年初, 某品牌的空气能热泵热水器为上海某饭店设计用水方案, 根据甲方要求每日提供12t洗浴热水, 根据冬季5 ℃或0 ℃时工况, 最少要配置3 台额定制热水量为400 L/h(40 ℃温升)的机组以达到用水要求。但该品牌急功近利, 在掌握了甲方的初始投资预算后, 结合空气能热泵机组在有利工况下的工作条件, 选配了2 台机组, 不足部分全部采用电加热, 结果两个月运行下来, 共耗电3 万多kWh , 根本不能满足用水需求。不但没起到节能的效果, 还大大浪费了电能, 增加了运行成本。保温水箱也只是简单地在周围用泡沫板加了一层, 这样的工程未能得到消费者的认可。很多时候并不是产品不合格, 更多的原因还是设计者急功近利, 没有顾及消费者的利益, 而一旦出了问题, 消费者的第一反应则是机组有问题, 还不成熟, 会对整个行业失去信心。

 

  在这种形势下, 相关的政府职能部门、行业协会和企业应当参与其中, 大到生产设计规范、安装技术规范, 小到能效要求, 都需要成立一个行业组织集中统筹, 制定一套完善的行业标准, 对产品和工程实施加以规范和监管, 并使其有效实施, 维护良好的行业环境, 共同呵护和培育这一新兴的产业。

 

  (3)空气能热泵热水器需要占据直径为半米多的一块空间, 而目前大多数居室厨卫设计并没有为其留下一席之地。因此, 我们应当将空气能热泵热水器纳入绿色节能建筑发展计划中, 并且在房屋设计时就为其留下相应的空间, 以使空气能热泵热水器在更大程度上得到推广和普及。

 

  6 结语

 

  空气能热泵热水器是一项极具开发和应用潜力的新技术, 具有节能、环保、安全的优点, 解决了太阳能热水器依靠阳光采热和安装不便的缺点。它在国内市场上刚一出现就显示出巨大的市场潜力, 在未来5 年内将成为中国家庭特别是商品楼房热水设备的首选产品。因此成立一个行业组织, 尽快制定相应的行业标准, 规范行业的发展秩序, 保护消费者的利益, 已经成为当务之急。同时要加快空气能热泵热水器的产业化进程, 并且出台一些相关的优惠政策和经济补贴, 以使产品单价控制在千元左右, 更能为普通市民百姓所接受。

 

  另外, 目前所生产的空气能热泵热水器正常工作的环境温度一般为-10 ～ 40 ℃, 对冬季气温低于-10 ℃的寒冷北方不太适合, 而且采用空气能热泵热水器加热用水时对制冷剂的要求也相当高。要解决这些技术难题, 使其得到更广泛的应用, 还需要在技术研发方面给予更多政策支持和资金投入。

 

  总的来说, 空气能热泵热水器具有突出的节能、安全和环保性能, 有着巨大的市场潜力和美好的发展前景, 但在行业监管、产业化进程以及技术研发等方面也存在着不少问题, 如何妥善解决和处理好这些问题将成为我们今后研究的主要方向。