浅谈空气能热泵技术的应用

摘要：本文主要分析国内外新能源技术发展的现状和前景，阐述空气能热泵技术供热的原理和应用。提出工业企业需要大力开发利用新技术，全面推进能源节约。新能源技术在能源工业和环境保护方面显示出很大的潜力。

关键词：能源；空气能；太阳能

中图分类号：F407文献标识码： A

Abstract：This article mainly analyzes the domestic and foreign new energy technology development status and prospects of the air, and introduces the principle and application of heating pump technology. It is put forward that the industrial enterprises need to vigorously develop the use of new technologies to promote energy conservation. The new energy technology shows great potential in energy industry and environmental protection.

Key words：Energy；Air energy；Solar energy

引言

能源是经济增长、社会发展的基本驱动力，是人类生存和发展的重要物质基础，中国经济社会持续快速发展，离不开有力的能源保障。

推动能源生产和利用方式变革，调整优化能源结构，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系，对于保障我国经济社会可持续发展具有重要战略意义。

中国能源供应结构过分依赖煤炭，高速递增的能源消费总量加大了节能减排的难度。国家统计局公报显示，中国2012年全年能源消费总量为36.2亿吨标准煤，比上年增长3.9%，用电量49591亿千瓦时，增长5.5%。到2015年，全国能源消费总量控制在40亿吨标准煤左右，用电量控制在6.15万亿千瓦时左右。从中国能源供求状况前景分析，中国能源的供给约束压力不断增大。

我国能源资源短缺，常规化石能源可持续供应能力不足。油气人均剩余可采储量仅为世界平均水平的6%，石油年产量仅能维持在2亿吨左右，常规天然气新增产量仅能满足新增需求的30％左右。

“十二五”时期，世情国情继续发生深刻变化，世界政治经济形势更加复杂严峻，能源发展呈现新的阶段性特征，我国既面临由能源大国向能源强国转变的难得历史机遇，又面临诸多问题和挑战。

常规能源已被大规模开发和广泛利用，如煤炭、石油、天然气、水力等能源，还有一些能源，如氢能、太阳能、风能、地热能、海洋能、核能、生物能等，正在以新技术为基础开发和利用，他们的共同点是资源丰富、可再生、没有污染或很少污染[1]。

世界各个国家都把发展新能源作为缓解高油价压力、应对气候变暧以及实现可持续发展的重要途径和长远战略。美国将增建零排放燃煤电厂，开发革命性的太阳能和风能技术，加大对洁净与安全核能的建设，加强混合动力汽车、电力汽车和以氢气为动力的防污染汽车的研究[2]。

日本开源节流，即大力开发可再生能源，节约利用常规能源和不可再生能源，大力发展节能降耗技术，注重强调节能与环保保护相结合。2003年度日本新能源发电设备供给量达4014.1万千瓦；其中太能发电1472万千瓦、风力发电989.9万千瓦、中小水力发电838.2万千瓦、生物质能发电2038.8万千瓦[3]。

俄罗斯尽管是石油储藏大国之一，天然气探明者储量世界第一，但仍将能源多元化作为能源发展新战略。

瑞典在能源利用上计划用15年时间成为全球首个完全不依靠石油的国家，且无需增建核电厂。过去的10年中瑞典已将所有取暖热源转换为依靠地热和废热。瑞典人均使用生物乙醇的数量已经远远超过其他的欧盟国，为了减少污染，瑞典国内加油站出售的汽油中掺入了5%的生物乙醇[4]。

法国尤其重视核能的开发利用，自1973年开始，法国的核电业步入了快速发展的黄金时期，第一次石油危机爆发后，法国政府将核电列入国家的重点发展领域，并制订了长达15年的核电发展计划。经过战后数十年的建设与发展，核电已占法国总发电量的75%，在国民经济发展中发挥着不可替代的重要作用。

我国自然资源总量排世界第七位，能源资源总量约4万亿吨标准煤，居世界第三位。我国在能源领域面临的主要的挑战是：人均能源资源占有量不足；人均能源消费量低，单位产值的能耗高；能源构成以煤为主[4]。生物质能源，包括农作物秸秆、薪柴和各种有机废物，利用量约为2.6亿吨标准煤。2006年，中国生物质发电能力约为2GW，大多数来自采用甘蔗废弃物为主要原料的热电组合（CHP）装置[5]。

我国是一个煤炭大国，煤炭的消耗量很大，可再生能源资源量每年73亿吨标准煤，而煤炭的燃烧严重污染了空气，总之就是发展清洁能源现在已经是势在必行，不但符合我国的发展政策，也是造福人民的一项重要工程[7]。

空气能热泵热水器作为一项清洁能源是我们关注的焦点。空气源热泵热水系统工程是指利用模块式的空气源热泵热水机组吸收环境温度中的低温热能依靠热泵运行转化成高温热能并转化到生活用水中去的供热系统。空气能热泵热水器安全高、节能高、寿命长、不排放毒气等优点，可以有效地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。

环境能源是大自然无偿赐予人类的巨大能源，利用环境能源，不但可以解决一次性能源短缺的问题，并可最大限度的降低热水的制造成本，同时又可以保护环境、造福人类。空气能热泵热水器广泛适用于家庭、宾馆、工矿、酒店、学校、医院、洗浴中心、美容院、洗衣店、游泳池、企事业单位等生活商用热水。该热水系统不但使用方便、安装简捷，更不受环境影响，是现今人类最理想的生活用热水节能装置。

一空气能热泵技术简介

利用空气能热泵系统内密闭工质（冷媒）的物理特性，通过工质的物态变化，蒸发器从空气中吸取热量，冷凝器在水中释放热量。即压缩机从蒸发器中吸入低温低压气体制冷剂，通过做功将制冷剂压缩成高温高压气体，高温高压气体进入冷凝器与水进行热量交换，制冷剂在冷凝器中冷凝成低温高压液体而放出大量的热量，水吸收其放出的热量而温度不断上升。然后低温高压液体经膨胀阀节流降压后，在蒸发器中通过风扇的作用蒸发，吸收周围空气中的热量，制冷剂变成低温低压气体后又被吸入压缩机中压缩。如此周而复始，使空气中的热量源源不断地传递到水中，从而制取热水。由于压缩机每消耗一份电能，就能促进制冷剂传递2～6份热能，所以它比传统热水器更加高效节能。

该系统由于采用低耗电能驱动机组，通过吸热传导工质对水直接加热，真正形成水电隔离，又客观地避免了传统热水器（电热水器、燃气、燃煤、燃油）中可能存在的易燃、易爆、中毒、腐蚀、短路等危险，所以该系统又是一种运行完全可靠的热水系统。原理如图1所示。

图1 空气能热泵运行原理图

二空气能热泵工程应用

某工程预计建设300人/（天•人次）的浴室，要求24小时连续供热水。

假定某工程当地的自来水平均温度为15℃，热泵每天工作10小时，平均每人每天用水量60L，根据计算选择两台热泵机组，每台功率12kW，每台机组每天供50℃热水9吨，共18吨。其原理如图2所示。

图2 空气能供热原理图

18吨水从15℃基础温度，加热至50℃停止，制取热水所需空气能制热功率为：

――空气能制热功率，kW；

――日次用水量， kg；

――储热水箱内水的设计温度，℃；

―― 水的初始温度，℃；

T――空气能加热时间，10h；

计算得空气能制热功率为73.5kW，可选择空气能热水机组R的台数：

73.5÷37.2=1.97

使用空气能RSDRB-10G机组2台。该系统能够实现定温上水、防冻循环、管路增压及回水、恒温加热等功能，实现自动化系统控制，具有运行稳定、可靠、智能化等优点。

基于上述方案的考虑，太阳能系统和空气能系统联合供热是更理想更节能的供热方式，太阳能作为传统的供热方式与空气能供热有相似之处，空气能与太阳能系统相辅相成互为备用，两个系统也可以各自运行、互不影响，满足生活用水。系统可以做到完全自动化控制，最大限度的节约能源。

假定某工程当地年平均日照时间为1400小时，每天提供18吨50℃的热水，每根太阳能黑管容积约为8L，在当地的功率约相当于50W的电加热器，则需要太阳能黑管约18375根，选择足够的太阳能集热器与空气能系统联合使用，每年可以节约电能1.068万kWh，其原理如图3所示。

图3 空气能-太阳能供热原理图

三节能效益分析

综上所述，空气能供热的经济效益主要体现在节约能源和环境保护，因传统供热方式主要是锅炉，以煤、电和天然气为燃料，从这三种燃料的热值作经济效益分析如下：

城市煤的价格为1元/kg，煤的热值为5000kCal/kg，效率按80%计算；天然气的价格为2.5元/Nm³，天然气的燃烧值为8500kCal/Nm³，效率按80%计算；国内平均电价为0.55元/千瓦时，每千瓦时电量理论可转化热能860千卡，效率按95%计算；空气能供热工况下，冷水15℃,热水50℃，环境温度20℃,湿球温度15，Cop4.0，经济效益分析见表1。

表1 经济效益分析

从表中可以很直观的看出来，空气能供热是燃料费用最少，而且没有污染的供热方式。锅炉的使用寿命一般为10~15年，具有一定的危险性，年维护费较高，正常运行需要人工；空气能热泵的使用寿命不低于15年，年维护费只有锅炉的2/5，正常运行不需要人工。

四结论与展望

随着空气能热水器技术创新的进一步突破，空气能热水器不仅在北方采暖、浴室的应用将获得突破，在北方重工业企业上的应用也要获得突破，北方市场广阔的采暖需求空间将是空气能热水器发展的无限蓝海。

目前，中国已经成为世界上第二大能源消费国，能源的危机必将是经济的危机，中国将面临越来越大的国际压力。大力推广新能源技术在工业企业的应用，是中国解决能源环境问题的重要突破。

参考文献

[1] 朱效章，潘大庆. 国际小水电资源、开发概况及与我国的比较[J]小水电，2004，(06).

[2] 赵媛，郝丽莎. 世界新能源政策框架及形成机制[J]资源科学，2005，(05).

[3] 姜雅. 日本新能源的开发利用现状及对我国的启示[J]国土资源情报，2007，(12).

[4] 李春华，张德会. 国外可再生能源政策的比较研究[J]中国科技论坛，2007，(12).

[5] 周大地，韩文科主编. 中国能源问题研究[M]中国环境科学出版社，2002.

[6] 张无敌，宋洪川，钱卫芳，秦素梅. 我国生物质能源转换技术开发利用现状[J]能源研究与利用，2000，(02).

[7] 张政伟，吕子安，张英，徐旭常. 能源与中国经济增长[J]工业技术经济, 2006，(01).