商用空气源热泵热水器的效益分析

熊 静，庄晓如，杨文宁，黄学章

（1.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙410083；2.中南大学 数学科学与计算技术学院，湖南 长沙410083）

1 引言

空气源热泵是继燃气热水器、电热水器及太阳能热水器之后出现的第4代热水器，具有节能、环保、安全及经济等优势，其能源利用效率远远高于其他类型的热水器，近几年来，空气源热泵热水器势头强劲，尤其是在商用市场上，它迅速抢占了其他几类热水机组的市场份额。本文就此进行了调研，并从经济效益和社会效益方面进行了效益分析。

2 空气源热泵热水器工作原理

空气源热泵热水器是一种利用电能（作为消耗功）驱动热泵中的制冷剂循环流动，“吸收”空气中的能量，用来加热生活用水的热水器，即是通过消耗部分高品质能量（电能），把热量从低温热源（环境介质）转移到高温热源（生活用水）的装置。空气源热泵热水器的系统结构如图1所示。它主要由压缩机、蒸发器、热力膨胀阀、冷凝器、储热水箱等部件组成。

图1 空气源热泵热水器系统结构图

3 空气源热泵热水器的经济性分析

为了对空气源热泵热水器的经济性进行分析，本文以某大学澡堂热水供应为例进行计算。该大学的澡堂原来是使用锅炉烧煤来提供热水，到2007年换用空气源热泵热水系统机组。据调查冬季每天洗澡人数为500人，每人每次洗澡为3元钱，每天营业时间为10：00～20：00，要求将水温加热到45℃，取温升为35℃，水的比热为1（即4.186 8）。

3.1 以锅炉烧煤方式获取热量

冬季澡堂需水量以70t／d计算，则所需热量为：

Q＝CmΔT＝1×70×1 000×35kCal＝2.45×106kCal。

以低位发热量为7 000kCal／kg·K的标准煤（燃烧效率取60%）计算每天需烧煤量：

折算后标准煤按1 000元／t计算，由于锅炉需要有专门人员负责定时添加燃料，工人工资按1 500元／月，即50元／d计算，则该方式1d所需的总运行费用（水费除外）为：1 000×0.583＋50＝633元，澡堂每天的收入为3×500＝1 500元，澡堂每天的净收益为1 500－633＝867元。

对于以锅炉烧煤的方式获取热水的系统，其效率不高，又因为以煤为燃料，燃烧后将产生的大量含有CO2与SO2等有害成分的尾气，并且锅炉使用不当时容易爆炸，存在安全隐患。

3.2 以空气源热泵机组运行来获取热量

该澡堂的空气源热泵热水系统是由4台热泵机组组成，每台型号相同，各项指标见表1。

表1 某品牌空气源热泵热水机组的各项指标

改用空气源热泵热水系统后的澡堂不需要专门的工人负责烧水，只需要值班的工作人员早上上班的时候打开开关使系统自动运行，晚上下班时将总开关关闭即可，所以不需要雇用一个烧水工人。

空气源热泵热水器的实际热值（1kW·h电的理论热值按860kCal／kW·h计算）：

度计算，则该系统1d所需的总运行费用（水费除外）为：551×0.6＝330元，澡堂每天的收入为3×500＝1 500元，澡堂每天的净收益为1 500－330＝1 170元。

对于空气源热泵热水系统，其公式为：

其效率比其他类型的热水器高很多，同时也是一款绿色热水系统，减少了温室气体的排放，低碳环保，并实现了水电完全分离，消除了漏电隐患，具有安全性。

3.3 对比分析

从以上分析可得，就系统1d的总运行费用而言，空气源热泵热水系统（330元）比燃煤锅炉（633元）要低很多。尽管目前空气源热泵热水机组设备价格（30 000～35 000元）要高于锅炉设备的价格（15 000～18 000元），但在一定时间内便可收回成本；就1d的净收益而言，如果按运行时间为15年，因为并不是每天都有500人来洗澡，故每年折算为180d来计算，每人每次洗澡的费用为3元，则两种设备的费用支出情况见表2。

表2 两种设备费用支出对比

由表2可见空气源热泵热水器的净收益是非常可观的。而就制热性能系数而言，空气源热泵热水机组是把热量Q0从低温热源（外界环境）传到高温热源（需被加热的热水），过程中所消耗的功 W（用电提供）并没有消失，也转化成热量释放到高温热源中，所以高温热源得到的热量Qk是Q0和W之和。一般从低温热源中吸收的热量Q0要大于消耗的功W，故高温热源所获得的热量Qk要远大于所消耗掉的功W。

依据国内空气源热泵热水机组样本及资料统计，在额定工况下，空气源热泵热水机组的制热性能系数可达4以上（在分析中的空气源热泵热水机组的制热性能系数就达到4.2），这就意味着消耗一份电能可以从大气中吸收3份甚至更多的热量用来加热热水。而燃煤锅炉的制热性能系数小于1，其消耗一份化学能还得不到一份用来加热水的热量。这是因为其在运行燃烧时存在大量的热量散失，一般燃油锅炉的COP只有0.3～0.7，其他类型热水器的COP均在4以下，只有空气源热泵热水机组能达到4以上。

4 空气源热泵热水器的社会效益分析

某澡堂在2007年之前使用燃煤锅炉提供热水，每天需要燃烧0.583t的煤，而在之后使用空气源热泵热水器提供等量热水时需要用电551kW·h。假设空气源热泵热水器所需电能都由火力发电获得，若按1t标准煤可以发电3 000kW·h，则551kW·h电相当于需消耗标煤184kg。按烧煤锅炉每燃烧1t标准煤，会产生CO2为2 620kg，SO2为8.5kg，NOx为7.4kg来计算等效的有害气体排放量。

经计算可得，两种方式下将70t水加热35℃所产生的有害气体排放量见表3。

表3 两种情况下将70t水加热35℃所产生的有害气体排放对比

由表3可得，空气源热泵热水器的有害气体排放量无论是CO2、SO2还是NOx都几乎为燃煤锅炉的1／4。CO2是温室气体的主要成员，减少CO2排放可以减缓全球气候变暖，降低气象灾害的频次和强度，从而保护地球生物共同的家园。SO2和NOx是形成酸雨和酸雾的大气污染物，当SO2、NOx和粉尘共存，可形成酸雨。所以，使用空气源热泵热水器能有效的减少有害气体的排放量，必然可改善大气环境质量。

5 结语

按运行15年计算，使用空气源热泵热水器将比使用燃煤锅炉制热多出82万元的收入，相当于增加35%的收益，同时使用空气源热泵热水器产生的有害气体排放量无论是CO2、SO2还是NOx都几乎为燃煤锅炉的1／4，因此无论是在经济效益还是社会效益，空气源热泵热水器都具有优越性。

同时，走访的50家商业用户中使用空气源热泵热水器、锅炉、电热水器、燃气热水器的户数分别为：34、10、5、1，即已有一半以上的酒店和大学使用热泵机组作为其热水系统，而且使用者对热泵热水器的满意度均较高，认为空气源热泵热水系统机组节能效果明显，且使用安全、方便。相关数据也显示商用型空气源热泵热水系统的应用从2005年开始处于快速上升状态，现在正处于稳定发展期。这些都说明了空气源热泵热水器在商用方面的应用已较为成熟并将持续兴盛。

［1］吴业正，朱瑞琪，曹小林.制冷原理与设备［M］.西安：西安交通大学出版社，2010.

［2］赵恒谊.家用空气源热泵热水器市场研究［D］.上海：复旦大学，2007.