热泵热水系统经济环保效益分析——以高校为例

卢芮欣 北京化工大学经济管理学院，北京 100029

热泵热水系统经济环保效益分析
——以高校为例

卢芮欣 北京化工大学经济管理学院，北京 100029

随着能源和环境问题的突显，我国高校的节能减排工作也应加强，而学生生活热水的能耗节约是其重要方面之一。解决之道要从改变传统的能源结构、提高系统效率和减少污染入手，即要选择一个高效、节能、无污染的热水系统。热泵系统相比其他热水系统具有高效、节能、环保、经济的特性，案例分析表明热泵系统的经济环保性明显，符合国家节能减排的要求，非常适合作为学校生活热水系统。

节能减排；热泵；热水系统；高校；空气源热泵；能耗

随着我国高等教育事业的发展，热水系统作为生活中不可或缺的配套设施，在每个高校的基础建设中起着重要的作用。尤其近年日益增长的能源紧张问题和高校扩张使得高校的能源耗损和经营成本逐年上涨，学生生活热水耗能是一个重要方面。因此，大力推广可再生能源，采用一个高效、节能、无污染的热水系统，促进高校基础建设绿色可持续发展，成为我国高校改善现状的方向之一。

热泵技术作为近年来在全世界备受关注的新能源技术，可以实现用同一套设备完成夏季降温、冬季取暖和生活热水的制取，同时具有节能环保、安全可靠等优点。因此，热泵的推广和广泛应用不失为缓解污染和能源紧缺的有效途径，也能很好地解决高校生活热水的来源和能耗高的问题。

1 热泵发展概述

热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低温热源的热能，经过电力做功，提供可为人所用的高温热源的装置。热泵的工作原理与压缩式制冷机一致，都是将外界地温热量“泵”入温度较高的室内。热泵按具体热源不同可分为空气源热泵和地源热泵，其中地源热泵又有土壤源热泵与水源热泵。

地源热泵技术最早源于1912年瑞士Zoelly的一项专利，如今在北美和欧洲已经非常成熟，但其真正的商业应用也不过十几年的历史。目前，国际地源热泵的发展呈现出研发体系完备，标准规范齐全，设备效率高，系统种类多样，政府鼓励措施力度大等特点。热泵已逐渐成为21世纪最有效、最有竞争力的空调技术。我国对地源热泵的研究始于上世纪80年代，近年政府的大力推动使地源热泵技术受到了较广泛的关注。2005年，地源热泵技术被列为建筑业十项推广新技术之一。2006年国家标准《地源热泵系统工程技术规范》出台，并建立专项基金补贴国家级示范项目。我国地源热泵市场日趋活跃，在近年的新建别墅、商用建筑、公共建筑、政府建筑及学校中应用较为广泛。

2 热泵生活热水系统

2.1 热泵热水系统的特点

现有热水系统的热源主要有传统式如以天然气、煤气、燃油等为主的燃气热水系统和电热系统，以及新能源式的太阳能系统和三大热泵系统。特性对比如表1。

表2 各类热泵的特点

2.2 各类热泵的特点比较

热泵热水机组通过少量高位电能的输入，把不能直接利用的低位热能转化为可以利用的高位能，从而节约部分高位能。热泵仅用少量的电能和空气、水或土壤中的热量，不使用矿物燃料，无有害气体排放，热源清洁可再生，也没有火灾、爆炸的危险，技术基本成熟，十分安全环保。而且热泵舒适实用、自动化程度高、使用方便，系统简单、体积小，还可以实现制冷、供暖、生活热水的一机多用功能。但是每种热泵技术的应用都有一定的局限性，在实际工程中究竟采用哪种热泵系统应通过技术经济比较后选取。

空气源热泵在夏季高温和冬季酷寒的天气时效率大大降低，通常需要电能、太阳能等进行辅助加热，这种配套使用通常能更有效地实现高质量、高性价比、低耗能、低噪音。

土壤是热泵的一种良好的低温热源，它温度变化很小，且有一定蓄热作用。地温年变化相对于气温的延迟与衰减，使得以土壤作为冷（热）源既有利于夏季空调运行时向地下放热，也有利于冬季供暖运行时从地下吸热。但土壤源热泵所要求的地理地质情况限制较多。

水源热泵可以利用的水体主要为地球表面浅层水源，包括地下水或地下河，地表的河流、湖泊、海洋，以及工业废水、生活污水、城市污水等。可用水源的温度较稳定，储存于其中的能源近乎无限。水源热泵是目前空调系统中能效比（COP值）最高的制冷制热方式。但要受到可利用的水源条件、水层的地质结构、水资源使用政策以及能源结构和价格等因素的限制，不同的水资源利用的成本差异也相当大。在应用水源热泵之前必须做详细的水文地质调查和技术经济性能分析。

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几种热泵的特点[1-10]比较见表2。

2.3 常用热源经济性比较

对比各常用热源的热效率可知热泵的效率最高，如表3。

对于能耗成本的计算，由于各地区各行业的电价差异大，油价及煤气价格也有差别，而且冬夏获得等温的水所需热量也不同，只能引用全年平均概念。以北京地区每加热1吨水为例，按温升40℃计算，则需要热量1000kg×40℃×1=40000千卡。各热源能耗及费用一般情况见表4。相比之下，空气源热泵热水器运行费用最低。因此，土壤源热泵和水源热泵的运行费用将更低。

3 空气源热泵热水系统应用案例

3.1 空气源热泵生活热水系统的应用

由于传统系统改造成本较高，热泵系统在新建学校校区中应用工程较多。下面以某高校A的女浴室电加热辅助空气源热泵热水系统为例分析热泵热水系统的节能效应。因地处北方，且为高层公寓集中式热水供应，不具备安装太阳能的条件，本工程配备电加热系统作为辅助热源。

本工程自2005年12月开始投入运行，采用中澳合资山东康特姆新能源有限公司的QHE20-110EC型热泵热水器，机组理论寿命8～10年。机组总初投资120万元人民币，现共6台机组。热泵主机尺寸为每台1700mm ×100mm×1590mm，制冷剂为R417A，制冷剂最大充注量为每台6200g，标准制热量为每台59.4kW，总最大功率为每台38.3kW。热泵室内采用水循环系统，室外用空气散热。系统流程如图1。机组全自动，开启使用后基本不需要人工管理操作，只需定期清理附着于机器上的毛发、灰尘，检修压缩机、热泵和线路，调整温度即可，省去许多人工费。本工程采用开式冷热水双管路上行下给供水方式，热泵机组底下配有80吨的水箱，每晚加满凉水，自动开始运转加热。热泵将水加热至50摄氏度，然后自动兑凉水至所需的设定温度，一般为夏季38度，冬季42度，春秋40度。每天可供应100吨，最多120吨洗浴热水，可循环加水。到冬天，气温低于零下5摄氏度时，系统将自动开启辅助电加热器，和热泵同时运行。

3.2 节能减排效果分析

据实际整体测算，利用空气源热泵制取1吨水约耗电10度，电费4.8元，水费4元，加上人工费、维护费等的总成本约10元。对比天然气热水系统同等条件制取1吨水需总成本约20～22元，其总体经济性显而易见。若仅从其运行中的节能效果来看也是很明显的。

3.2.1 节能效果分析。根据2007到2009三年的实际运行数据为例计算得，三年平均每吨水耗电量为10.31度。为便于比较将其按热值折算为标准煤，我国现行折算标准是1度电折合0.32kg标准煤，每千克标准煤的热值为7000千卡。因此，自来水按年均15℃计算，使用热泵每加热一吨洗浴水至50℃需耗标准煤3. 3kg。

若使用天然气同样条件加热一吨水，根据热量公式Q=cm·△T，需要35438. 77千卡热量，按实际热值需要5.21m3，即3.72kg天然气。根据公式，某种能源折标准煤系数＝某种能源实际热值（千卡/ kg）/7000（千卡/kg），算得天然气折算标煤系数为1.36。由此，使用天然气每加热一吨洗浴水至50℃需耗标准煤5.06kg。

对比可知，使用热泵的能耗是天然气的65%，节能达到34%，平均年节能相当于70880kg标准煤，221502度电，年平均节省24万元的总成本。

3.2.2 减排效果分析。根据国家有关部委公布的《碳排放计算器》“节约1kg标准煤=减排2.493kg二氧化碳=减排0.68kg碳=减排8.5kg二氧化硫=减排7.4kg氮氧化物”，计算本项目的主要污染物减排量数据如表5，减排效果亦十分明显。

4 结论

（1）热泵技术能利用空气、水、土壤、太阳能等自然资源中蕴藏的无穷无尽的低品位热能，但每种热泵技术的应用都受到一定的局限。如土壤源热泵地下换热器占用较大的地下空间和初投资；地下水源热泵可能污染地下水；空气源热泵要考虑冬季除霜和效能等等。在实际工程中应结合情况，经技术经济分析后选取热泵系统。可将多种热泵技术形成多热源耦合的热泵系统能使多种低品位能源得到综合利用、互为补充，是更实用经济节能的方式。

（2）热泵系统无论在经济性、节能性还是减排效果上都具有其他技术无可比拟的优势，是未来建筑节能和空调技术发展的必然趋势。

总之，热泵热水系统作为学校生活热水系统是合适的，也是目前最经济的，能符合国家节能减排的要求。如何进一步加快传统能源系统的改造和热泵的推广应用将是下一步需要关注的问题。

[1]杨艳红，倪国葳，马卉.地源热泵技术与建筑节能[J]. 山西建筑.2009年4月,第35卷第11期,75～76

[2]龚伟申.高校生活热水系统的选择和设计[J]. 制冷与空调. 2009年6月第23卷第3期，76～79

[3]徐伟.中国地源热泵情况调查与分析[J].工程建设与设计. 2006年12月,16～19

[4]罗清海，汤广发，龚光彩，等. 建筑热水节能中的热泵技术[J].给水排水. 2004年5期,98～101

[5]于文涛. 地热供暖方式特点分析[J].科技促进发展. 2009年07月,69～69

[6]寿青云，陈汝东.高效节能的空调一地源热泵[J]. 节能. 2001年第1期,41～43

[7]朱保华. 地源热泵的地热能利用方式及经济性分析[J]. 山西建筑. 第33 卷第34 期, 189～190

[8]樊庆堂.地热资源开发利用与供暖相结合[J]. 供热制冷. 2010年02月，53～54

[9]朱岩，杨历，李中领. 土壤源热泵的节能与技术经济性分析[J]. 煤气与热力. 2005年3月第3期第25卷，73～76

[10]吴静怡，江明旒，王如竹，等.空气源热泵热水机组全年综合能效评定[N]. 制冷学报. 2009年10月第30卷第5期，14～18

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.14.106

国家教育部大学生创新性实验计划项目（编号：091001028）。

卢芮欣，本科，主要研究方向为新能源、技术经济。