生活热水与热泵技术

PAGEPAGE4生活热水与热泵技术摘要：生活热水供应是人民生活质量提高的必然。文章分析当前各种热水设备的热效率都是小于1的数，而惟有用热泵技术和热回收来解决对广大人民的热水供应，才是符合实施“循环经济”，达到社会可持续发展的要求。热泵热水机组是当前最为节能、环保、安全、可靠的制取生活热水的设备。文章介绍了当前有关空调余热，实施制冷和热水供应的两用机组的一些做法。文章着重分析了对于家用/商用中央空调系统中如何实现一机三用-夏季空调、冬季采暖、全年生活热水供应-的一些研发动向和不用化石燃料为辅助热源的真正三用一体机的设想。指出增大单机低温工况下的制热功率，以及应用高效的非化石燃料的辅助热源，是三用机组的关键。文章为合理利用空调和建筑余热，大力发展三用热泵热水系统作一个诠释。关键词：生活热水热泵技术热水机组空调余热利用1生活热水是现代人生活的必需，节能环保是社会发展的根本热水是每家每户必不可少的生活资源。过去在人们极不富裕的情况下，为了取得一点生活热水，甚至想洗一个热水澡，都是一种奢侈。过去，人们用柴火来烧热水，每天有几壶暖瓶的热水，就是一种幸福和享受。为了节省烧水的柴火，城里的人们，到“老虎灶”去“泡”水来用。过去艰苦的年代终于过去了，随着改革、开放，人民的生活有了极大的提高。城里每家每户都有了煤气供应，大大方便了烧热水。以后电热水器、燃气热水器大量进入寻常百姓家，每个家庭用热水有了保证。至于酒店、宾馆等等商业设施，自然必须有集中的热水供应。目前，就连学生宿舍、小区住宅，都纷纷安装上了中央热水系统，保证了人们对于热水的需求，洗脸洗澡，做饭洗菜等都用上了热水，使人们沐浴在一个“温暖、温馨”的天地里。社会在进步，生活质量在不断提高。为了2020年我国进入进一步小康的社会，为了社会可持续发展，节能和环保这两大问题相当突出了。当前生活热水供应的耗能是很高的，椐统计，城市各类商业建筑生活热水的能耗约为其建筑总能耗的10-40%（其中，写字楼约为2.7%；商场10.7%；饭店31%；医院41.8%）；城市民用建筑生活热水能耗约为其建筑总能耗的20-30%。而建筑能耗约占整个社会总能耗的30%，这样折算下来，热水的能耗约为整个社会总能耗的3-4%，根据估算，为满足全国城镇居民生活热水供应（年人均耗用热水25-35升/日），一年约要耗用相当于1750亿到2450亿度电的能量。高能耗是常规热水技术无法克服的缺点。用柴火来烧热水，自然过于原始，也在破坏宝贵的森林资源。即而采用热泵热水机组加上蓄热技术来制取热水，虽然都是用电，但用热泵热水机组，不仅可以比电锅炉大大节约用电，而且也完全可以利用低价谷电，来大大降低运行的成本。一个以热泵热水机组为热源的中央热水系统，最基本的组成是机组、蓄热水箱、循环加热泵及其管路和室内热水输配系统。而前三者综合起来，可以称之为“热源部分”。热源部分由机组，通过循环加热泵和相应管路与蓄热水箱构成一个加热循环，加热后的热水通过泵或重力外送，图1就是一个开式循环加热热源系统。图2是一个闭式循环加热系统。图1开式循环加热系统图2闭式循环加热系统空气源热泵热水机组在制取热水的过程中，不断把周围空气温度降下来，如果能将这部分冷空气送入房间中，便达到了“免费”供冷的目的。如果是水源热泵热水机组，那么，完全可以做到一侧制取热水，而另一侧把空调冷回水的水温降下来，又成为空调用的合格冷水，达到了一机两用的目的：在制取生活热水的同时，又提供了一部分空调用的冷水。反过来说，利用热泵原理，可以将一台空调用风冷或水冷热泵冷水机组，改装为以产空调用冷水为主、兼供生活热水的两用机组，机组全部或部分利用了制冷循环中的冷凝热来制热水。目前，一台热回收型的水源热泵热水机组，可以吸取15-60℃的低品位水（海水、污水、建筑中水、空调冷水、冷却水、工业废水等）的热量，来制取60-90℃的高品位热水，作为采暖热水、生活热水或工业用热水。利用热泵技术来制取生活热水的热水系统，具有安全、可靠、高质、节能、环保、使用灵活、运行经济、能源（电）受国际市场的影响小的特点，可以广泛用于住宅、医院、宾馆、酒店、学校、美容理发、餐饮洗浴，以及室内游泳池、桑拿等场所。――因为热源仅用少量的电能和空气中或水中的热量，根本不用燃油、燃气、燃煤或液化石油气等矿物燃料，没有燃烧生成物，也没有任何有害气体排放，没有火灾、爆炸的危险，因此十分安全；――因为有良好的控制系统和蓄热水箱，可以做到每日充沛的供水量和满足每日高峰供水的需要。设有液位和温度的控制，保证水温低了，热泵启动制热；液位低了，自动补充冷水；热水多了，可以由蓄热水箱调节储存；系统回水温度低了，会自动开启循环水泵以及热泵再加热储存的温水，出口水温长期过低，可以启动辅助电加热器作短期加热，因而，热泵热水系统的供水温度稳定可靠，供水水量充足，供水质量有保证；――热泵制热系数（能效比）恒大于1，全年平均的能效比可达3-4，因而比任何一种矿物燃料燃烧的制热效率高，也因此是最为节能的热水机组，即使与太阳能热水系统比较，热泵热水系统的运行费用也会比较低。如果当地的太阳能全年的利用天数仅在2/3之内（太阳能的利用受昼夜、阴晴、雨雪和季节影响很大，除西藏、新疆、青海外，一般地区全年平均有效利用太阳能的天数不足全年的2/3，即不足250天），而且其辅助加热也是用电加热的话，那么，热泵热水机组的用电、可以与太阳能热水系统的用电持平，或者还要比太阳能系统节电；――热泵热水机组无任何CO2、NOX等温室气体和有害气体排放。对地球的温室效应无任何影响，其制冷工质是按蒙特利尔公约规定，可以允许应用的HFC工质；其使用的热源是清洁的空气、水以及少量的电能，因而，热泵热水机组运行时，不会破坏周围环境的生态，是符合环境保护的。――由于热泵热水机组的制热效率比任何燃烧矿物燃料的制热设备的热效率高，可以大大减少电能的消耗，而且，电的价格受市场的冲击小，价格比较稳定，因此，热水的制造成本也比较稳定，比较经济。如果可以利用低价谷电和采取蓄热措施，则热水制造成本会更低。3空调余热利用以及当前家用/商用中央空调兼生活热水供应的解决办法前面提到，利用热泵技术，可以充分利用空调的余热，制造出空调和生活热水同时产生的“两用机组”，或者称之为“热回收机组”—在夏季利用空调用的冷水机组的冷凝热回收，可以很方便地得到生活热水；而在冬季，对于仍需要部分空调降温的场合，也比较容易利用空调余热来制取生活热水。例如，南方某酒店的大型中央空调系统，利用部分空调冷回水为热源，加装一台水源热泵热水机组，达到了为酒店全年供应生活热水的目的。冬季水源热泵的蒸发侧产生的冷水（7℃），仍可以供应部分需要空调降温的房间（例如，KTV包间、餐厅、歌舞迪斯科舞厅等等），而大型空调冷水机组可以关闭不用。风冷热泵热回收机组的简单流程可见图3；利用空调冷回水为热源的水源热泵系统的简单流程可见图4。图3利用空调冷水机组的部分冷凝热副产生活热水流程示意图图4利用空调冷回水为热源的空调兼生活热水系统目前，许多住宅或商业建筑中，要求一方面解决冬季采暖和夏季空调降温的问题，另一方面又要求全年有生活热水供应。前者，一般用一套家用或商用中央空调系统；后者，单独用一套生活热水供应系统，也就是说用了两套独立的系统。对于家用或商用中央空调系统，目前市场上有三种制式：1）水管机系统，即风冷热泵冷热水机组加风机盘管的系统。2）风管机系统，即一台室外的风冷热泵主机（含有压缩机和风侧换热器）和一至两台室内的末端装置（含有蒸发器及热力膨胀阀），用氟利昂气液相管道连接起来，组成一个制冷或热泵循环回路。3）制冷剂系统，又称为“一拖多”的多联机系统。这三种家用/商用中央空调都是利用空气源热泵为主机的，可以达到夏季供冷、冬季供暖的作用。当气温极低时，还必须用辅助加热的办法来增加主机的制热功率，保证冬季的供暖效果。但这三种家用/商用中央空调系统，均没有同时解决全年的生活热水供应问题，为此，用户还必须用电热水器或燃气、燃油锅炉来解决。同样是利用热泵原理来制取空调冷水、采暖热水或制取生活热水，那么，将家用/商用中央空调机组与热水器结合起来，成为空调、采暖、生活热水供应的“三用机组”，确有巨大的经济效益和市场效益，也可以大大简化操作，充分利用热泵设备潜力，也使一般用户能买得起、用得起。夏季利用空调用热泵机组的冷凝热，肯定可以做到制取空调冷水的同时，又得到生活热水；冬季利用高温高压的氟利昂气体的过热焓，也可以同时得到采暖热水和生活热水。但是，这会要求主机的制热功率加大，而且，当气温越低，所需的采暖负荷和生活热水用热负荷越大，而主机的制热能力却越低，造成了矛盾。当气温低于风冷热泵的平衡温度以下时，一般也只能加辅助热源的办法，来增加其制热功率。辅助热源有电加热器的，也有加燃气、燃油锅炉的；也有干脆到了冬季，停用风冷热泵，全部用燃气或燃油锅炉来解决家庭中的采暖和生活热水供应问题。目前最为常见的做法，就是家用/商用中央空调+燃气、燃油锅炉或电热水器。一种是夏季开空调，冬季用锅炉采暖和做生活热水。另一种做法是锅炉作为辅助热源串接在空调系统的供水管上，但这时，直接串联的话，空调主机的水泵流量和燃气锅炉本身所带水泵的流量必须匹配，一般采用间接板式换热器连接的办法。这种情况有下列2种系统形式：1）燃气锅炉与家用/商用中央空调主机串联，作为冬季采暖的辅助加热源（见图5A）；2）锅炉与空调主机并联，当冬季低气温时，为避开空调主机热效率低的问题，全部改用高效的燃气锅炉来提供热水采暖（见图5B）。图5目前户式中央空调兼热水的常见做法上述两种方式，实际上都是两套系统的叠加，用户不得不又用电，又用燃气、燃油。要进行手动的冬夏工况的切换，而且要用矿物燃料。能否做到一套家用/商用的热泵空调、采暖、全年生活热水供应的三用机组，而且不用矿物燃料来补充加热呢？下面就真正意义上的夏季空调、冬季采暖、全年生活热水供应一体化的“三用机组”的研发作一介绍。4空调、采暖、热水供应三用机组的研发探讨当前已有许多学者、工程师着手研究开发真正意义上的三用机。要实施一机三用，关键问题是要解决冬季低气温下的制热效果，或者是寻找廉价的方便的辅助热源，另外一个关键问题是可靠的低能耗的除霜技术。笔者认为，单靠加大系统中主机的台数或制热功率肯定不行，因为到了夏季，主机设备能力会大大过剩，不经济；应用电加热是一个可取的办法，比燃油、燃气锅炉简单可行，也适用于利用夜间低价谷电；利用排水或建筑中水、地下水的热量，理论上是可行的，但要进行水的汇集和处理，无形中造成系统复杂化，一次投资的增加；利用太阳能集热板是一个办法。研制三用机组的思路是：1）增大机组单机的制热能力—可以通过设置变频压缩机、双级压缩机、采用高低温环路热泵复叠热泵循环、改变制冷工质、应用新型大压缩比的压缩机等办法；2）寻找廉价的、方便取得的、非矿物燃料的辅助热源（太阳能、废水、余热等）。3）充分利用出压缩机的高温高压工质的过热焓（冷凝热）和液相工质的过冷热。4）利用水路切换的下面列举有关三用机组的几种正在研发的方案。4.1双级压缩和变频压缩，增大单机低温工况下的制热功率为了提高低气温下机组的制热功率，已有高校开发研制“一次节流中间补气不完全冷却的双级压缩”的机组，同时对低压级压缩机进行变频控制，其机组内部流程图可见图6。图6一次节流中间补气不完全冷却双级压缩机组内部流程该机组在夏季制冷时，仅利用低压压缩，四通阀断电，处于制冷位置（图上的虚线箭头表示氟利昂的流向），水侧换热器（室内）为蒸发器，风侧换热器（室外）为冷凝器。一般低气温下制热时，也仅开启单级低压压缩，四通阀通电，处于制热位置，水侧换热器（室内）为冷凝器，风侧换热器（室外）为蒸发器。当出现低温制热工况时，打开节流装置B，关闭电磁阀C，实施对高压级补气冷却的双级压缩工作。双级压缩时，可以调节低压级压缩机的供电频率，改变低压级的压气量，使得系统的中间压力处于最佳压力状态，保证高效率和一定的制热量。当冬季进行除霜运行时，四通阀改为制冷工况运行的流向，风侧换热器（室外）短期内又成为冷凝器，低压压缩机的高温氟利昂进入风侧换热器进行冲霜、除霜。除霜时，开启除霜旁通阀，同时提高低压级压缩机频率，缩短除霜时间。机组利用双级压缩和增加低压级压缩机频率的方法来提高制热量和制热性能系数，以及降低压缩机排气温度，来解决空气源热泵冬季制热量不足，制热性能系数低下，以及压缩机排气温度过高无法正常运行的问题。根据某高校的测试，当蒸发温度为－25℃时，双级压缩的COP比单级提高35％，绝对值可以达到2，而此时，高压级压缩机的排气温度低于120℃，压缩机可以正常工作。一般完全可以保证在－18℃的室外气温下机组正常工作。但原流程中，没有全年生活热水供应的具体做法。冬季用的生活热水是靠采暖热水间接热交换而得，而夏天的生活热水，要靠利用机组的冷凝热回收来得到。如果将热水换热器置于低压压缩机出口至四通阀前的气相氟利昂管路上，可以实施部分热回收，只要机组运行，就可以得到生活热水。双级压缩加变频的方法，为提高热水机组冬季的制热功率提供了借鉴。4.2利用工质（氟利昂）的冷凝热，以及液氟过冷却热的空调、采暖、生活热水三用机组利用气相工质的冷凝热，以及液相工质的过冷却热的制取空调冷热水、全年生活热水供应的三用机组的原理图可见图7。其特点是：（1）为利用液氟过冷热，在冷凝终了的液氟管路上串接一个生活热水的预热器（对于液氟来说是过冷器）8，然后再将过冷的液氟通入贮液器9。这不仅利用了过冷却热预热了热水，而且提高了工质循环的性能（增加了工质单位重量的制冷量）。（2）为利用高温高压气相氟利昂的冷凝热，在压缩机排气口1与热泵四通阀5之间设置再热器（热水器）3，用来全年制取生活热水。（3）四通阀2及单向阀4、21是为了切断或打开通向再热器3的气相氟利昂管路之用，当不需要生活热水或热水温度过高时，改变四通阀2的流向，使得高温制冷工质直接流入热泵四通阀5中，或被风冷凝（制冷时），或加热空调用的热水（制热时）。（4）生活热水夏天具有蓄热功能和直流加热功能两种方式，因为生活热水不像空调冷热水，每小时的流量比较恒定，而生活热水必须适应高峰时段的用水量，同时也宜利用夜间低价的谷电。因而适当加大蓄热水箱的容积是有必要的。当上水温度较高时，也可以达到直流供生活热水的方式。对于生活热水侧，还可以改为如图7框线内所示的流程。图7利用冷凝热及过冷却热的变频压缩制冷、采暖、热水三用机组（5）采用变频压缩机，来满足用户空调负荷和生活热水负荷不断变化的要求，尤其是冬季增大机组制热功率和改善制热性能系数，是十分重要的一项措施。该系统的综合能效比EERC比单独制冷或单独制热均高，与电热水器＋空调或燃气热水器＋空调相比，运行费用低了36.6%和19.7％。空调相比，运行费用低了36.6%和19.7％。4.3空调用热泵冷热水机组的制冷剂回路上连接水冷冷凝器（热水器）的位置关于在空调用热泵冷热水机组的制冷剂回路上连接水冷冷凝器（热水器）的位置，一般有三种方式（见图8、图9）。（1）前置串联式，即热水器串接在压缩机出口至风冷冷凝器之间。这样可以回收氟利昂蒸气的过热焓热量和部分冷凝热来制备生活热水。这对于长期稳定运行的大、中型风冷热泵空调冷热水机组比较合适，但在夏季制热水时，会因为蓄热水箱的水温不断变化而造成运行工况不稳定，而且造成水冷式冷凝器回收冷却、冷凝热的能力不断变化，而且只有在开空调主机的夏季，才能回收热量制取热水。图8水冷式冷凝器的位置图9利用冷却、冷凝热并联独立回路式三用机组（2）后置串接式，即热水器串接在制冷回路的风冷冷凝器之后，节流机构之前的位置。实际上这种连接方式仅回收液相工质的过冷热。这部分过冷热仅占总冷却冷凝热的10－15％，属于部分回收的方案。由于对液相氟利昂施以过冷，有效地提高了系统的制冷量。而且无论冬、夏，只要空调主机开动，即可得到生活热水。（3）水冷冷凝器与风冷冷凝器并联，对于一年四季均能制取热水、冬季制热、夏季制冷的要求来说，还可以采用水冷式冷凝器并接独立回路式的方案，其流程示意图可见图9，其水冷式冷凝器（热水器）6与风冷冷凝器（室外换热器）3并联连接，压缩机排气出口增设由电磁辅阀控制的气动三通阀7，在供液至蒸发器的管路上，增加一个四回路的节流机构4；以及在三通阀与压缩机吸气管道之间增加一个排气管8，这样该系统可以实施四种独立的工质循环：①正常风冷制冷循环（单纯制空调用冷水）；②正常风源制热循环（单纯制空调用热水）；③制冷＋全部冷凝热回收制热水的循环（同时制空调冷水和生活热水）；④单纯制备生活热水的风源热泵循环（可以在春秋季空调停用时，单纯制取生活热水）但是，该流程仍没有解决冬季同时制采暖热水和生活热水的问题。此外，除用空气为热源或热汇外，没有应用其他非矿物燃料性的辅助热源。该机组用HCFC22为工质，可提供50℃的热水。单纯制冷时，总能效比（制冷系数）2.56;单纯制热时，总能效比（热泵系数）2.32;制冷＋生活热水时，总能效比（制冷＋制热水）6.39;单纯制生活热水时，总能效比冬季3.41夏季3.89全年平均制热系数3.4114.4利用水路切换的水源（地源）热泵冷热暖三联供系统目前已有公司推出利用地下水为热源的部分热回收的制冷、供暖、热水供应的三联供系统，水源热泵机组内的氟利昂介质在循环过程中的流向不改变（无论冬夏，不用四通阀切换，也没有除霜措施），仅用机外空调冷热水管路上的阀门切换，来达到夏季供冷、冬季暖热，其生活热水仅用过热氟利昂气体加热。图10通过外部水管路切换的水源热泵空调、采暖、生活热水三联供系统流程图4.5利用太阳能蒸发面板为辅助热源的空气源三用机组的设想综观上述的三用机的做法，仅仅是部分利用了工质的冷凝热（或者仅仅是工质的过热焓），其次，该系统利用双级压缩、变频技术和复杂的控制手段，利用地下水源技术过于复杂，会大大增加机组的一次投资和操作的复杂性。在空气为热源的热泵中，如何解决以太阳能或其他非矿物燃料性（例如雨水、地下水、建筑中水、热废气）热源为辅助热源，来解决冬季热泵制热效果和全年生活热水供应，开发此类的“三用机组”是十分重要的，艰巨而迫切的任务。笔者曾于2003年12月在第2届中国家用/商用中央空调应用技术研讨会上首次发表了开发利用非矿物燃料为辅助热源的家用/商用制冷－采暖－热水供应“三用”机组的设想（同样在2004年江苏制冷空调年会上，也作了宣讲）。前面提到，目前家用/商用中央空调系统中，呈现制冷剂系统（以VRV为代表）、水管机系统（风冷热泵加风机盘管）、风管机系统（室外风冷热泵加室内管道机）为主的“三足鼎立”的局面。但无论何种系统，其室外机都是空气源热泵，而且只能实现夏季制冷供房間的空调降温用；冬季制热，供房间的采暖用。目前还没有又能全年供应生活热水的户用中央空调系统。要实施一机三用，关键是解决风冷热泵冬季在室外气温低时的制热效果问题，或者是寻找廉价的、方便的辅助热源，不仅提高主机的制热效果，保证家用/商用建筑中采暖，而且还要求全年生活热水供应。笔者认为，靠扩大主机冬季的制热功率肯定不行，因为到了夏季主机设备的能力过剩，不经济；用电加热是一个可取的办法比加燃气、燃锅炉简单，可以适合于夜间实施低谷电价的场合；利用家用/商用用户的生活污水和排气的热量（例如桑拿、餐饮、浴室等）理论上是可行的，但由于排出的污水太脏，要进行汇集和处理，也无形中造成系统复杂化，一次投资的增加。那么，利用一般太阳能真空玻璃管集热器是一个途径，但是，太阳能真空玻璃管集热板的集热效率受天气、日照、昼夜的影响，而且，1平方米的真空玻璃管太阳能集热器，每日平均仅能产生65－70升的热水，而且到了冬季产热水量会更小。另一种是由澳大利亚引进的技术－中间安装有制冷剂蒸发管的太阳能蒸发面板。这种面板不同于一般真空玻璃管集热器，不只依赖太阳光的照射来吸收热量，而且可以吸取空气或自然环境中的各种热量，不受晴天、下雨的影响，也不受昼夜的影响，只要外界气温不低于－20℃，即可蒸发吸热（在有太阳辐射时，每平方米面板日产热水量425升，没有太阳辐射时，约300升，显然比一般太阳能集热板的效率高）。该集热面板可以与建筑配合，放置于屋顶、墙面、阳台、甚至地下车库里。利用太阳能蒸发面板的技术与热泵结合，可以制造出空气源热泵的真正“三用机”来。图10是笔者对于这种三用机的一个简单的设想，供同行一起探讨。图11利用太阳能集热面板的三用机组内部流程示意图笔者提出上述的设想，期望能在住宅或商业服务建筑中，用上一套三用中央空调系统－充分利用空调余热和大自然中热量－太阳能、空气，简化流程、降低造价、达到供冷、采暖和全年热水供应的效果，造福于21世纪逐渐富裕起来的广大消费者。5简单的结