冯百乐 何海霞

(1.浙江大学建筑设计研究院，浙江杭州 310028;2.中节能实业发展有限公司，浙江杭州 310012)

0 引言

空气源热泵热水器是一种新型生产热水的设备，是继燃气热水器、电热水器、太阳能热水器后的第四代热水器。空气源热泵热水器具有节能、环保、经济、使用便利等诸多优点，十分适合家庭使用。

2012年6月16日，国家发改委、财政部、工业和信息化部联合发布了2012第17号公告，将第一批高效节能空气源热泵热水器(机)推广目录纳入节能惠民工程补贴范围，这被认为是未来空气源热泵热水器市场加速发展的信号。

本文就空气源热泵热水器的工作原理、技术特点作了简要阐述，并对其节能环保效益进行了分析。

1 空气源热泵热水器工作原理及系统形式

1.1 工作原理

空气源热泵热水器一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、过滤器、储液罐、储水箱及辅助热源等部分组成。运用逆卡诺循环原理，以空气作为低温热源获取热量，经过压缩机的压缩变为高温热能，并传递到水箱中把冷水加热。其工作流程如下:首先，传热工质(过热液体媒体)在蒸发器内吸收低温热源的热量，蒸发成气体媒体，经过压缩器的压缩，变为高温高压的气体媒体;高温高压的气体媒体流经冷凝器将热能传递给冷水，同时自身变为高压液体媒体;高压液体媒体在膨胀阀中减压，再变成过热液体媒体，进入蒸发器，完成一个循环;通过冷凝器向冷水中不断放热，使水逐渐升温，达到制热水的目的。

1.2 系统形式

1.2.1 按加热方式分类

按加热方式可分为一次加热式热泵热水系统、循环加热式热泵热水系统和静态加热式热泵热水系统。

1)一次加热式又称直热式，是指初始冷水流过热泵热水器主机内部的冷凝器(换热器)一次就达到用户设定温度，直接送到保温水箱中。优点是出水温度恒定、可调。缺点是当室外环境温度较低或进出水温差条件不佳时，达到设定温度的出水量很少;压缩机一直处在高压工作状态下，易损耗。

2)循环加热式是指先将冷水注入到保温水箱中，再利用循环泵和水管管路输送至主机加热，加热的方式是多次、循环加热，当水温达到预设温度后，循环停止。优点是设备运行较为稳定，制热效率较高。缺点是水的加热时间较长，在多个时段供水，供水品质不够稳定;使用循环泵会浪费一些电，热水输送的管路上会损失一部分热量。

3)静态加热式是指采用盘管式换热水箱，即换热器(冷凝器)与水箱一体，水箱和主机之间用管道连接，冷媒在管路内的循环，不断地通过水箱内的盘管换热器与水箱中的冷水交换热量，把水加热。其中，盘管换热水箱根据盘管放置的位置又有内盘管和外盘管之分。静态加热式空气源热泵热水器的制热效率略低于前述两种形式，一般在家用机中应用较多。

1.2.2 按结构形式分类

按系统各部件关系可分为整体式热泵热水器和分体式热泵热水器。整体式是指压缩机、蒸发器、冷凝器以及水箱等主要零部件在同一箱体内的热泵热水器。分体式是指上述主要部件不在同一箱体内的热泵热水器，一般分为热泵机组和储热水箱。家庭使用可根据不同的居住、气候条件选择不同的机型。

1.2.3 按水箱形式分类

空气源热泵热水系统根据水箱的形式分为开式系统和闭式系统。开式系统使用开式水箱，热水采用重力流供水或加压供水;闭式系统使用承压水箱，热水通过冷水的压力顶出去。一般推荐采用承压式水箱，可保证出水时冷热水压的平衡。

2 空气源热泵热水器使用性能分析

空气源热泵热水器与其他形式热水器相比较，在使用上具有运行稳定、安全舒适、管理操作方便等诸多优点。空气源热泵热水器在名义工况下，性能系数COP可达到3～4左右，产水温度可达55℃～60℃。在使用过程中，不产生废渣、废水、废气和噪声污染，不会对环境产生负面影响。与同样具有节能环保优势的太阳能热水器相比，还具有运行稳定的优势:空气源热泵热水器由于是以空气作为能量的来源，受环境影响较小，在阴天、雨雪天或夜晚都可以照常工作(适用温度范围在－15℃～60℃)，全天候提供热水。此外，家用空气源热泵热水器室外机与空调外机相似，可放置在屋面、设备阳台等处。

但是空气源热泵热水器在运行时存在结霜问题。当室外温度过低时，热泵系统蒸发温度过低，在蒸发器表面极易结霜，降低了换热效果，导致系统的制热效率急剧下降，甚至无法正常启动。因此，空气源热泵热水器基本适用于华东、华南等长江以南地区，在北方地区使用时必须解决好除霜问题。在使用性能上，空气源热泵热水器和其他形式热水器比较如表1所示。

3 空气源热泵热水器节能、经济和环保效益分析

以杭州市为例，对空气源热泵热水器进行节能环保效益分析。

根据GB 50015-2003建筑给排水设计规范，每人每天热水定额量为40 L 60℃的热水。按一般的用水习惯，假设热水出水温度为55℃，自来水水温按10℃计算，则每人一次淋浴的耗热量:

其中，Q为每人一次淋浴的耗热量，MJ;V为额定用热水量，L;Tu为使用时的热水温度，℃;Ti为冷水温度，℃;C为水的比热容，C=4 187 J/(kg·℃);ρ为热水密度，ρ=1 kg/L。

表1 不同热水器的使用性能比较

平均家庭人口以3人/户计算，假设每人每天淋浴一次，则每户每年消耗在生活热水加热的能耗约为8 256 MJ。

1)采用电热水器。

电热水器平均效能为95%，1度电的热值为3.6 MJ，则耗电量为:

2)采用燃气热水器。

根据GB 6932-2001家用燃气快速热水器要求，燃气热水器最低热效率值不低于 80%，天然气热值约为 35.27 MJ/m3[4]，则耗气量为:

3)采用太阳能热水器。

使用太阳能热水器，太阳能热水系统每年可产生的热量为:

式中:Qr——太阳能热水系统的全年热效能，MJ;

E——太阳能的年辐射总量，杭州取值为4 600 MJ/m2;

β——太阳辐射全年可利用系数，β=0.5;

η——太阳能热水系统的热效率，η=0.8;

F——户式太阳能热水系统的集热板面积，取3 m2，则:

则需辅助电加热耗电量为:

4)采用空气源热泵热水器。

根据GB/T 23137-2008家用和类似用途热泵热水器规定的名义工况下COP的限定值，取静态加热式热泵热水器的COP最低值3.4。考虑到冬季工况时，空气源热泵热水器的COP值较低，因此，冬季三个月时的COP取2，其余三个季节取标准要求的最低值 3.4。

则耗电量为:

3.1 节能效益分析

通过上述计算，使用四种不同形式热水器供一户家庭全年生活热水，全年实际耗热量、空气源热泵热水器较其他形式热水器全年节约的耗热量如表2所示。

可见，空气源热泵热水器除和太阳能热水器耗能量相差不大，几乎可以忽略不计，但较其他两种形式热水器大大节省了常规能源的费用，具有很好的节能效益。

3.2 经济效益分析

根据杭州市物价局规定，居民生活电价取0.53元(不考虑杭州市实行的阶梯电价制度)，居民生活用气价格2.4元/m3，则四种形式的热水器运行费用、空气源热泵热水器较其他形式热水器节约费用如表3所示。

表2 不同形式热水器耗能量比较

表3 不同形式热水器运行费用比较

可见，空气源热泵热水器运行费用是电热水器运行费用的1/3，是燃气热水器运行费用的2/3左右，与太阳能热水器的运行费用几乎可以忽略不计。

相对于普通的电热水器，计算出空气源热泵热水器的静态回收年限、静态投资回报率等，如表4所示。

表4 各种系统静态回收年限、投资回报率计算

可见，使用空气源热泵系统的初始投资虽然较电热水器稍贵，但由于在运行时通过少量的电能输入获得了其3倍～4倍的能量，较电能直接制热大大节省了能源消耗和费用，增加投资额可以通过使用过程中节省的常规能源费用偿还，在使用周期内完全可以回收成本，并减少常规能源费用。

3.3 环保效益分析

根据上述分析，一台家用空气源热泵热水器相对于家用电热水器一年可节约5 840 MJ能量，折合成用电量约为1 622 kWh。根据国家发展改革委气候司2006年～2008年电量边际排放因子的加权平均值，华东区域电网的碳排放因子0.859 2 kg(CO2)/kWh，则可减少1 393 kg二氧化碳排放量，在使用寿命(按10年计)内，则可减少13.93 t二氧化碳的排放，具有良好的环保效益。

4 结语

空气源热泵热水器较其他形式热水器，具有节能、经济、环保、使用便利等诸多优点，十分适用于我国南方地区家庭使用。在解决好除霜问题后，其应用范围可逐渐扩大到北方地区。由于空气源热泵热水器行业成长时间较短、政府扶持力度相对较小、产品价格较高，导致其市场份额、市场认知度都较低，但在能源紧缺的今天，其节能环保的优势日益突出，已逐步受到重视。随着国家和地方政府一系列补助、扶持政策的推出，会极大地推动该项技术的普及应用，其发展前景十分良好。

[1]王靖华，汪 波.空气源热泵热水系统在冬冷夏热地区的应用探讨[J].给水排水，2007，33(5):79-81.

[2]邵迎旭，崔志国，于金涛，等.空气源热泵在生活热水系统中的应用[J].给水排水，2001(S37):354-356.

[3]李元哲.空气源热泵在建筑节能中的应用[J].建设科技，2010(4):76-81.

[4]李庆华.空气源热泵热水系统的技术与应用[J].商品与质量，2011(7):253-254.