隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源緊張以及環(huán)境保護(hù)問題亦日益突出，近年來，上海市的不少賓館都實(shí)施了“煤改氣（油、電）”的環(huán)保政策，但卻造成了洗浴熱水費(fèi)用升高，我們寶山賓館冬季高峰時單此項(xiàng)費(fèi)用就高達(dá)3萬余元每天，如何更多更好地利用自然能源，特別是低品位能源，避免和減少環(huán)境污染，緩和能源緊張問題早已是人們所關(guān)注的課題。有些賓館為了降低洗浴熱水的成本，安裝了真空管式太陽能熱水系統(tǒng)，靠太陽光的直射來產(chǎn)熱，是解決了環(huán)保問題，也相應(yīng)降低了部分時段的洗浴熱水成本，但據(jù)上海市近三年的氣象資料表明，本市每年有近半年時間為多云與陰雨天，此氣候條件下還是要靠電熱管輔助加熱，而用電直接加熱水時的費(fèi)用比鍋爐還高（每噸水溫升40℃達(dá)30多元），且需提供足夠大的樓頂安裝采光面積，有一定的局限性。太陽能是大自然賦予人類取之不盡的清潔能源，充分利用它服務(wù)于人類的生產(chǎn)、生活，是人們長期以來的愿望。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)就是比較理想的太陽潛能（空氣能）的利用方式之一，為此，我們賓館在鵬悅總經(jīng)理與一班領(lǐng)導(dǎo)層的決策下，責(zé)成保障部于中全經(jīng)理牽頭成立了由季建明、任海軍、俞明發(fā)、葉國亮、張兵等工程技術(shù)人員組成的QC攻關(guān)小組，于2004年下半年開始進(jìn)行了這方面的探索。
1.熱泵與熱泵的工作原理
熱泵技術(shù)是近年來在全世界備受關(guān)注的新能源技術(shù)，目前較多地應(yīng)用于冷暖空調(diào)機(jī)。日常生活中泵的應(yīng)用很多。泵是一種提高位能的裝置，根據(jù)用途不同有水泵、氣泵、油泵等。水泵主要是提高水位或增加水壓；氣泵主要是增加氣壓；油泵主要是用于供油系統(tǒng)和油壓設(shè)備。人們使用的打氣筒也是一種簡單的注復(fù)式氣泵。這些泵都是對接觸的物質(zhì)直接作功。
“熱”不是物質(zhì)，而是能，廣泛的存在于自然界中的各類質(zhì)的物體中，這些物質(zhì)，我們認(rèn)為是熱的載體，載體可以是固體（如金屬）、液體（如水）、也可以是氣體。熱的傳遞方式有對流、傳導(dǎo)和輻射。“熱”必須通過載體攜帶并傳遞，不同載體主要傳遞方式不同。熱泵顧名思義就是泵熱的裝置。按照新的國際制冷辭典的定義，熱泵是以冷凝器放出熱量來供熱的制冷系統(tǒng)。熱泵按工作原理可以分為蒸氣壓縮式、氣體壓縮式、蒸氣噴射式、吸收式、電熱式、半導(dǎo)體式和電化學(xué)式多種。而目前應(yīng)用最普遍的應(yīng)當(dāng)是蒸氣壓縮式熱泵。它的工作主要是靠電力驅(qū)動的壓縮機(jī)使熱泵工質(zhì)在壓縮機(jī)、熱交換器、節(jié)流裝置等部件組成的閉合回路系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)，通過工質(zhì)狀態(tài)的相變，將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能。低端吸熱制冷，高端放熱制熱，周而復(fù)始的循環(huán)得到的是制冷又制熱的雙重效應(yīng)，目前較多的應(yīng)用于冷暖空調(diào)。
熱泵系統(tǒng)的工作原理。蒸發(fā)器吸收熱后，其工質(zhì)蒸發(fā)生成的高溫低壓過熱氣體在壓縮機(jī)中經(jīng)絕熱壓縮變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，經(jīng)冷凝器定壓冷凝為低溫高壓液體（放出汽化熱，而制熱）。液態(tài)工質(zhì)經(jīng)降壓絕熱節(jié)流為低溫低壓液體，再進(jìn)入蒸發(fā)器定壓吸收熱源熱量，并蒸發(fā)變成過熱蒸氣重復(fù)下一個循環(huán)。所以利用熱泵熱水機(jī)釋放到水中的熱量不是直接用電加熱產(chǎn)生出來的，而是通過熱泵熱水機(jī)把熱源搬運(yùn)到水中去的。
利用少量高品位的電能作為驅(qū)動能源，從低溫?zé)嵩锤咝盏推肺粺崮懿鬏斀o高溫?zé)嵩�，達(dá)到了“泵熱”的目的。熱泵技術(shù)也是一種提高能量品位的技術(shù)，它不是能量轉(zhuǎn)換的過程，不受能量轉(zhuǎn)換效率極限1００％的制約，而是受逆卡諾循環(huán)效率的制約。其搬運(yùn)的能力與投入熱泵的電能之比稱為制熱性能系數(shù)又稱能效比（用ＣＯＰ來表示）。
其理論效率為:(工作溫度＋273)/溫升△T。當(dāng)工作溫度25℃,△T為20℃時，理論制熱系數(shù)就可以達(dá)到COP理＝15。
但是實(shí)際當(dāng)中，電動機(jī)效率＝0.95，壓縮機(jī)效率＝0.8，換熱器效率＝0.9，系統(tǒng)效率＝0.8，則總效率為0.95×0.8×0.9×0.8=0.55.COP實(shí)＝15×0.55=8.25.
這就是說投入1KW的電能來搬運(yùn)熱量，理想最高可以搬運(yùn)8.25KW的熱量.
2.空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)勢
空氣源熱泵熱水系統(tǒng)就是把空氣作為低品位熱源，通過查閱大量的文獻(xiàn)資料得知與常規(guī)熱水產(chǎn)熱系統(tǒng)相比，空氣源熱水系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：
2.1資源豐富。地球上百分之九十幾的能量是來自太陽的，太陽能數(shù)量巨大，且取之不盡用之不竭，一系列的常規(guī)能源，譬如煤炭、石油都是太陽能長期轉(zhuǎn)換的結(jié)果，而這只是相當(dāng)小的一部分能量。另外一大部分能量都以地流熱、輻射熱等形式存在于空氣中�？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)就是將空氣中的這些熱量和其他低溫?zé)嵩粗袩o法利用的潛熱及工業(yè)排放的廢熱通過泵搬運(yùn)到水中去，從而使水變熱。
2.2技術(shù)的日趨成熟。國際上美國空氣源熱泵熱水器已經(jīng)有20多年歷史了，澳大利亞也在15年前就開始研制同類產(chǎn)品，國內(nèi)雖然起步較晚，但在國家重點(diǎn)扶持和科研、生產(chǎn)部們的不斷努力下，目前空氣源熱泵熱水機(jī)的生產(chǎn)已初具規(guī)模，部分廠家產(chǎn)品已達(dá)到或超過國際先進(jìn)水平，空氣源熱泵熱水機(jī)的產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品質(zhì)量的提高，為我們的嘗試提供了條件。
2.3優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性�？諝庠礋崴到y(tǒng)利用很少的電搬運(yùn)幾倍的熱量，年節(jié)約率高達(dá)80%以上。
2.4良好的實(shí)用性�？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)采用的是容積式儲熱方式，在短時停電停水的情況下可連續(xù)供熱水，且費(fèi)用低于常規(guī)熱水系統(tǒng)，連續(xù)供水還可減少管道腐蝕，延長管道壽命并保證水質(zhì)清潔。
2.5無以倫比的環(huán)境效益�？諝庠礋崮苁菬o污染能源，這是其它能源所無法比擬的，在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)更為重要。
3.探索過程
3.1熱泵機(jī)組的選定
空氣源熱泵熱水機(jī)組，顧名思義關(guān)鍵在于熱泵。要靠熱泵把存在于空氣中的低品位熱能搬運(yùn)到水中去來把水加熱，一就要求壓縮機(jī)能承受高溫高壓；二要求有較大換熱表面積的蒸發(fā)器，與空氣接觸的表面積越大，在同等條件下能搬運(yùn)到的熱能就越多，能效就會越高越節(jié)能；三是高性能的搬熱的工質(zhì)（也稱冷媒），要能在嚴(yán)寒的冬季把寒冷的空氣中低品位的熱能采集提高搬運(yùn)到水中去，要求工質(zhì)的兩態(tài)（液態(tài)與氣態(tài)）轉(zhuǎn)換溫度點(diǎn)要低于-25℃，同時要能產(chǎn)生65℃的熱水又要求工質(zhì)的臨界壓力要低，否則壓力太高對壓縮機(jī)不利或使壓縮機(jī)進(jìn)入高壓保護(hù)而制不了高溫?zé)崴?/p>
對照以上三項(xiàng)以及廠家產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、質(zhì)量保證、售后服務(wù)等諸多因素最終選定了由世界太陽能協(xié)會理事、中國空氣源熱泵熱水機(jī)發(fā)起人韓廣田老師研發(fā)的豪瓦特?zé)岜脽崴畽C(jī)組，因該廠家機(jī)組采用的美國谷輪壓縮機(jī)和比同行業(yè)同類產(chǎn)品增大到1.5倍表面積的蒸發(fā)器，特別是該機(jī)組采用的是其自己獨(dú)特配方的混合工質(zhì)，打破了其他品牌機(jī)組用R22或R417等單一工質(zhì)只能制到55℃熱水與適應(yīng)不了-5℃以下環(huán)境的極限，產(chǎn)生65℃熱水時壓縮機(jī)壓力為22Kg，其他品牌的同類產(chǎn)品到55℃時壓縮機(jī)壓力就超過此值了。為了慎重起見，我們于廠家聯(lián)系定在較寒冷的2004年12月初在我們賓館先安裝了一只日產(chǎn)2噸65℃熱水的小系統(tǒng)進(jìn)行過冬論證，到2005年4月得出數(shù)據(jù)表明：在最惡劣的寒冬用此機(jī)組制一噸熱水的總費(fèi)用為7.32元，較用然氣鍋爐的28.93元節(jié)約了近75%。
3.2系統(tǒng)方案論證與實(shí)施
3.2.1系統(tǒng)方案的論證
熱泵熱水機(jī)組必須由主機(jī)和水箱，循環(huán)泵組成，通過循環(huán)把主機(jī)產(chǎn)熱帶入水箱，對水箱的水逐漸升溫加熱，水系統(tǒng)的工作情況，直接影響到整體效果，所以我們稱之謂熱泵熱水系統(tǒng)。常用的系統(tǒng)有直接大循環(huán)式和定溫放水式兩種不同形式。直接大循環(huán)又有一次加水加熱放水和不間斷使用補(bǔ)水兩種。定溫放水由加熱水箱和儲熱水箱組成，加熱水箱有不承壓定溫完全放水和承壓不間斷自動補(bǔ)水頂水放水式兩種。這些系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們分析了2T熱泵熱水小系統(tǒng)的特性，發(fā)現(xiàn)在加熱的過程中，水溫越低能效比COP值越高，隨著水溫的升高COP值在降低，相同外部工況下同等的水從20℃加熱到50℃時段與50℃升高到60℃時段所耗用的能量接近。最后選用用加熱水箱定溫全放水方式，控制系統(tǒng)雖然較復(fù)雜，但每加熱一箱水都是從冷水初始溫度到設(shè)定溫度全過程加熱充分發(fā)揮熱泵輸入功率隨溫升變化的特點(diǎn)COP值較高，節(jié)能效果明顯。加之冬季機(jī)組間斷工作不易結(jié)霜。
3.2.2改造的目標(biāo)與方向。
有了2噸小機(jī)組過冬的數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)，在賓館領(lǐng)導(dǎo)的決策下，我們首先選定了賓館職工浴室與食堂用熱水作為節(jié)能改造的方向；目標(biāo)是結(jié)合浴室采用智能磁卡系統(tǒng)與利用夜間低價谷電，力爭使節(jié)能改造后年平均綜合節(jié)約率達(dá)80%（詳見下表）。
節(jié)能改造前節(jié)能改造后節(jié)省量
浴室日用熱水（噸）503515
食堂日用熱水（噸）15105
年均熱水費(fèi)用（元）28.937.021.93
日加熱費(fèi)用（元）1880.45315.001565.45
年加熱費(fèi)用（元）686364.25114975.00571389.25
綜合節(jié)約率83.25%
3.2.3系統(tǒng)的構(gòu)成。
根據(jù)職工浴室與食堂該造后的目標(biāo)日用熱水量為45T，放10%的容積余量，我們的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的日產(chǎn)熱水能力需達(dá)到50T。
3.2.3.1選用8臺豪瓦特JKR-10H熱泵工程機(jī)組。日產(chǎn)熱水量為50T，通過查閱該公司產(chǎn)品資料再結(jié)合實(shí)際情況，春夏秋三季環(huán)境溫度和入水溫度比較高，上海地區(qū)最高氣溫達(dá)35℃，按平均環(huán)境溫度為25℃，入水溫度為20℃時，10匹機(jī)每小時產(chǎn)60℃熱水750L，用8臺10匹機(jī)工作8.5小時可產(chǎn)60℃熱水50T。冬季氣溫比較低，上海地區(qū)最低氣溫為0℃左右，入水溫度10℃，此時10匹工程機(jī)每小時產(chǎn)60℃熱水400L，最惡劣的情況下用8臺10匹機(jī)工作16小時可產(chǎn)60℃熱水50T。
豪瓦特產(chǎn)品參數(shù)：
型號JKR05HJKR10H
額定輸入功率4KW8KW
等效輸出制熱功率16KW32KW
生產(chǎn)熱水溫度55～60℃55～60℃
熱水補(bǔ)償速度(環(huán)溫25℃
進(jìn)水20℃△t40℃)350L/h750L/h
制熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)工況25℃約4標(biāo)準(zhǔn)工況25℃約4
進(jìn)出水口尺寸G1″G1.5″
設(shè)備尺寸820×820×1025mm850×1660×1450mm
設(shè)備重量153kg300kg
3.2.3.2一只儲熱水箱。50T容量(內(nèi)部分15T與35T獨(dú)立的兩格，35T供賓館職工浴室15T供食堂)，內(nèi)層不銹鋼板，底板厚度2.0mm,側(cè)板厚度1.5～2.0mm,沖壓加強(qiáng)成型，內(nèi)徑7m長（分成5m與2m）×3m寬×2.5m高，外層材料玻璃鋼板或不銹鋼板沖壓加強(qiáng)成型，兩層中間10cm厚的PE橡塑保溫，整體底部8根×4根20號槽鋼，在保溫層中另加8號槽鋼框架。水箱外北側(cè)面各帶液位顯示，水箱頂部分別各內(nèi)置1套不銹鋼蒸氣管消音裝置，以便備份蒸氣鍋爐啟動時使用。
3.2.3.3兩只加熱水箱.均為2T容量，?1.28m×2.1m，內(nèi)外均為不銹鋼，中間50mm西班牙聚氨脂填充保溫。3臺熱泵機(jī)組對一只加熱水箱加熱供給15T儲熱水箱，5臺熱泵機(jī)組對另一只加熱水箱加熱供給35T儲熱水箱。
3.2.3.4一只放置于食堂樓頂提高位能的熱水儲水箱。3T容量，?1.52m×2.1m，內(nèi)外均為不銹鋼，中間50mm西班牙聚氨脂填充保溫。
3.2.3.5熱水循環(huán)泵11只。8臺熱泵熱水機(jī)組8套管路中各配用1只，3只小水箱各配用1只。
3.2.3.6電磁閥5只�？刂苾芍�2T加熱水箱的冷水進(jìn)水各配用1只，控制加熱完出熱水到50T大水箱的配用3只。
3.2.3.7系統(tǒng)總電控柜1只�？刂�70KVA負(fù)荷能力；具有漏電、缺相、錯相、過載保護(hù)功能；顯示和控制兩只加熱水箱與15T、35T儲熱水箱的水溫；顯示和控制15T、35T儲熱水箱的水位；
3.2.4系統(tǒng)的工作原理。
3.2.5系統(tǒng)各環(huán)節(jié)水溫的設(shè)定。(省略)
無論是鍋爐還是其他形式產(chǎn)生熱水，人們總希望水的溫度越高越好，我們經(jīng)研究才發(fā)現(xiàn)這是一個誤區(qū)，水溫太高水的循環(huán)能力會相應(yīng)減小，一般的水質(zhì)在65℃～85℃之間是強(qiáng)結(jié)垢區(qū)，65℃以下是弱結(jié)垢區(qū)，如果達(dá)到85℃以上就會行成堅硬垢，會阻礙熱水系統(tǒng)內(nèi)部的水循環(huán)，影響水溫。國際上生活標(biāo)準(zhǔn)熱水為60℃，洗浴用水為40℃-45℃，利用低水溫，大容量的辦法可以提高系統(tǒng)。
