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热泵技术的应用现状与发展前景

来源:中国制冷空调工业协会发布时间:2018-02-25

热泵作为一种由电力驱动的可再生能源设备,获取环境介质、余热中的低品位能量,提供可被利用的高品位热能,热泵每消耗1份能量,可以获得3倍甚至更多的热量,很大程度上提高了能源的利用效率,是一种高效节能的清洁能源产品。另外,采用热泵技术进行热回收,以及采用不同的技术对余热热源进行充分利用,可为国家有效节约大量能源资源。热泵不仅能够同时兼顾夏季制冷和冬季供暖以及热水制取,还可以在工农业生产、国防建设等国民经济的诸多领域发挥作用,应用潜力巨大。

近年来,严重的雾霾已经影响了人民的正常生活。特别是2016年秋冬季以来,雾霾已经成为全国性的污染问题,影响范围大、污染程度重、持续时间长,成为人民群众的“心肺之患”。特别是包括京津冀的华北、东北、黄淮等地区,多次PM2.5浓度超过500微克/立方米,霾区面积超过百万平方公里。如何解决雾霾问题,为人民营造一个和谐健康的生态环境,还子孙万代一个绿水青山,已经成为摆在各级政府及社会各界面前迫切需要解决的重大任务和攻坚目标。

党的十九大报告强调,要着力解决突出环境问题,坚持全民共治、源头防治,持续实施大气污染防治行动,打赢蓝天保卫战。2016年12月,中央财经领导小组在第十四次会议,即研究“十三五”规划纲领重大工程项目进展和解决好人民群众普遍关心的突出问题工作会议中强调,推进北方地区冬季清洁取暖等6个问题,都是关系广大人民群众生活的大事,是重大的民生工程、民心工程。推进北方地区冬季清洁取暖,关系北方地区广大群众能否温暖过冬,关系雾霾天能不能减少,是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。要按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针,宜气则气,宜电则电,尽可能利用清洁能源,加快提高清洁供暖比重。在推进北方地区冬季清洁取暖,打赢蓝天保卫战的征程中,热泵作为一种节能环保的解决方案,一定能够发挥应有的积极作用,为国家的环境保护和民生保障做出更多的贡献。


1 推动热泵应用的政策和行动

1.1 国家层面的政策和法规

近年来,国家高度重视环境污染的防治工作。2013年国务院发布了《大气污染防治行动计划》,随后国家发改委、环保部、能源局、财政部、住建部等中央多个部门联合发布了与推动热泵应用相关的多项政策和措施(表1)。这些政策和措施主要涉及以下几个方面的内容:

1) 积极发展绿色建筑,政府投资的公共建筑、保障性住房等要率先执行绿色建筑标准,新建建筑要严格执行强制性节能标准。

2) 大力推动清洁能源的利用,北方地区严厉禁止散煤使用,推动“煤改电”、“煤改气”的应用。

3) 推动工业余热的综合利用,鼓励“热-电-冷”三联供,继续做好工业余热供暖,大力发展热泵、蓄热及中低温余热利用技术,进一步提升余热利用效率和范围。

4) 在北方居民供暖领域,燃气(热力)管网覆盖范围以外的学校、商场、办公楼、农村等场合,积极推进各种类型电供暖。根据气温、水源、土壤等条件特性,结合电网架构能力,因地制宜推广使用空气源、水源、地源热泵供暖发挥电能高品质优势,充分利用低温热源热量,提升电能取暖效率。

5) 在长江中下游地区推广热泵供暖。

6) 推广热泵烘干技术的应用,比如在茶叶、烤烟、槟榔、木材等生产制造领域。

7) 要求各地方政府根据自身实际情况,有效利用大气污染防治专项资金等资金渠道,通过奖励、补贴等方式,对符合条件的电能替代项目、电能替代技术研发予以支持。

1.2 地方政府层面的政策法规

在推动热泵应用国家层面的政策影响下,各个地方政府也出台了多项的配套政策和激励措施(表2),对采用热泵等清洁能源利用方式给予大力扶持和补贴。

1.3 热泵相关的标准

热泵行业的健康发展离不开标准的支持,目前我国已经建立了较为完善的产品标准体系,包括方法及安全标准、主机产品及部件标准、能效标准、设计及安装使用等标准。

在十年前,行业就专门制定了用热泵制取热水产品的标准,包括GB/T 23137—2008 《家用和类似用途热泵热水器》和GB/T 21362—2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》。在现有制冷空调行业的一些产品标准中,很多也包括了对热泵的要求和规定,例如房间空调器、单元式空调机、冷水机组等产品标准中都涉及到热泵型产品的相关内容和规定;同时行业内还针对热泵产品应用的低环境温度等条件制订了很多专用标准,如GB/T 25127.1—2010《低环境温度空气源热泵(冷水)机组第1部分:工业或商业用及类似用途的热泵(冷水)机组》、GB/T 25127.2—2010《低环境温度空气源热泵(冷水)机组第2部分:户用及类似用途的热泵(冷水)机组》、GB/T 25857—2010《低环境温度空气源多联式热泵(空调)机组》等。

为了配合热泵相关产品国家标准的贯彻执行和配套落实,行业及社会团体也配套制定了多项专用标准,在实际工作中发挥了重要的作用。比如中国制冷空调工业协会在2009年就制订并发布了相关的协会标准CRAA 311《热泵热水系统设计、安装及使用规范》。

1.4 推动热泵应用的行动

在国家和各个省市发布的促进热泵应用的政策和措施的激励下,热泵的应用和推广取得了良好的成效。根据环保部、发改委等十六部门于2017年8月21日发布的《京津冀及周边地区2017—2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》,京津冀及周边地区需要全面完成以电代煤、以气代煤任务。2017年10月底前,“2+26”城市完成以电代煤、以气代煤300万户以上。北京市、天津市、廊坊市、保定市2017年10月底前完成“禁煤区”建设任务,散煤彻底“清零”。

根据相关的数据统计,在北京市,2016年超过15万农户完成了空气源热泵的供暖改造,2017年有约30万农户完成空气源热泵的供暖改造。在天津市,2016年完成煤改空气源热泵约3万户,2017年煤改空气源热泵约10万户。在河北省,2016年逐步开始煤改空气源热泵,2017年煤改空气源热泵约4.5万户。

除京津冀地区以外,全国其他一些省市也围绕清洁能源替代工作展开了行动,如河南省在《河南省电能替代工作实施方案(2016—2020)》中提出,到2020年,累计推广热泵应用1亿平方米。山东省在《关于加快推进电能替代工作的实施意见》里也提到2016年—2020年,力争新增热泵面积5 000万平方米以上。


2 热泵市场的发展现状

目前市场上的热泵产品主要有空气源热泵、水(地)源热泵、热泵热水机、吸收式热泵等。据中国制冷空调工业协会统计,2016年我国工商用热泵产品的产值超过530亿元;而在家用房间空调器市场中,绝大部分产品也是热泵型的,大约占到总产量的70%。

2.1 空气源热泵机组

空气源热泵是从空气中吸收热量进行制热(制冷)的热泵空调装置,应用场合广泛、安装使用灵活,随着低温空气源热泵机组应用逐步成熟,未来空气源热泵的应用范围及地域将继续得到扩展。空气源热泵机组主要包括:空气源单元式空调(热泵)机、空气源多联式空调(热泵)机组、空气源屋顶式空调(热泵)机组、空气源风管送风式空调(热泵)机组、风冷冷(热)水机组等产品。图1是我国空气源热泵机组近年来的销售产值情况。

2.2 热泵热水机(器)

热泵热水机(器)将低品位热源(如空气、土壤、地下水和地表水等)的热量转移到需要加热的水中,实现制取热水的设备。近年来,热泵热水机(器)取得了快速发展(详见图2)。在协会等相关机构的积极推动和建议下,高效节能空气源热泵热水机(器)于2012年6月被列入国家“节能产品惠民工程”补贴范围,从国家层面推动了热泵热水机(器)的普及及应用。2013年10月,《热泵热水机(器)能效限定值及能效等级》的首次实施,带动了该行业能效升级及产品技术的进步。未来在国家政策的引导下,热泵热水机(器)市场规模还将进一步扩大,将会有越来越多的家用及工商用途领域用户采用这种节能高效的热水设备。

2.3 水(地)源热泵机组

水(地)源热泵机组是相对于空气源热泵机组而言,以水/土壤为热源进行热泵型制热的空调装置,热源可以是江河湖水等地表水以及地下水和土壤等。这类产品中地下水源及土壤源型热泵占据了较大的份额。虽然地下水源及土壤源热泵在一些特殊政策的引导下过去十余年间经历了一个相对较快的发展时期,但由于地下水式水源热泵存在的水源回灌困难、可能对地下水体造成污染等问题,近年来已有多个省市出台了限制地下水式的水源热泵的使用政策,导致地下水式水源热泵的应用呈现出逐步减少的态势。另外,土壤源热泵的热平衡处理以及可能存在的影响生态平衡的地质环境变化等问题,加之我国建筑物的高密度环境给其应用带来的制约等也导致土壤源热泵的应用增长缺乏动能。图3是我国水(地)源热泵机组2011年—2016年的销售产值情况。

2.4 吸收式热泵机组

我国吸收式冷水机组的大规模市场化应用开始于上世纪80、90年代,当时严重的供电缺口和高额的用电增容费用,为吸收式冷水机组在空调领域的大量推广使用起到了极大的助推作用。进入新世纪之后,随着国家电力供应短缺问题的化解,吸收式冷水机组在空调领域的应用逐步减少,而应用于工业领域的吸收式热泵机组的市场份额则呈现出不断增加的态势,这主要是吸收式热泵机组在工业热回收领域的适用性及良好的节能效果所带来的新的市场扩张所致,这其中发电行业又是近些年来吸收式热泵进行余热回收应用的主要领域,这与我国绝大部分的电力来源仍以燃煤发电为主有关。但与蒸气压缩机循环热泵机组相比,吸收式热泵设备体积比较大,燃气和燃油的热泵运行成本比较高,燃油的尾气环境污染还比较严重;并且随着近年来国家电力供应状况的改善以及可再生能源利用的力度不断加大,新建燃煤电厂的比重在逐渐减少,已有热电厂的技术改造也逐步完成,因而吸收式热泵在这一余热回收领域总的市场应用规模呈现出逐渐缩小的态势。而围绕着工业节能和余热废热回收利用的这个大课题和大蛋糕,目前行业相关企业在不同工业领域开展积极研究和探索,吸收式热泵技术在其他领域的应用,开发新的热泵技术应用市场,相信未来吸收式热泵机组在更多的特定领域仍然有相当大的市场空间,在为节能减排事业做出贡献的同时也会迎来新的增长机遇。图4是我国吸收式热泵机组2011年—2016年的销售产值情况。


3 热泵的关键技术和需解决的问题

3.1 空气源热泵

对空气源热泵来说,大家比较关注的关键技术包括换热器除霜、低环境温度下性能的改善、增加可靠性等问题。

1) 低温性能的改善

国内很多学者就空气源热泵在低环境温度下热量衰减和能效降低的问题都进行了很多研究,目前低温性能的改善和可靠性的提高主要有以下技术:

a.变频技术:变频技术的原理就是增加压缩机的转速,提升制冷剂循环量,来提高制热量。同时,缺点是不能解决压缩效率降低及排气温度高的问题。

b.双级压缩技术:双级压缩技术的原理是通过二次吸气,提升有效制冷剂循环量及制热量,并显著提升热泵在极低环境温度下的效率。缺点是造价升高、变工况及低压比制热效率低。

c.双级耦合技术:双级耦合技术的原理是用水循环管路将两套单级热泵系统耦合起来,组成一套适合于寒冷地区应用的双级热泵供暖系统。解决北方严寒地区空气源热泵供热时压比大、运行效能差的问题。此项技术的优势在于在低温环境下,第一级供水温度可降低,以降低排气温度;可有效地解决排气温度过高、低温工况下性能衰减严重的问题;运行调节稳定,便于控制。相对于普通的单级热泵系统,双级耦合系统多了一套单级热泵系统和耦合用的水循环管路,由此带来成本较大提高。

d.涡旋压缩机补气技术:该技术的原理是通过中间补气,提升有效制冷剂循环量,降低压缩损失,实现容量和效率双提升。该项技术在近年北方地区煤改电中得到了广泛应用。缺点是在极低温工况性能提升不及双级压缩。

e.三缸双级变容积比压缩机:该压缩机首次在单台压缩机上实现了可变容积比的双级压缩,根据工况调整容积比,使压缩机在各工况下效率最大化,搭载该压缩机的空气源热泵可实现-35 ℃~54 ℃宽温范围稳定运行,在室外环境温度低至-25 ℃时热泵制热量仍不衰减,取消了其它辅助加热手段。该压缩机的开发难度高,制造成本也有一定的增加。

2) 除霜及无霜技术

空气源热泵运行受环境影响比较大,在低温环境下的结霜问题明显。目前,针对除霜问题,种类方法很多。常用的除霜方式有电加热除霜、逆循环除霜和蓄热除霜等方式。

a.逆循环除霜:逆循环除霜技术利用四通换向阀改变制冷剂流向,机组逆向运行,除霜能量来自压缩机耗功和从室内吸收的热量,使制热状态变为制冷状态,室外机变为冷凝器进行除霜。这种技术在除霜过程中,会从室内吸热,降低了房间的舒适性,而且四通换向阀频繁动作会导致易耗损等问题。

b.蓄热除霜:原理是将蓄热技术和除霜技术有机结合起来。采用相变材料在供热过程中蓄存热量用于除霜,解决除霜时热源不足的问题,缩短了除霜时间,但是成本明显增加。

c.无霜技术:利用固体/溶液除湿换热器首先对被处理的空气进行除湿,从而抑制或延缓结霜。然而,随着干燥剂吸收水蒸气能力的减弱,抑制结霜的作用也逐渐失效。

3.2 水(地)源热泵

水(地)源热泵具有能效高、运行稳定的特点。对于地下水、地表水和土壤等不同热源的机组,具有不同的优点和缺点。

1) 地表水源热泵

地表水源热泵一般仅适合靠近水源的需求场合,地表水源热泵根据水源的不同,可以分为海水源、江湖水源等。就海水源热泵来说,海水的腐蚀性比较强,换热器需要采用特殊的材料,并且海水源距离使用场合一般都比较远,需要解决长距离输送的问题。

针对江湖水源热泵,根据《中华人民共和国水法》和各地方的《城市用水管理条理》,均要求调用水审批,用水收费,有些地方将水源的抽取和排放两次收费,导致水费偏高,使得水源热泵的运行节能费用不足增加的水费。水源热泵的推广需要政府从可持续发展的角度,综合能源、环保和资源各个方面的考虑,调整地表水源热泵水源使用的政策,需重新确定水源如何管理和收费;同时江湖水源热泵应用还涉及规划、市政、航道、海事等多个部门,涉及众多的审批环节,需要建立相应的协调联动机制,才能促使其进一步发展。

2) 地下水源热泵

对于地下水式的水源热泵,需要大量集中开采地下水,一般地下水埋藏深度大、取水成本高,同时地下水在利用过程中还需要防止遭到污染以及地下水水位下降造成地面沉降。回灌技术同时也具有如下缺点和问题:回灌跟地质条件密切相关,建造合适的回灌井有难度、费用高;回灌压力高;地下水污染和回灌流体泄漏到地表面;生产井化学性质的改变等。目前,地下水使用受到国家的严格管制,例如北京市先后出台了《北京市实施<中华人民共和国水法>办法》、《北京市水污染防治条例》等政策,严格限制地下水的开采和使用。

3) 污水源热泵

近年来,污水源热泵的发展在国内也有了长足的进步。污水源的水温适合热泵,但是污水成分复杂,需要解决换热器脏堵的问题,并且系统容易滋生细菌,需要长期的监测,污水源热泵机房也需满足卫生防疫要求。

4) 土壤源热泵

对于地埋管式土壤源热泵,在北方地区以供热为主,存在土壤源热泵长期热不平衡问题,冬季的取热量大于排热量,这样会导致土壤温度的长期持续下降,造成系统性能的衰减甚至无法运行。目前对于热不平衡所采取的措施主要就是通过减少取热或者辅助设备进行补热,例如锅炉补热、太阳能补热及空气源热泵补热方式。另外,地埋管方式需要占用大量的空间,在制定系统方案之前需要对项目进行地质勘察,以确保有足够的空间进行地埋管的铺设,同时也应考虑土壤源热泵的初投资成本较高的问题。

3.3 吸收式热泵

吸收式热泵分两类,第一类利用高温热源驱动,吸收废热(余热)的热量,输出比废热(余热)温度高的热水/蒸汽用于生产工艺或供暖。第二类直接利用中温废热(余热)的热量驱动,输出比中温废热(余热)温度高的热水/蒸汽用于生产工艺或供暖。吸收式热泵的难点包括系统结构的改进、提高换热效率和性能系数以及充分提高低温热源热利用效率。此外,不同温度的热源如何实现长距离的经济可行的输送以及溴化锂溶液的防腐、防结晶问题也是当前吸收式热泵的研究热点。

3.4 产品安装和使用

制冷空调产品是“三分产品,七分安装”。例如在目前农村“煤改电”项目热泵供暖应用中,由于农民每家每户的情况都不完全相同,就需要做到一户一设计、一户一方案,因此安装、设计工作非常繁琐,这需要企业建立起完善的设计、施工和监督流程。

另外,由于农村消费者的文化程度普遍不高,对热泵产品的了解和认知程度不高,对热泵的运行和使用不了解,加上没有专业人员进行不间断的运行和维护,存在着很大的使用安全隐患。也需要各相关企业高度重视,对用户一定要进行一定程度的基本操作保养知识培训,并在用户使用区域建立起售后服务体系,在出现问题时及时提供必要的服务。

3.5 统一的能效标准

目前,我国能效标准逐步从考虑产品单一名义工况的能效比过渡到综合考虑产品全年制冷制热性能的综合能效比,比如单元式空调、多联式空调、风管式送风式空调、水(地)源热泵机组等大类产品都已实现了性能考核体系的转变。但是随着热泵技术的发展,在北方农村地区的“煤改电”等场合采用热泵供暖的机组,是单一制热的产品,在夏天很少用来制冷。目前,这些专门用来单一供暖的热泵产品,还没有统一的能效标准,这也给市场上如何评价单一供暖的各类热泵产品的优劣带来了困难。为了规范市场的发展,国家能效标准的制定机构需要针对单一供暖的热泵产品尽快制定统一的能效标准。


4 未来发展展望

自2017年入冬以来,北方空气质量指数与上一年同期相比明显得到了改善,雾霾天数明显减少。可以看出,国家近年来大力推动的“煤改电”、“煤改气”等政策和措施取得了明显的成效。所采取的清洁供暖方式,包括了天然气供暖、电暖器、热泵等多种方式;按照相关专业人士的分析,以及诸多应用实例表明,热泵的能源利用率比较高,减排效果突出,为国家的环境污染治理发挥了极其重要的作用。

根据《京津冀及周边地区2017—2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》,2017年10月底前,在北方“2+26”城市完成以电代煤、以气代煤超过300万户,由于成本等原因,绝大部分仍然不是采用热泵产品来替代,而是采用以气代煤,进一步加重了天燃气的紧缺,造成了今冬严重的气荒,严重影响了人民的生活质量;另外,由于我国天然气大部分进口,价格与国际市场联动密切,价格较高,这不论是对政府还是居民,高昂的成本都是需要谨慎考虑的;而且燃气壁挂炉和小型燃气锅炉燃烧过程中会产生大量氮氧化物;再加上低空排放,它对大气污染也有很大的影响,对改善空气质量效果还有待商榷。电锅炉供暖和电暖气供暖,相当于热效率只有30%左右的燃煤锅炉供暖,能效较低,还导致了电网负荷的大幅度增加。而热泵每消耗1份能量,可以获得2~3倍甚至更多的热量,极大提高了能源的利用效率,相较于前述的几种供暖方式而言,无疑是一种高效节能的模式,值得大力推广。

我国是全球最大的制冷空调设备制造国和消费国,我国制冷空调行业的整体技术和制造水平近年来也在快速向国际先进水平靠拢。热泵作为制冷空调行业一个新兴的产品类别,通过最近几年的国家和地方政府的大力支持和激励,在替代传统燃煤供暖等场合的应用越来越多。根据目前热泵应用的经验来看,根据用户的供暖、供热水和制冷空调的各种需求,结合建筑特征、气候环境变化以及热泵的节能环保优势,配合系统、末端进行综合改造治理,提供合适的综合技术解决方案具有极大的节能价值和潜力。而未来清洁供热之路,更需要统筹进行规划管理,因地制宜地选择可再生能源作为热泵的热源,重视和推广各种能源的综合利用,把空气源、污水源、海水源、江湖水源、余热和废热、太阳能等适当的组合利用,克服热源单一的缺点,从而充分提高供热供冷的综合集成效率,取得最佳的节能效益。

从发展趋势分析,我们相信热泵在未来将具有更大的应用空间。在我国1.6亿农户中,分散燃煤采暖超过6 000万户。根据《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》,截至2016年底,我国北方地区城乡建筑取暖总面积约206亿平方米。其中,城镇建筑取暖面积141亿平方米,农村建筑取暖面积65亿平方米。我国北方地区取暖使用能源仍以燃煤为主,燃煤取暖面积约占总取暖面积的83%,取暖用煤年消耗约4亿吨标煤,其中散烧煤(含低效小锅炉用煤)约2亿吨标煤。按照该规划,到2019年北方地区清洁取暖率达到50%,替代散烧煤7 400万吨;到2021年北方地区清洁取暖率达到70%,替代散烧煤1.5亿吨。而在我国长江流域等非传统集中供暖区域,绝大部分建筑物内并无供暖设施,随着人民生活水平的提高,这些区域的供暖也已开始提上议事日程。而这些地区人口非常密集,未来大范围的供暖需求的解决必定带来巨大的能源消耗需求及污染排放的压力。因此制冷空调行业如何利用热泵这一环保高效的采暖技术,使其在未来的清洁供暖推广方面做出积极贡献,是当前行业内外需要共同关注和研究解决的大课题。党的“十九大”的报告指出,绿水青山就是金山银山,要抓住人民最关心最直接最现实的利益问题,保障群众基本生活,不断满足人民日益增长的美好生活需要。这一核心思想为我们今后的工作直接指明了方向。我们相信,在国家政策指引和相关引导措施的激励和扶植下,在行业同仁的共同努力下,未来热泵技术一定能在国民经济建设的各个领域发挥更加突出的作用,热泵产业也将会迎来更加广阔的发展前景和美好未来。


本文选自《制冷与空调》2018年1月刊  

作者:张朝晖 王若楠 高钰 刘慧成 刘璐璐 白俊文 陈敬良



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