热泵热水系统应用及其案例研究
摘要热泵系统于国内多用于热水供应、空调供暖、泳池恒温，在星级酒店、医院及宿舍、体育馆等类型建物，取代燃油或燃气式热水锅炉，可大幅降低营运成本，热泵机依应用场所的条件不同，大致分为气源式热泵及水源式热泵，气源式热泵在规划时所需考虑问题较少，但要维持其运作效能较为困难，而水源式热泵机常与建物中既设的空调系统进行整合，规划时所需考虑的问题较为复杂，但使用效能较高。
一、前言
热泵商业应用已近二十多年的历史，美国至1985年全国共有14,000台热泵，至1997年就安装了45,000台，到目前为止已安装逾400,000台，而且每年以10%的速度稳步增加。1998年美国商业建筑(国际型酒店、大型医院)中，热泵系统已占空调总容量的19%，其中新建筑中占30%【1】。
美国热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署及众多热泵厂家组成的美国热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作于2001年达到每年安装40万台热泵的目标，降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树1百万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元，此后，每年节约能源费用再增加1.7亿美元【1】。
与美国的热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管(深度<400米)的热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计，民用的供热装置中，热泵所占比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%【7】。
全球热泵的应用情形自1995年产生约59%成长，每年约以9.7%比率成长，大部分集中于美国以及欧洲，其它如日本及土耳其热泵机组装设容量约在6,875MW，2000年初年消耗23,287TJ/year(6,453GWh/year)，实际安装的数目约500,000台，总容量约相当于12kW的热泵机570,000台，12kW为美国及部分欧洲国家使用之民用型热泵规格【2】。
我国属大陆型气候，四季分明冬季严寒，目前值工商业高度发展时期，商办大楼与集中式住宅已于当地建筑法规中载明空调暖气之必要性，在此条款下每年冬季必产生相当大的能源耗用，在原油等能源日益缺乏的今日，热泵已是采暖主流技术。
二、热泵系统国内应用情形
国内应用于热水、空调供暖、加热等用途者，多采用锅炉作为主要热源，使用燃料约有数种，柴油、瓦斯(天然气)及电力为大宗，另低硫燃料油及液化石油气亦相当常见。在能源使用成本上以天然气较为经济实惠，但瓦斯管网分布有地域上的限制且管线设置费用高，而柴油、燃料油及液化石油气等燃料在运上较为便利通常为第二选择;电热在使用上成本最高，但电力取得便利设备设置成本低，普遍用于家庭及集合式住宅。笔者接触规划的案例做统计，126案中有59例(占比46.83%)采用柴油，电热器35例(占比27.78%)，天然气25例(占比19.84%)，液化石油气7例(占比5.56%)如图 1见下图。
图1、热水系统使用能源类别配比
国内热泵系统多用于洗浴热水供应，在热水用量大的场所如饭店、医院及宿舍、体育馆等，规划热泵系统取代燃油或燃气式热水锅炉，可大幅降低因供应热水而支出的营运成本。因此使用热泵机直接或间接自空气或是水源中汲取热能相当便利，可兼顾节能效益及避免投资回收年限过长。
以产生每单位热能所需支出的费用比较，如图2、能源使用成本比较，热泵热水器产生每单位热量的费用与同样利用电力的电热器相比，热泵热水器较电热器节约近75%支出费用，同理较燃料天然气的锅炉节约56%、液化石油气节约70%，柴油锅炉节约50%的能源使用成本，这也是热泵系统在推广上最大利基诱因。
图2、能源成本比较
三、热泵机应用范围
对利用冷媒蒸气循环原理之热泵机而言，设备性能以COPh值表示，操作在55℃至60℃左右的冷凝温度，其COPh值约 3.4~3.5(COPh值定义为每输入1kW功率所得到的热输出)，相较于冷凝温度35℃~40℃操作条件下性能COPh值较低，但在使用上 55~60℃左右的热水，无论用于洗浴或者是空调热排之供水都尚称适宜且泛用。
因为这样使用惯性，故热泵系统大量使用于供应医院、饭店、体育馆及学生宿舍等处所需热水，而热泵机组因应建物形态及功能衍生出不同之设计以适用多变现场需求，如气源式(AirToWater/AirSource)和水源式(WaterToWater/WaterSource)热泵机，甚至为总合二者的复合式。
图3(a)为气源式热泵机示意图，藉由风机引入空气至蒸发器内，利用低温低压的冷媒带走其中蕴涵的热能，再经由压缩机作功提升冷媒温压后由冷凝器将热能释放至水槽中予于储存。图3(b)水源式热泵机则藉由 循环水泵引入常温或低温的水源至蒸发器内依循相同的原理，汲取热能并予以储存。
应用两种基本机型之热泵机组配合原建物暨设的空调设施，在系统上有不同规划方式，如水源式热泵机组若结合原有空调系统可回收空调废热转而制造热水，在热泵机运转制造热水的同时，也将冷能反馈至冰水系统中，如图4(a)、水源式系统示意;或在有固定热负荷产生的区域设置气源式热泵机自周围空气中汲取热能产制热水同时也可以吸收部分热负荷，如图4(b)、气源式系统示意。
在市场上以回收废热能供应温热水为用途之设备可分为热泵机及热回收机，两者产生热能的机制相同，但设计上选用的出发点不同，故在规划及工程成本上有相当大的分野。
图3(a)、气源式热泵机
图3(b)、水源式热泵机
图4(a)、水源式热泵系统示意图
图4(b)、气源式热泵系统示意图
规划热泵系统应考虑用水习性、用量、原有加热设备系统，以搭配适当机组容量，以较合理设备容量避免高昂的硬件成本，国内在热水使用上多缺乏燃料、用水管理与记录，故设计初期多以经验值估算热水需求量，以宿舍类型建物为例，洗浴用水时机多集中于晚间，在空间许可的条件下可考虑设置足量储水箱，而设备容量则依用水尖峰时间长短作选择，例如某宿舍管理单位明定热水供应时间集中在PM6：00~10：00，该时段外的时间即为热泵运转储制热水的时间，将热泵主机的容量最小化并兼顾热水供应量，降低初设成本加速投资回收，此外若能将热泵机运转时间集中于夜间谷峰电价时段，以现行电网销售用电高峰低谷电价为例，高峰时间流动电费为0.924~0.963元/千瓦，低谷时间流动电费为0.624~0.651元/千瓦(二时段分时电价)为例，更可收节费效益。
四、热水供应之案例研究
案例一：
以萧山国际酒店为例，建筑面积44,000平方米，总高109米，地面28层，地下2层，国际酒店热水系统包括高区热水系统、中低区热水系统和泳池桑拿热水系统，其中高区和中低区热水系统为生活热水系统，泳池桑拿热泵系统为恒温系统。酒店原使用燃油蒸汽锅炉提供淋浴及泳池恒温用热水，酒店使用重油作为原料，每年热水系统使用的重油为454吨,直接费用为236万元(按当时重油价格5,200元/吨计算)，规划以热泵系统替代，利用热泵主机，节能、省电、环保、安全等特性，节约能源支出，且热泵机不采燃烧制热，亦无空气污染之虞。
热水系统改造可选方案
酒店热水系统改造势在必行,目前符合国家节能环保政策且又经济的热水系统有以下几种:
1.太阳能
2.污水源热泵
3.地源热泵
4.空气源热泵和水源热泵
太阳能热水系统介绍
太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。
太阳能热水系统优势：
(1)环保效益-相对于使用化石燃料制造热水，能减少对环境的污染及温室气体-二氧化碳的产生。
(2)节省能源-太阳能是属于每个人的能源，只要有场地与设备，任何人都可免费使用它。
(3)安全-不像使用瓦斯有爆炸或中毒的危险，或使用燃料油锅炉有爆炸的顾虑，或使用电力会有漏电的可能。
(4)不占室内空间-不需专人操作自动运转，另外，太阳能热水器装在屋顶上，不会占用任何室内空间。
太阳能热水系统可行性分析：
分析了太阳能系统的特点，可以知道太阳能系统的优势在国际酒店都不能体现出来，主要有以下几点：
(1)国际酒店没有足够可供太阳能系统的场地。
(2)太阳能系统受天气影响太大，即使在春夏秋季节也可能无法使用，即如果使用太阳能系统的话，那么国际酒店的锅炉在夏天也可能要开启，浪费严重(国际酒店锅炉6.5吨大，单为热水系统开锅炉浪费严重)。
综上所述，太阳能系统不适合国际酒店
污水源热泵介绍
污水源热泵即在污水中提取热量，通过压缩机压缩后再通过换热器把热量传递到生活热水中，污水源热泵优势：
(1)节能环保，废热利用。
(2)污水中存在着大量温度较高的热能，因此污水源热泵的COP指数高。
污水源热泵可行性分析：
国际酒店的污水(包括淋浴器、洗手盆、马桶等)全部一根管道排放，污水中杂质太多，很难利用，且目前污水源热泵在这种工况下技术不成熟，即污水源热泵在国际酒店是不可行的。
地源热泵系统介绍
地源热泵通过地埋管、地下水、地表水等方式提取低品位热能，通过压缩机转化为高品位热能，地源热泵具有以下优势：
(1)节能减排，一年四季效果稳定，是目前最节能的热水空调系统。
(2)稳定性好，系统全部放置于室内或者地下，系统寿 命长。
(3)系统COP高。
地源热泵可行性分析：
地源热泵节能效果是无可质疑的，但国际酒店地埋管、地下水、地表水等都受到限制，条件不允许，地源热泵系统初投资大，且系统的改动较大，即地源热泵系统不适合国际酒店。
空气源热泵和水源热泵可行性分析
空气源热泵和水源热泵节能效果显着，也是国家大力推广的产品，它不需要太阳能那么大的场地，甚至放在室内也可以，它初投资和太阳能系统相近,比地源污水源系统投资都要小得多，它全年能效比较稳定，比太阳能系统稳定得多(选择安放位置很重要)。
经初步比较之后，选择了空气源热泵和水源热泵来改造国际酒店热水系统，比较国内外机组的性能和价格比，最终选择了专业系统设计规划热泵第一品牌司瓦特(SWAT)。
同时采用空气源及水源热泵机如图6(a)及6(b)，自周遭空气中汲取制造热水所需热量，加热储制热水。
由于热泵机组采循环加热方式，自来水初温加热至使用温度所需时间较长，为满足大而集中的用水量，以全量储水方式规划，在原有 5m³*4座及8.5m³*2套闭式水箱外(如图7)，另增设63m3开放式水箱1座(如图8)，并串连3座贮水槽(如图5、热水系统示意图)，增加储水量，3座贮水槽合计有效容积约65m3。
图5、热水系统示意图
图6(a)、空气源热泵机组外观
图6(b)、水源热泵机组外观
图7(a)、5m³*4座闭式储水箱
图7(b)、8.5m³*2套闭式储水箱
图8、63 m³开放式储水箱
萧山国际酒店热泵系统改造后节能效果
萧山国际酒店热泵热水系统正式完工于2008年5月中旬，其中6月份热泵热水系统使用期间，国际酒店共用水2,159吨，共耗电 13,828度电(其中包含空调热回收的节能效果)，泳池桑拿共耗电5,652度。而去年同期，国际酒店用水2,757吨，热水和泳池桑拿共耗油 26.38吨和电4,886度(去年同期高区已经在使用)，即单6月份即可为国际酒店节省12.5万元(重油按当时市场价5,200计算)。
预计全年热泵结合锅炉热水系统全年能源费用为57万元，年节省179万元。国际酒店原锅炉热水系统耗重油454.7吨，相当于 701.5吨标准煤。热水系统改造后为全年用电645,578度电，相当于79.3吨标准煤(按照国家现在每度电360g的标准来计算)。即国际酒店热水系统改造完成后相当于每年节省了622.2吨标准煤。
案例二：
浙江工业大学(泳池及淋浴)原加热系统为柴油热水锅炉。
本案泳池设施为28℃温水泳池，设计数据如下：
28℃泳池：面积50m*25m=1,250m2，平均水深1.6M，容积2,000m3，假设冬天进水初温*6℃，加温过程产生20%热损失，加温需热52,800,000kcal(61,395kw)。
2,000,000kg×1kcal/kg.℃×(28℃—6℃)×1.2=52,800,000kcal
淋浴热值：
淋浴间：夏季、冬季各为1,000人/天，(提供淋浴用热水每人每次30升/人，热水温度为55℃，自来水温度为15~20℃)
夏月：1,000人/天×30升/人(55℃-20℃)=1,050,000Kcal/天
冬月：500人/天×30升/人(55℃-15℃)=600,000Kcal/天
设计方法
采空气源型式之热泵机与空调系统作整合，除供应热能外更提供部分冷能，分担部分冰水机负荷。
淋浴设施：设置总容积20,000升储槽(图9)，搭配SAHP-2400热泵机(制热能力111KW/hr,图10)一台。热泵主机运转同时，满载可提供79RT冷气。因现有柴油锅炉未达报废年限，可做为缩短泳池建温时间或用于冬季气温较低、主机维修时之备分系统。设置缓冲储热水槽，避免主机因负载变动造成机组起停频繁缩短设备使用年限。
图9、水箱外观
图10、热泵主机外观
图11、系统示意图
依热值推算热泵主机运转费用及产制的热能，并与等热值柴油费用比较，热泵每年泳池加热使用于共183天。热泵主机年运转费用约为 305,954元/年，热泵主机制冷节约费用126,599元/年(可利用);柴油费用605,574元/年，相较于柴油运转费用差额300,220元 /年。
热泵每年淋浴365天。热泵主机年运转费用约为91,557元/年，热泵主机制冷节约费用37,885元/年(可利用);柴 油费用181,219元/年，相较于柴油运转费用差额89,662元/年。
五、结论
热泵系统可为低温热水应用工程节约大量能源费用，但较传统制热方式有更多设计上的注意事项，如气源式热泵机之效能与随气温而变动，故在规划期间需寻找适当的机组设置地点，将气候对系统效率的影响降到最低，而水源热泵在规划时则需寻求稳定的热源，若欲与空调系统整合，则基本的空调运载状况需经调查或量测，才能确保热泵系统的运转稳定无虞，同时发挥热泵机制冷及制热的双重功效。
本文期望能以专业系统设计提升能源用户在热泵系统实务应用上的认识。
