空气热能热泵式蒸汽锅炉技术简介

空调技术问世已经100多年，空调已逐渐成为日常生活的必需品，空调制冷的同时必然产生大量的热，如果这部分热能可以被有效地利用，提供日常生活热水，不仅可节约大量的燃料，而且可以减少废热污染，缓解城市的热岛效应。但经过无数专业人员，几十年的努力，这个问题一直没有很好地解决。主要的难点在于热泵制冷同时要想提高制热的品质，必须提高冷凝温度，这就必然增加电耗，同时伴随着制冷量下降，“能效比”会大大降低，这是热力学基本规律决定，与采用哪种机型或工质无关。这就自然形成了一种思维定势，即热泵应用一定要追求较高的蒸发温度和较低的冷凝温度，学术界始终把热泵高温应用视为禁区。另外受常规制冷剂性能和工作压力的限制，即使降低“能效比”，也很难获得高于50℃的热水，热泵高温应用的尝试大都沿用研究特殊工质的技术路线，这方面的研究一直没有取得实质性的进展，空调行业的技术、工艺、产品基本上几经完全同质化。

众所周知，水往低处流。而欲将水提升或传输时，则须依靠某种动力驱动的水泵。同样道理，热可以自发地从高温物体传向低温物体，而欲从低温物体传向高温物体，也必须依靠使用某种动力驱动的装置—热泵。这也就是热力学第二定律所阐述的：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。当热泵在将热由低温物体传至高温物体的过程中，在低温物体一端，由于热的失去而产生制冷效应，在高温物体一端，则由于热的获得而产生制热效应。因此，热泵工作的过程中，制冷与制热两种效应是同时并存的。概括地说，就是一个过程，两种效应。但在实际应用中，或用其制冷，或用其制热，或用其轮换制冷制热，或用其同时制冷及制热。同时制冷及制热除外，热泵单独用作制冷或制热时，其相对的另一种效应是不加以利用的。

长期以来，热泵的制冷功能在空调等领域应用相当广泛，而其制热功能的应用则相对推迟和少了许多。原因并不复杂，天然冷源的作用十分有限，正是为了追求人工冷源，人们开发和逐渐完善了制冷机—应用其制冷功能的热泵。而热却可以通过柴草煤炭以及油气等的燃烧很容易地获得。不必要花费过多的金钱去购置热泵这种精密的设备，和交付昂贵的电费。上世纪七十年代能源危机之后，人们开始对可以利用低品位热能的热泵重视起来。国内从九十年代开始。第一、热泵制造技术的引进，使其性能提高，售价降低；第二、环保意识日渐提高；第三、电力供应状况的改善，用电政策发生转变等原因，热泵的制热功能引起人们的关注。制冷与制热双功能的大气源热泵应用渐多，地下水水源热泵也开始在建筑空调甚至采暖系统中使用。正所谓存在决定意识，由于长期以来在空调领域内，热泵主要用于制冷，理论著述也多以制冷为主线，一般只在末尾单列热泵章节，简略表述其制热功能。论著也多以空调制冷或空调冷源为名。而在以热泵为名的专著中，则以其制热功能为主要内容。对于热泵，实际上存在狭义和广义两种理解。按照狭义理解，只有以制热或制热兼制冷为目的时，才称其为热泵。并且定义，以空气或水为低温热源的热泵称为空气源热泵和水源热泵。装有四通换向阀、制冷制热双功能者，也被称为“热泵式”或“带热泵的”等等。而广义的理解，热泵的功能即包括制冷，也包括制热，或制冷兼制热。制冷机实际上是用作制冷的热泵。也可以说，制冷机即热泵，或确切地说，制冷机是热泵的一种类型。因此，在空调领域认识这一概念应该统一为热能空调，而非空调制冷与热泵分立。

热泵的理论循环

正卡诺循环，也称动力循环，是把热能转换成机械能的循环。逆卡诺循环，称为热泵循环，即消耗一定的能量，使热由低温热源流向高温热源的循环。逆卡诺循环是以热力学第一、二定律为基础的理想循环。理想循环在于说明原理，实际上不可能实现，也不可能获得热泵循环的状态参数。蒸汽压缩式热泵，是利用工质的压缩、冷凝、节流和蒸发的循环，来实现热从低温物体向高温物体的传输的。在对其进行分析计算时，最具指导意义的是压焓（p-h）图所表示的蒸汽压缩式热泵的理想循环（图1）。

图1中Pc为工质的冷凝压力，Pe为工质的蒸发压力。1-2为压缩机内的等熵压缩过程；2-2’及2’- 3为等压冷却及冷凝过程；3-4为绝热节流过程；4-1为等压蒸发过程。当热泵循环的各状态参数确定后，便可在p-h图上确定各状态点及循环过程，并可进行理论循环的热力计算。

①单位质量工质的制冷量（或吸热量）

qe = h1 – h4 kj/kg (1)

②图片

单位质量工质的压缩功

w= h2 – h1　　kj/kg (2)

③单位质量工质的放热量（或制热量）

qc = h2 – h3

=（h1 – h4）+（ h2 – h1 ）

= qe +w 　kj/kg (3)

④热泵循环的理论制冷系数

制冷工况时单位制冷量与单位压缩功之比，用COPe‘表示，即

　COPe‘＝图片＝图片　 (4)

由式（４）与图1可见，热泵在制冷时，当制冷工况确定，冷凝温度（及相对应的冷凝压力）越高，则单位压缩功越大，热泵的制冷系数越小，反之,冷凝温度（及相对应的冷凝压力）越低，则单位压缩功越小，热泵的制冷系数越大。

⑤热泵循环的理论制热系数；

制热工况时单位制热量与单位压缩功之比，用COPc’表示，即

COPc’==图片 (5)

或COPc’=图片= COPe’+1 (6)

由式（5）与图1可见，热泵在制热时，当制热工况确定，蒸发温度（及相对应的蒸发压力）越低，则单位压缩功越大，热泵的制热系数越小。反之，蒸发温度（及相对应的蒸发压力）越高，则单位压缩功越小，热泵的制热系数越大。另由式（6）可见，热泵在制热工况时，其制热系数是永远大于1的。这是因为，热泵制热的实质是基于热的传输。而燃料燃烧或光、电转化成热，其效率则不可能超过1。

经过多年的研究与实践，发明的空气热能制热技术，基本原理也是经典热力学中逆卡诺循环理论，但提出了是崭新的技术路线、创造性地解决了这一难题。意大利KAYCUND利用特殊的冷凝换热机理，在不改变工质，不降低“能效比”，不损害压缩机的前提下，将单极热泵的出水温度提高到100℃以上。与传统的低温型热泵比较，产生热能的数量虽然没有增加，但能量价值得到了提升，为热泵技术在制热领域的应用开辟了广阔的前景，超效热能机组的技术是制热领域的重大突破。赛瑞KAYCUND公司在此基础上研发生产的大型超效热能机组具有以上的核心技术，在保证原有能效比和正常供冷的情况下应用高端冷凝技术，实现了卫生热水、开水、蒸汽的免费供应，具有显著的经济效益和社会效益，减少了城市的热岛效应，为开发空气热能节约能源开辟了新的广阔的领域。

空气热能热泵式蒸汽锅炉系列产品利用取之不绝、用之不尽的空气能源取代不可再生能源（燃油、煤、燃气、），在没有任何污染的情况下制取120℃以下的水。将夏季供冷、冬季供热、全年供生活热水、可饮用开水、蒸汽等功能集于一体，采用先进的系统设计理念和专利技术，在世界上第一次真正实现了在大中型中央空调系统中，在维持低冷凝压力水平从而维持冷、热两端高效运行的前提下，进行回收全部冷凝热以制取高温生活热水、开水、蒸汽的目的，完美地实现了节能环保的时代要求，具有开拓性意义的新一代空气热能热泵式蒸汽锅炉---是新能源的重大发现。

本技术指标都优于现有热泵机组，具有不烧锅炉、无污染、运行费用低的优点，并且能实现全年都利用收吸空气中的热量提供热水。使主机效率比传统泵机更高，并能实现冬、夏工作特点。经过实践证明本技术可以实现节能、有利于环保，有利于改善城市的“热岛效应”。

（一）空气热能热泵式蒸汽锅炉的概念

空气热能热泵式蒸汽锅炉是一种利用空气热能，也称空气能。既可供热又可制冷的高效节能空调锅炉系统。通过输入少量的高品位能源（电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把空气能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到中去水。机组的能量流动是利用其所消耗的能量（电能）将吸取的全部热能（即电能加吸收的热能）一起排输至高温热源。而其所耗能量的作用是使制冷剂氟里昂压缩至高温高压状态，从而达到吸收低温热源中热能的作用。请参见图4-4所示：

图4-4：空气热能热泵式蒸汽锅炉能量流程图

通常热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或3kW以上冷量，所以我们将其称为节能型空调锅炉系统。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%－98%的电能或70-90%的燃料内能为热量，供用户使用，因此机组要比电锅炉加热节省四分之三以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于空气热能热泵式蒸汽锅炉的热源温度一般为-7~55℃，其制冷、制热系数可达3.0-6.4，与传统的热泵相比，要高出30%左右 。因此，近年来，空气热能热泵式蒸汽锅炉系统在北美如美国、加拿大及法国、瑞士、瑞典等国家还未得到发展，中国的空气热能热泵式蒸汽锅炉市场属起步接断，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调锅炉技术。

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（二）空气热能热泵式蒸汽锅炉的特征

本技术空气热能热泵式蒸汽锅炉，属于新型热能行业。它是一种利用空气热资源来实现制冷制热的高效节能系统。机组消耗1KW的能量，用户可以得到相当于4KW以上的热量或冷量，其运行费用比传统产品低60％以上、寿命达10年以上，而且具有节省投资、独立计费、自动控制、维护费用较低等特点。采用空气热能热泵式蒸汽锅炉技术为建筑物供热或制冷可大大降低燃料消耗，不仅节能，还可减少燃烧矿物燃料而引起的二氧化碳和其它污染物的排放。

空气热能热泵式蒸汽锅炉具有以下特征：

1、属于可再生能源利用技术。地球地表层空气好像一个巨大的太阳能集热器，收集了80%的太阳能，比人类每年利用能量的700倍还多。这种近乎无限、不受地域、资源限制的低焓热能，是人类可以利用的清洁可再生能源。因此说是可再生能源利用技术。

2、环境效益显著。既不破坏地球资源，又无任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。无污染物排放，是真正的环保型系统。

3、空气热能热泵式蒸汽锅炉属经济高效的冷（热）源，其利用的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热源和冷源，这种稳定温度使得COP值比较高，夏季约为5.6（传统冷源2.9），冬季3.1（传统热泵<1.5< span="">），节能以及节约运行费用达50％，另外由于技术稳定，这就使机组运行更可靠，保证了系统的稳定性、高效性、经济性。

4、空气热能热泵式蒸汽锅炉可以一机多用。可以用于供暖、空调、生活热水、蒸汽。一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，其适合于宾馆、商场、办公楼、学校、住宅、工矿企业、游泳池、别墅住宅的采暖、空调及高温热水。提高了空调使用的灵活性和舒适性，是一种极具发展潜力的冷(热)源设备。

（三）空气热能热泵式蒸汽锅炉的工作原理

空气热能热泵式蒸汽锅炉是利用空气进行冷热交换来作为空气热能热泵式蒸汽锅炉的冷热源，冬季把空气能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时空气能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到水中，此时空气能为“冷源”。

图4-5：空气热能设备系统工作示意图

制热冷系统各部分制剂状态分析：

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图4-5

空气热能热泵式蒸汽锅炉系统同传统锅炉相比，有许多优点：

（1）全年制热水温度高。制热可节能和节省费用50%左右。节省了大量的不可再生能源（燃油、燃气、电能）。

（2）有较好的蓄能作用。

（3）没有任何污染。且能缓解城市“热岛效应”。

（4）增加了制冷的功能，因此得名：“空调锅炉”。

（四）空气热能热泵式蒸汽锅炉系统应用

1、空气热能热泵式蒸汽锅炉系统

直接利用空气热能：其最大优点是非常经济，占地面积小，只要注意必须符合下列条件：；-7℃-55℃空气温度。

空气热能热泵式蒸汽锅炉机组通过换热器与空气进行热交换—吸热(采暖) 和排热(制冷) ,经过热交换的空气中。即热空气和冷空气提供冷(热) 源,末端选用风机盘管系统。夏季可供冷(7 ℃－12 ℃冷水) 及供热(45 ℃－120 ℃热水)，其它季节可将冷风排在大气中，供热（45 ℃－120 ℃热水）。

结论：通过以上类型对比分析，空气热能热泵式蒸汽锅炉是适合地球-7-55℃度的地理环境。

5、空气热能热泵式蒸汽锅炉系统与传统的燃油锅炉比较

与传统的燃油锅炉相比，本专利采用节能型设计，在节能方面更优于传统的燃油锅炉系统。本专利制冷、制热系数可达3.1-5.6 ,与传统的燃油锅炉相比,要高出50 %以上,其运行费用为普通燃油锅炉50 %以下。

空气热能热泵式蒸汽锅炉可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物有着明显的优点,不仅节省了大量能源,而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求,减少了设备的初投资。

传统锅炉使用煤作为燃料，燃煤锅炉对环境的污染严重,而燃油及电锅炉采暖造价及运行费用皆较高,让人难以承受,也不符合国家长期发展的“节能减排”能源政策,而空气热能热泵式蒸汽锅炉技术是国家重点推广的项目。因此,空气热能热泵式蒸汽锅炉市场巨大。

（五）我空气热能热泵式蒸汽锅炉应用现状

在我国，空气热能热泵式蒸汽锅炉的研究起始于2006年，最近该项技术成了国内建筑节能及暖通空调界热门的研究课题，并开始应用于工程实践。在我国的空调市场上没有国内外企业加入空气热能热泵式蒸汽锅炉产品的生产销售竞争之中。

我国以空气来源的热泵应用最多， 1996年至今，在北京、山东、河南、辽宁、河北、江苏、浙江、湖北、上海、西藏等地都有空气热泵工程建成，但空气热能热泵式蒸汽锅炉相对于普通热泵来说，其应用范围广泛得多。

经过多年发展与培育，目前我国已经形成了一批可以提供成熟热泵技术、产品和服务的厂家，还有一批从事热泵技术推广的相关单位。但是现有的空气热能热泵式蒸汽锅炉专利产品将会凭借其高效节能并取得高温水的优势得到消费者的认可，从而迅速的占领市场，产生巨大的经济效益。

（六）国内外空气热能热泵式蒸汽锅炉的发展前景及其趋势

在中国传统的空调系统概念中,在过去相当长的时期,南方以水冷机组解决夏季制冷问题,中、北方以燃煤锅炉解决冬季取暖问题。20 世纪80 年代以后,出现了溴化锂机组、风冷机组,90年代以后,从原有的煤、石油取暖过渡到以天然气及电等清洁能源。但是,替代能源虽然可以部分解决大气污染的问题,可是天然气和石油等都属于不可再生的能源,且采暖造价及运行费用皆较高,因此必须寻找可以再生的能源,从而提出了空气热能新技术。

随着城市化进程的加快和人民生活水平的提高，近几年来城市建筑面积急剧增加。目前，我国现有建筑的总面积约400亿平方米，预计到2020年还将新增建筑面积约300亿平方米，大约每年以18亿—20亿平方米的数量增加。

建筑面积的剧增预示着建筑对供热与制冷能源的需求存在巨大的增长空间。如果按照人均概念来讲，目前我国的需求水平还处在一个比较低的位置。未来，我国建筑能源的需求将增加4倍左右，建筑用能的比重在整体能源需求中将从目前的17％增加到26％。

另外，能源环境的日趋紧缺已引起人们的重视，目前中国还是以煤为主要燃料，城市能源结构不合理，天然气等优质能源和太阳能、地热、风能等清洁可再生能源在建筑中利用率还很低。中国现有建筑中95％达不到节能标准，新增建筑中节能不达标的仍超过80%，单位建筑面积能耗是发达国家的2至3倍，对社会造成了沉重的能源负担和严重的环境污染，已成为制约中国环境可持续发展的突出问题。

伴随《可再生能源法》的实施，建筑节能成为整个社会关注的热点。面对我国日趋紧张的能源市场，商家和政府都在积极寻找一种高效节能的制冷供热方式，越来越多的房地产开发商在国家政策引导与自身观念更新的情况下，或多或少地在所开发的项目中使用了节能技术。这无异为空气热能热泵式蒸汽锅炉提供了广阔的发展空间。采用该技术为建筑物供热或制冷可大大降低燃料消耗，不仅节能，还可减少燃烧矿物燃料而引起的二氧化碳和其它污染物的排放。这些特点成为地源热泵取代传统建筑能源的优势。同时，最新实施的《公共建筑节能设计标准》，要求提高建筑隔热保温性能，降低建筑制冷采暖能耗，达到大幅度地降低建筑物制冷采暖的年运行费用，这正好增加了空气热能热泵式蒸汽锅炉与集中供热采暖方式的市场竞争能力。

我国热泵技术的发展必须依附于整个社会体系，影响其发展的因素除去自身的技术性以外，与我国的政策、社会观念、社会整体的经济消费水平紧紧相连。随着能源日趋紧张，空气热能热泵式蒸汽锅炉的大规模应用已经初具条件，但是让空气热能热泵式蒸汽锅炉真正深入到千家万户，还需要政府的扶持、开发商的接纳及老百姓的认知。

中国最早在20 世纪50 年代,就尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷,天津大学热能研究所开展了我国热泵的最早研究,1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。美国能源部和中国科技部于1997 年11 月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书,其中主要内容之一是“热泵”,推广运用这种绿色技术,缓解中国对煤炭和石油的依赖程度,从而达到能源资源多元化的目的。

在未来的几年中,中国面临着巨大的能源压力。一方面,中国的经济要保持较高速度的增长,另一方面,又必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高能源利用效率和进行能源结构调整。为了适应市场要求和参加国际竞争,必须加快中国品牌的热泵的产业化研究开发。

通过上述综合分析，我国空气热能热泵式蒸汽锅炉行业发展将呈现如下新趋势：

1、需求将进一步发展、扩大；

2、新城镇大中型建筑将成为进一步竞争的重点市场；

3、更加注重环保；

4、应用新资源、新技术和高效、节能型成为主流；

5、功能更加多样化，样式影响需求不大；

6、总体价格将下降；

7、个性化需求与服务，亲情化售后服务将成为新的需求；