高效锅炉的效率充其量只有90%左右,而热泵的平均能效比可以达到300%,有时甚至超过500%。 因为锅炉属于能量转换设备,而热泵机组属于能量传递设备,虽然它们必须遵守能量守恒定律,但热泵是利用少量的电能来驱动比自己低温热源多几倍的热量来传递到高温, 有了能量杠杆,可以做得很小,所以效率会非常高,能量转换设备的效率极限是100%,实际上锅炉设备中会有热量损失,能量转换效率能达到90%左右是非常理想的。
从效率的角度来看,热泵比锅炉供暖节能得多,这是不争的事实,但从经济角度来看,可以发现热泵比锅炉更节能。 因为,每立方米天然气的热值为8000 10000 kcal=9300 11626w,锅炉效率按90%计算,那么一立方米天然气可以提供加热热量=11626 09=10463W,北方全冬季产10463W热量的热泵平均能效比按3倍计算,要求用电量=10463 3488W,南方全冬季平均能效比为35 次来计算,那么功耗 = 10463 35=2989.4w、电价和天然气**如果按照民用单价计算,北方用电量为3488w=35 kWh,其电费 = 35×0.6=2.1元,而南方消耗2989 3 kWh=18 美元。 与现在的 3 相比每立方米天然气单价6元,北方的热泵采暖成本比锅炉采暖成本低42%以上,南方的热泵采暖成本是锅炉采暖成本的一半。 这仍然是根据天然气的最大燃烧值和锅炉的较高效率来计算的,而热泵是根据较低的能效比来计算的。
未来天然气涨价是大概率事件,随着光伏、风力发电效率的显著提升,未来电价不涨反降也是可以预见的。 从目前的天然气每立方米3按单价6元计算,锅炉的采暖成本约为当前热泵耗电量的1倍7 2倍,设备维护成本差不多,热泵的使用寿命会大于锅炉的使用寿命,而且热泵在夏季也可用于制冷和空调,可以最大限度地共享空调设备资源。 从环境意义来看,热泵不产生二氧化碳和氮氧化物,对碳达峰、碳中和极为有利,将为环境保护做出巨大贡献。
然而,为什么90%以上的用户仍然使用锅炉取暖呢?这是由于多种原因造成的。 首先,目前热泵应对极寒天气的采暖温度难以满足用户舒适满意度的要求,尤其是在环境湿度较大时,空气能热泵容易陷入“除霜陷阱”运行,导致用户的采暖体验极为不愉快, 也就是说,除霜时间达到热泵机组制热时间的10%以上,机组在除霜疏水阀中运行,甚至除霜时间也会占到制热时间的30%以上,并不断向房间索取热量进行除霜,导致室温不断降低, 室温越低,室外蒸发器越容易结霜,形成热泵机组的恶性循环。
另一方面,空气能热泵无法实现大规模供暖,通常只适合家庭使用,即使是家用空调热泵机组,其效率也不是很高,无法取得较强的比较优势,而且离压缩机的末端也不会有影响不大的尴尬。 因此,风冷热泵(包括多机组和模块化机组)在长距离输送热量或冷却方面效率非常低。 水源热泵和地源热泵虽然不存在除霜问题,效率相对来说更高,但是会受到地理条件的限制,投资成本昂贵,维护也非常困难,使用寿命一般只有十年左右。
因此,一些科技工作者发明并创造了热源塔热泵,热源塔热泵可以实现大规模的加热和冷却,也可以利用水介质通过循环泵实现远距离的加热和冷却,其效率高于空气能热泵, 这主要是因为制冷剂循环里程比风冷热泵制冷剂的循环里程缩短了一半以上,其相应的循环阻力也降低了很多。虽然增加了循环泵的功率,增加了热交换环节引起的温差,但压缩机功率减少了一半,压缩机功率将占整个热泵机组功率的85%左右,这当然会节省大量的能源。 此外,水或防冻液的传热系数是空气的24倍以上,水的导热系数为06 W (m·k),而空气的导热系数仅为 0025 w/(m·k)。导热系数越大,物质的传热能力越大。 与制冷剂进行热交换所需的换热面积越小,就不会像风冷热泵那样,制冷剂直接与空气进行热交换,双方的换热能力不平衡,也容易导致更多的电能消耗。
但是,开放式热源塔式热泵存在很多问题,主要是因为防冻液的冰点温度向上移动,导致冻结管,需要不时添加防冻液,对周围的水土环境造成污染,增加运行成本。 如果不解决除霜问题,必然会造成除霜耗电量增加,给用户带来不愉快的取暖体验的双重麻烦。 只有利用增益除霜技术来解决问题,不仅能将霜冻的负资产变成正资产,而且能大大提高用户体验舒适度,再利用互助双循环热泵来应对极寒天气,才能真正迎来热泵采暖完全取代燃气锅炉采暖的时代。