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空氣能熱水工程為何不節能
時間：2016-10-17
空氣能熱泵熱水器是開拓利用新能源的設備，是繼鍋爐、燃氣熱水器、電熱水器和太陽能熱水器之后的新一代熱水制取裝置。在能源供應日益緊張的今天，空氣能熱泵熱水器憑借其安全、節能、環保、全天候等優點在市場上得以推廣，不斷地被消費者接受。
筆者從2009年底，在廣西桂林市開始接觸并進入空氣能行業，我先從家用機銷售、安全開始做起，后逐漸進入商用空氣能中央熱水。在幾年的不斷探索、學習和實踐中，深深體會到空氣能“三分產品，七分安裝”的道理，在實際應用中，我發現：商用機組如果匹比不恰當，安裝不合理，細節不注意，將會使空氣能使用性能降低，壽命減少，其節能效果大打折扣，從而影響空氣能在消費者心目中形象，影響空氣能市場的健康發展。
首先，我們來看幾則實例：實例一：2010年的春天，我在門店接待一名中年老板。他告訴我，他正在桂林靈川縣投資一個賓館，約20個房間，賓館正在裝修中，可他正在為賓館用熱水設備而苦惱！作為一名熱泵從業者，我理所當然地建議他用商用空氣能熱泵，并且還告訴他空氣能如何節能、如何安全等好處。聽我說完，他沉思了一下，很誠懇地跟我說：“我知道空氣能，請你告訴我，空氣能真的節能，真的好用嗎？”我心存不解，連忙問他，為什么會對空氣能有如此疑慮。原來，這位老板有一個朋友，也是做酒店行業的，前年時他朋友在桂林陽朔縣某賓館裝了一套空氣能熱泵，才用了一年多，朋友告訴他，空氣能根本不節能。
實例二：一個專業從事鍋爐安裝的老板跟我講述一件事，他有個客戶，姓莫，前幾年時，莫老板在桂林某縣開了家賓館，為了制取熱水，裝了一套燃煤鍋爐，因安裝不合理，使用后不理想。這時，有人跟莫老板介紹空氣能，說是第四代節能產品，是如何如何好。莫老板心動了，于是折掉鍋爐，裝了一套5噸熱水的空氣能熱泵，才用了半年，莫老板發現空氣能并不節能，而且偶爾還出故障。無奈之下，他只好請位鍋爐老板再重裝一套燃煤鍋爐，用過后，莫老板感覺很滿意。空氣能停止使用，現正在處理之中。
實例三：桂林市銀錠路有一家十多間房的小賓館，2008年底，賓館老板裝了一套1噸水的空氣能熱泵，用了不到二年，就停用了，賓館全部采用儲熱式電熱水器。現在，賓館老板正在四處打聽，看有沒有人回收他這套設備，我去了解了一下，老板告訴我：“空氣能并沒有壞，但用時耗電大，熱水量也不夠用，不得已才全部換成電熱水器的。這套設備放在那里，沒什么用，還占地方，所以準備賣掉”。
實例四：桂林靈川縣某工廠，2009年裝了一臺1.5噸水的空氣能熱水器，供廠里工人洗澡用，2010年，筆者去聯系業務時，看到空氣能沒有啟動，廠長告訴我：“這套設備才用一年多，就壞掉了，從使用情況看，的確24小時有熱水，但耗電蠻厲害，現在想維修一下，卻找不到廠家售后，所以只好閑置在那里”。后來，請我們售后師傅去檢查了一下，說是那套空氣能熱泵壓縮機壞了，維修的價值不大。
作為一個從事空氣能行業的人，聽到人們對空氣能這樣的評價，心里不是磁味。按空氣能的結構原理和相關資料來看，它應該是一種好的節能產品，但為何在安裝后、使用后就出現了耗電大或不好用的說法呢？
面對這樣問題，我禁不住思考。經過幾個月來的調查和總結，筆者得出如下四個結論。下面，談談我個人看法。
原因一：主機與保溫水箱配比不當。
這恐怕是引起空氣能耗電量大的最主要原因。通常主機與水箱不匹配，主機小，水箱大，也就是人們常說的小馬拉大車。下面，我們以某品牌的循環式3匹、5匹機（直熱式與此差別不大），其輸入功率分別為2.6kw、4.5kw為例，根據桂林氣候狀況，來計算一下，看看它他到底該配比多大水箱。
我們先來看生產廠家在進行測試或公布空氣能數據時的工況。我們稱之為工況條件一，即室外環境溫度為20℃，進水溫度為15℃，出水溫度為55℃時。把1噸（即1000kg）15℃的冷水加熱至55℃的熱水，水溫升高40℃，需要熱量為：
Q=CmΔT=1Kcal/kg·℃X1X1000KGx40℃÷860=47KW(式中：Q是總功率，C是水的比熱，ΔT是指溫差，860是cal轉化為kw系數，以下同)。
則：2噸水所需功率為：47X2=94KW，3噸水需141KW，4噸水需188KW，5噸水需235KW。空氣能3匹機的制熱量為9.5KW，5匹機的為16.5KW（各廠家稍有不同）此時機組COP為3.7。此時，其配置水箱大小和工作時間關系如下表（表一）：
從表中可以看出，桂林最低氣溫也曾出現過-3-0℃左右的天氣（表中紅色數字顯示）。近幾年，也有常有低溫出現，例如：2010年桂林最低氣溫為-1℃，2011年最低氣溫為3℃，2012年最低氣溫為0℃。這里暫不考慮到桂林北部的資源，全州、灌陽等縣，因地理位置相對偏北，冬天時，其極端氣溫較桂林還要低。
據此，我們把室外環境溫度為5攝氏度，進水溫度為8攝氏度定為工況條件二。此時，把1噸10℃的冷水加熱至55的熱水，水溫升高47℃，需要熱量為：Q=CmΔT=1Kcal/kg·℃X1X1000KGx47℃÷860=55KW。則：2噸水所需功率為：55X2=110KW，3噸水需165KW，4噸水需220KW，5噸水需275KW。
環境溫度與空氣能熱泵機組的COP的關系，以江蘇工業學院機械與能源工程學院《空氣源熱泵熱水器實驗研究》一文的結論為依據（參見圖一）。其結論為：“環境溫度與機組的COP值成正比，環境溫度降低10℃，空氣能熱泵機組的COP降幅在0.5左右”，來計算此時機組制熱能力。（實驗結論第②條中：“水溫與機組的COP基本成反比······”，這里“水溫”是指空氣能出水溫度，不是進水溫度。本文暫時不討論空氣能熱泵機組進、出水溫度對其COP的影響）。
室外環境溫度溫差為：20℃-5℃=15℃COP下降值為15X0.05=0.75。(溫度每下降1℃，COP下降0.05)空氣能在工況二時COP值為3.7-0.75=2.953匹機制熱量為：2.95X2.6(輸入功率)=7.7KW，5匹機為：13KW。此時，其配置水箱大小和工作時間關系如下表（表三）：
我們知道，工程機組的最佳工作時間為8-10個小時，當氣溫較低時，工作時間可適當延長。從表三的計算結果來看，若3匹配3噸熱水以上，5匹機配5噸以上，機組會長達20多小時的工作（表中紅色數字顯示），這明顯是不合理的。
如果是這樣配比，也就意味著，機組全年有三分之二是在超時工作。機組長時間工作，對機組壽命有很大影響，時間越長，工況越差，新裝機時，或許還能堅持一段時間，但長些以往，不是機組容易出故障，就是能耗大幅增加。這正如一輛載重汽車，每天超負荷工作，在路狀好時，或許還能正常行駛；遇到路狀不良時，不是效能降低，油耗增大，就是不堪重負，故障頻出，再或是干脆罷工。
我們要知道，以上數據，只是理論上計算出來的，如果考慮到冬天主機化霜不制熱占用的時間，循環管道、回水管道，保溫水箱的正常散熱，那么，機組工作的時間還要延長。
由此分析，可以看出：在桂林地區，3匹機應該配2噸保溫水箱（工況1時工作10小時，工況2時近15小時），5匹機組應該配3噸水箱（工況1時工作8.5小時，工況2工作近13小時）。即：主機和水箱按1.5:1配比最適宜。據此推算，6P機應該配4噸，10P機應該配6噸水箱。
在這種合理的配比下，如遇到天氣更惡劣，只要主機能啟動工作（桂林家用機分體式空氣能熱水器，都沒有裝電輔助，冬天能啟動），適當再延長工作時間，機組也能承受，能保證制取熱水。如無特殊需要，完全可以不配電輔助加熱，以達到空氣能節能的最佳效果。即使是配電輔助，也就是在最冷的時段用一下而已。這樣合理配比，既延長了主機的使用壽命又真正達到了熱泵機組節能、環保、安全的性能。
我們再來看看實際情況。在桂林某公司的網站上（見圖二），1臺3P機配3噸熱水，1臺5P機配4噸熱水，2臺5P機配8噸熱水，3臺15P機配55噸熱水，比比皆是。在本文實例一中，我也親眼看到陽朔縣那套工程：用的5匹某知名品牌的主機，配有6噸保溫水箱。在本文實例二中，據鍋爐老板說，用的是3匹機配的3噸水。
在主機配小的情況下，熱水產量若不夠，只有一個辦法，就是加裝電輔助。動輒10-20KW的電加熱，只要是達不到設定溫度就自動啟動車個小時耗電近10-20度，的確很驚人。電輔助原來是為輔助熱泵而設置的，在冬天時，則變成電加熱為主，空氣能加熱為輔的情況。這樣的配比，對于用戶而言，前期投資雖然節省了，但后期使用費用高，可謂是得不償失。
原因二：工程節能措施不到位。
工程節能措施不好，容易被人們忽視，其實，其損失的熱量是很大的。其主要有以下三個方面：
1、工程循環管道保溫不好。主要體現在：管路設計安裝不合理；工程循環管道保溫措施不到位。在桂林，筆才看過不少空氣能工程，有些工程的主機與水箱之間的循環管道、回水管道，設計，安裝過于復雜，七拐八彎，連接太多，不美觀且不說，既增加了管路阻力，無形中又增強了管道散熱。（筆者建議，在連接循環管道時，如果一定要拐彎，盡是少用90度彎頭，多用45度彎頭）。
在管道保溫方面，有少部分工程循環管道，根本沒有保溫，熱水管道完全裸露在外面。還有一部分做了保溫，但很簡陋，也就是把黑色的橡塑保溫棉套在管道就算完事（見圖三）。我們知道，保溫棉有吸水性的，如果下雨了，保溫棉會吸水，熱水被冷水管包圍著，根本起不到保溫的作用。而且，這樣的保溫措施，使用不到一年，保溫棉經過日曬雨淋，基本全部粉化或腐爛，到那時，就相當于沒有任何保溫措施了。
2、回水管道布置不當或回水頻敏使用。在熱水工程中，做回不的目的是保證熱水管道始終有熱水，做到“一開即有熱水”，達到用水舒服的效果。這種做法，在大賓館常用，這也是大賓館提高服務質量和檔次的一個標準。但是這是要消耗一些能量的，主要是回水管道的散熱和回水設備耗電。依筆者看：對于小噸位的工程，基本可以不做回水。當然這也不能一概而論。如果管道布置好，用一下也無可厚非。但如果管道布置不合適，損失能量也是很大的。
筆者就碰到這樣一個例子：2011年12月（環境溫度12℃左右），我們在陽朔縣某鄉鎮剛建好的一家賓館裝了一套2噸的熱水工程。安裝機組前，賓館已經把冷、熱水、回水管道安裝到指定的位置。安裝完畢，開機制熱水，我們告訴老板，等熱水到設定溫度后，再打開回水控制裝置。
第二天，老板打來電話，說回水已經打開，但沒有用水，機組啟動囝幾次，耗電量有差不多40度了。我們立即趕過去了，一檢查，原來是回水管道在做怪。
這個賓館共有四層，每層樓房間布局呈“L”形，裝修時，水電工從房頂起，熱水主管用兩路PPR管，分別直達最底層，再返兩路水管做回水用，第1路和第2路水管首尾相聯接。也就是說，熱水管和回不管，從房頂由下到上二進二出，類似“M”形，用的管徑為40的PPR管，沒有任何保溫措施。按長度計算，整條管道約有50米，40管直徑為3.45厘米左右，根據圓柱體體積公式，計算得出管道容量為0.047立方米，也就是說，回水主水管道每次回水量有近47升。
55℃的熱水，如果回水溫度到25℃，溫降30℃。回水一次損失能量為：Q=CmΔT=1Kcal/kg·℃X1X47kwx30℃÷860=1.6KW。1小時回2次水，耗能3.2kw，空氣能熱泵工作0.42小時，耗電為1.1度。如果是10小時開回水，就是耗電11度，如果24小時開，就是26.4度，可見耗電量是很大的，這里面，還不算水泵和回水電磁閥的耗電量。
正因為如此，賓館雖然沒有用水，水箱溫度也在不斷降低，所以主機才啟動制熱。這個賓館，經過我們建議，加上時控開關，改為早上和晚上定時回水，效果好多了。
其實，回水管布法、用法正確與否，是影響空氣能節能的關鍵環節之一。回水管布置正確與否，本身與空氣能熱泵機組的制熱能力，能效比無關。但因此而造成的能耗增加，做為客戶，最直接地認為：是空氣能不節能。因為安裝儲熱式電熱水器或燃氣熱水器，是不需要回水的。
3、水箱保溫效果不佳。保溫水箱是熱水系統中節能與否的重要環節，但其作用還沒有引起足夠的重視，殊不知：其節能作用是驚人的！好不容易制取的熱水，如果保溫不好，就白白損失了。保溫水箱就好比家用的保溫瓶，燒開的熱水存放在保溫瓶中，保溫效果好與差，就看保溫瓶的質量了。同樣道理，保溫水箱的做工好壞直接影響到水箱能否很好地保溫。
空氣能熱水工程商都是自己為機組配置水箱。通常，保溫水箱都是在專業的水箱廠訂做，水箱內桶用SUS304#，外桶用SUS202#不銹鋼材料，中間是5厘米厚的聚氨脂整體密封發泡層，上、下端蓋采用一次液壓成型工藝，維修孔與頂板連接采用全密封焊接工藝制作，保證保溫層的嚴密性，防止外部雨水和內部水蒸汽對保溫層的破壞。在安裝時，水箱底部也要加墊隔熱層，以減少熱量散失。質量過硬，安裝好的保溫水箱，在冬天環境溫度10℃時，24小時溫降在3-5℃。
筆者在桂林看到有些工程的保溫水箱，做工很粗糙，其做法我也親眼看到：先根據用水容量，做一個冷水箱，然后在這個水箱的外面，用鐵絲（或尼龍帶）手工包扎一圈橡膠（或海綿、泡沫類）保溫材料，最外面層用鐵皮（大都數是藍色鐵皮），用鉚釘鉚住即可（見圖四，圖五）。
用手工這樣做成的保溫水箱，箱體密封不嚴密（尤其是頂部和底部），箱體外層會有微漏，露天放置時雨水侵入保溫層，造成保溫效果降低，水箱頂部還會引起積水，進一步加強了雨水的滲漏，這樣，保溫水箱不僅起不到保溫作用，反而有了吸熱的功能。如果用這樣的保溫水箱，其保溫效果是可想而知的。
在天氣炎熱時，因環境溫度高，用水溫度不是太高，水箱溫度與室外溫差不大，尙感覺不出來能量損耗。一到冬天，手工做的保溫水箱，用手接觸最外層鐵皮，就可以感覺到溫溫的，可見，水箱散熱還是比較明顯的。這種水箱的保溫效果，最保守計算，24小時溫降到少是10℃以上，假如是3噸的水箱，光保溫水箱的損失的熱量就達到35KW，用5匹機組的話，制取這些的熱量需近3個小時。如果用小機組，時間會更長。也就是說，每天制出來的一部分熱量，是因保溫不好，白白浪費掉了。
保溫水箱的保溫效果好不好，其實是跟機組制熱能力，節不節能是一個無關的因素，正如家用保溫瓶，其保溫效果不好，不能說燒水的器具的質量不好、不節能是一樣道理。但因保溫水箱是經銷商隨工程主機一起配置的，其保溫效果差而引起的不節能，用戶自然會牽扯到空氣能產品上來。
原因三：比法上有失偏差。
說到空氣能能耗大，基本上都是針對天氣寒冷時才說的，在春夏時節是很少有聽到這樣說的，通常，與空氣能比較對象是電熱水器。下面我們以2噸水（用3匹機配比，不用電輔助，桂林冬天氣溫）為例，來計算下，加熱2噸水到底要多少電量，用空氣能熱水器，到底能節省多少電量。
根據前面計算得知：2噸水從8℃的冷水加熱至55℃的熱水，所需能量為110KW。電加熱的效率為95%，那么用電量為：110÷0.95=115度。3匹空氣能熱泵的輸入功率為2.6kw，制熱量為7.7kw，110÷7.7=14.3小時，14.3X2.6=37度。但是空氣能熱泵機組不光是主機用電，循環水泵（約100W），增壓泵（約300W），電磁閥（約2W），配電箱其它儀表（18W），有的還有上水增壓泵，都是要耗電的。以上幾項共計400W左右。（以上只以3.5噸工程為例，對于大容量的熱水工程，其它配置設備用電會更多。）
100W循環泵耗電量為14小時X0.1=1.4度，300W其它設備約為24小時開機：24X0.3=7.2度。共計：1.4+7.2=8.6度，取整數9度。
空氣能熱泵總耗電量為：37(主機)+9（其它）=46度
較電熱水器而言，省電為：115-46=69，省電比例為：115÷46=2.5倍
也就是說，在冬天時，在理論上，空氣能熱水器比電熱水器可以節能2.5倍。但如果把空氣能熱水工程正常的回水散熱，管道散熱，保溫水箱散熱及空氣能熱泵化霜不制熱的功耗都算上，節能也就在2倍左右。（當然，冬天時，因儲熱式電熱水器容量有限，不得不把制水溫度提高到80℃左右，與外界溫差大，同樣存在散熱）。
即使是這樣，也算是上是比較節能，畢竟冬天是空氣能效率最低的時候，這相當于：拿空氣能熱泵最差狀態，來跟受環境影響不大的電熱水器平常狀態來做比較的。也就是說，是用空氣能最差狀況與電熱水器的一般狀況相比的。如果用夏天氣候來算（環境溫度30℃時），空氣能與電熱水器的能耗比的確可以達到1:4，甚至會更高。
可是，隨便翻閱有關空氣能宣傳單頁，或進入空氣能廠家相關網站，就可以看到數類似這樣的內容：“空氣能熱水器具有高效節能的特點，其節能效果是電熱水器的4倍，是燃氣熱水器的3倍，是太陽能熱水器的約2倍······”。
這樣的宣傳，無形地在客戶心目中造成1：4（與電熱水器相比）的意識，引導了客戶對空氣能節能的過高期望。實際使用中的1：2，比宣傳的1：4數據差距很大。如果客戶本來又不十分清楚電熱水器和空氣能用電量究竟是多少，從而進行比較，當然有些盲目。或者，用電熱水器夏天時的用電量，跟冬天時空氣能用電量相比，這樣當然是不合理的。這一點，作為經銷商，我想有必要跟客戶說明清楚。
需要說明的是：以上是指主機水箱配比合理，管道保溫措施嚴密的情況下，才有1:2節能效果。假如配比不當，管道保溫不好，水箱保溫差，回水管頻繁開啟，電加熱常開，耗電肯定增加不少，算下來的話，用電量可能與電熱水器基本持平。這時，就難怪人們要喊，空氣能一點都不節能。
在這里，順便提醒一下的是，如果賓館擬用裝儲熱式電熱水器的話，一定要注意兩個問題，一是安全問題，盡是購置帶防電墻的熱水器；二是電能容量問題，如果幾十個電熱水器同時開，要考慮其住房用電容量能不能承受。
原因四：用水量過大。
商用用水量大，這并不是空氣能不節能因素。一是生意好，客人多，用水量大，這是可以理解的。還有一種情況，就是客人不多，用水量也大，本文中的實例三就是這種情況，我去了解情況時，老板告訴我，空氣能好是好，就是不省錢，而且熱水不夠用。我問也為什么，他苦笑說，他們賓館檔次不高，客人都是圖便宜才住的，賓館在汽車站附近，人流量雖大，但有些旅客的素質不是很高，他們住進來后，因為用的是中央熱水，不限量的，所以洗澡時沒有時間控制，個別客人還在這里洗衣服、襪子等，幾個客人用水時間過長，就導致縶不供應不上，其他客人就沒有熱水用，所以一到天冷時，主機基本是24小時開機，能耗大才有不節能之說。
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