日本国内热泵技术的研究进展

日本国内热泵技术的研究进展

建筑节能与新能源2004年，日本环境部在中央环境议会的地球环境小组会议上表示，根据目前的趋势，2010年日本的co排放量将比90年增加4%，比《京都协定》中确定的减少6%的目标将超过10%。其主要原因是民生用能、交通运输用能持续上升,而预期有利节能减排的核电由于事故频发,不仅新建项目因受当地居民的反对而延期,且作业率亦未完成原定计划。在民生用能方面,由于居民生活水平提高、住宅面积扩大和大型家电普及,加上宾馆大楼的增加和通信设备的大增,致耗能和CO2排放量比1990年上升20%。这一增加趋向原来已有预料,但为何如此大幅失控?想必是在节能和新能源等具体实施方面出了问题。在民生用能方面人们就分散电源、热电联产系统、集中发电供应+电动热泵系统哪种方式更有利于减排CO2,展开广泛的争论。其中学会、政府机关、大众传媒和社会团体大多认为分散电源系统较好。电力系统的能源利用效率低,电力系统的经营改进不大,且电费仍居高不下,从而人们寄希望于发展热电联产、家用燃料电池等对节能减排有效的方式。在气候温暖的日本,热电联产系统能否比正在推广的热泵系统更为节能?现将两者与微型燃气轮机和燃料电池等分散电源系统进行对比。由于大部分热电联产系统并未达到预期的节能效果,运行的可靠性亦不够理想,故人们开始认为应慎重推广且仅用于特定的条件。另外,系统电力+电动热泵系统尚未引起广大群众的理解,但随着大型天然气火电的高效化,其末端的热泵亦和顶级空调般显示出巨大的节能优越,但其重要性尚未得到正确评价。为此,兹从理论上进行必要的对比分析,以为其推广创造条件。1在热设计及热能上的应用现被称为能源专家的人们往往对热电联产的效率高估,称:现火电的平均发电效率为36.6%;而热电联产则为发电30%、供热40%,总热效率高达70%,从而节能环保和经济效果均好。于是宣称:按热力学定律,高温热能用于发电,低温余热用于取暖和供热水,对热作了梯级有效利用。但是,上述说明除把燃料的高发热量和低发热量混为一谈,并将简单计算结果混同外,从热力学看亦是互相矛盾的。即前段将电能和热能简单加和后求总热效率的方法是根据能量守恒定律即热力学的第一定律,而后段的高温热能应用于发电、低温余热应用于供热以区分电能和热能的价值差乃依据热力学第二定律。评价热电联产和电动热泵优劣时,应遵循热力学第二定律,不应将电能和热能等价相加以计算总热效率,因为理论上热泵可利用1J电能得到6J热能,明显属热力学第二定律的产物不适于用第一定律评价。应用在以空调取暖、供热水为主要负荷的宾馆大楼的电动热泵系统,利用少量的电能便可通过能量“逆梯级变换”转换为大量的热能,使热电联产的余热价值相对降低。虽然发电效率(LHV)30%的1～2MW级燃气轮机热电联产系统,加上余热利用效率40%,总热热效率可达70%,从而大于常规火电平均受电端效率的36.6%,但大楼热电联产的实际运行效率(HHV)还应扣除辅助设备动力和部分负荷不足时的损失,所以实际效率仅为17%～18%;利用余热的二重吸收冷冻机其COP按1.0计算时,则等价热效率仅为7%～10%,两者相加后仅24%～28%,则低于火电的36.6%。比起先进的联合循环发电(ACC)的受电端效率仅为其1/2左右的低水平。提出热力学理论的英国学者托姆孙和盖尔宾在1852年发表的《关于利用空气流经济解决建筑物空调取暖》的论文中,指出了利用空气源热泵的可能性及其能效的优越性。实际上“逆梯级利用”热能的热泵在以后一段时间未能应用,因为在当时技术条件下供热机器和热泵的机械效率低,且传热损失大。后来随着冷冻和冷房的需求加大,热泵首先在冷冻机上应用,以后由于技术的不断进步终于在20世纪超过老式的热电联产而开始应用。应用变流、DC电机和高效压缩机、高效换热器等配套技术的顶级空调器,将作为21世纪的先进热泵技术被推广应用,并将代替热电联产。2节能潜力的分析2003年《节能法》中,作为对宾馆大楼系统节能的评价标准,对电力的一次能源换算值如表1所示。全国火电的全年日平均受电端效率一律按36.6%计算,亦即规定每kWh电的一次能为9830kJ。节能和减排CO2是该国重大课题,当对大楼和工场的原有设备改进时,即便是采用热电联产和燃料电池对节能效果评价比规定的火电平均值较优,但为了领取补助金还是改用天然气发电的ACC。若不采用组合式冷暖房、供热水系统的热泵,或COP达6的顶级空调或复合冷冻机,减排CO2的指标都是难以达到的。《节能法》中规定以火电平均值作为边界电源的思考方法,来源于使成本高的落后方式退出市场的经济学原则,因此改用于纯技术指标的能效标准考核。但对老朽工厂的低效火电的继续运行却创造了不应有的条件,故对火电平均发电效率这一指标,应作根本性的改革。对占全国发电量34%的基本不排放CO2的核电(东京电力占44%、关西电力占50%),在《节能法》中尚缺乏正当的评价。从核电对CO2的减排效果、对地球环保效果和安全保障效果看,应鼓励、支持核电的发展。特别是鼓励居民利用核电全天平均运行的特点,于夜间电力低谷负荷时大力发展冰蓄冷和热泵供热水等有效方式。3全发电效率与全火ws-q对热电联产的发电效率和热效率的简单相加为总热效率,在热力学和经济学方面均无实际意义如美国在卡特执政时的1978年出台的PUPRA法中即规定,电力公司对独立发电户(IPP)剩余电力有上网的义务,但对回收余热仅按电力的1/2计算,按此计算的总发电效率若小于42.5%时则不承认是合格的发电厂和热电联产企业,具有电网的大电力公司无收购其电力上网的义务。日本气候温暖,热电联产的余热主要用于大楼中吸收冷冻机的热源时,若同时还考虑电动冷冻机的COP的提高,其余热的电力等价值仅达1/4～1/6的水平。由表1亦可看出,用1～2MW燃气轮机的热电联产系统A的等价总发电效率亦低于全火电发电效率值。另外,热电联产B,由于采用了燃气发动机,并使余热得到了理想的利用,也只是得到全火电平均值的同等效率;但要达到和先进的ACC发电、MACC发电的高效率相近水平时,只有用于生产工序或者用于使余热得到充分利用的宾馆和医院等处。但由于大楼里清洗、炊事业务的外委和CO2热泵供热水装置的应用,其电力等价效率将比热电联产更好。4空气源热泵系统热泵的节能效果逐渐被人们所了解,地下水、污水、生活排水和海水等已作为热泵的热源水、冷却水被加以利用。当然它们并不是在任何场合任何时候均可有效利用,这主要由于它的节能效果在政府的能源统计中尚不够明确。为使热泵真正在日本的民生节能中发挥作用,必须针对各种不同用途、地区和季节,提供廉价且高效的相应系统和装备。空气源热泵系统(含使用冷却塔的冷冻机)属于通用型设备,可用于多种场合和冷暖房,具有供热水和加热冷却工序等多种用途,且不受时间、季节的限制。日本虽气候温暖,但仍需冷暖房,因此需要使用空气源热泵空调器。经对压缩机、变流器和换热器等的高效化及冷媒控制技术改进后,技术人员已开发出总体适用的设计,日本年销售热泵空调已达700万台。在上述技术成果的基础上,日本自主开发了大楼用多样式空调和冰蓄热式空调。由于它们的通用性能优异而得到迅速普及。据财团法人热泵蓄热中心估算,到2010年减排CO2的目标可由原来的1900万t/a上升到9950万t/a。5大规模商品房用联系网络冷场技术与设备的竞争顶级热泵空调器、CO2冷媒热泵热水器和IH烹饪加热器被称为民宅用“三种新神器”,不仅节能效果大,且方便性、安全性和经济性均优,已得到快速普及。2004年正式采用顶级空调器的冷暖平均COP达6以上,比过去提高2倍,该空调器除附加暖房功能外,除湿能力不足亦因开发出新机种而得到解决。CO2冷媒热水器年均COP达3.5,同时因炊事装置改为HP系加热,所以一次能源效率超过煤气方式,能源费亦仅为城市煤气费1/3以下。IH烹饪加热器单独使用时比煤气式的一次能效率略差,但由于减少了房间的换气热损失,提高了住宅的高气密化等适应性,从而作为新建住宅的全电化系统快速普及,对住宅节能亦起了一定作用。中小楼房所用的电动式空调器(EHP)、电动多用式空调器、生态冰冷器、圆形冰冷器和煤气多用式空调器(GHP)和煤气楼房多用式空调初投资不同,因此曾就此问题开展了激烈的争论。大规模楼房所用的电气式冷暖房蓄热系统、煤气直燃吸收冷温水机系统和热电联产并用系统也存在类似问题,亦在开展激烈的争论。中小楼房用EHP在迄今的价格竞争中处于优势,EHP的COP一度停留在2～2.5,后经采用顶级方式后超过了3,以后又将R407C非共沸混合冷媒机更换为R-410A模拟共沸冷媒机,其COP亦提高到4以上。大楼用多用式空调器在不断改进COP的同时,实现了冰蓄热方式的多样化,从2004年开始又实施了“绿色标牌制”。EHP和GHP的竞争中,EHP在受电设备的制约上虽略差,但在一次能效率、耐久性等方面均优。大楼多用式空调器利用冰蓄热槽冬季温水蓄热应力回收利用冷媒喷射剂,从而在北海边等-25℃的地区亦可使用,扩大了其使用范围。尽管变流复合式冷冻机和螺旋式热泵等热源机器的COP已超过6,并在中间期以后部分负荷时COP超过18,但向高效电动热泵系统的转化仍不够理想,这和《节能法》的相关规定有关。例如,上述“火电平均”的一次能换算的设定对选择节能方式将起消极作用,以电力和燃料消耗量区分指定能源管理工厂的现行制度亦对合理选择能源不利。为在大规模楼房普及节能环保性优的系统(即电力+电动冷冻机热泵系统),首先应采取根本性的改进措施,如强化大楼隔热。目前大规模楼房年冷房负荷和暖房负荷之比为3∶1,考虑城市的热岛化和地球变暖因素,采用热回收热泵时,暖房负荷实质上可变为“0”。迄今温暖地区的大楼通过外壁强化隔热则可防止夜间散热,从而使中间期的冷房负荷不再增大。通过冷冻机、热泵的变流化可使中间期的COP维持在高水平。可采取外气冷房、窗系统等节能系统使过剩余热排出。亦可通过余热换热器和除湿器减少加温、除湿负荷。进一步用办公用CO2冷媒热水器代替电热器,则可回收利用夜间的室内余热供热水和冷房利用。通过强化隔热不仅可使顶峰时、日的冷房负荷减少,亦可减少暖房负荷,减少或甚至省略在电动系统最大弱点的冬季时使用空气源热泵。虽然春天来临后还可能使用热源机,但由于冷房的单一化要求,不仅将带来系统的简化和降低设备费,还可使冷冻机高效利用而大幅节能。6各类型电源的经济性比较综上所述,在比欧美气候温暖的日本,热电联产作为民生用能系统的价值相对较小,应利用高效的集中电源的ACC发电、MACC发电和高效系数的热泵、冷冻机组合实现热的“顺逆梯级利用”和全电化系统,这对