深入分析热泵市场及类型特点

2022-08-17

《空气-水空气源热泵系统》

作者：工程师和

能源效率是当前历史时期的主要目标之一。“改造浪潮”战略旨在到 2030 年在欧洲实现 3500 万座建筑的深度能源改造。

能源创新涉及多个领域锅炉能耗管理规定，从生产到使用，从原材料开始，经过加工方法、运输和销售，直至使用甚至回收或处置。

这种创新氛围显然也影响了空调行业，其中热泵 (PDC) 在实现欧盟新的碳减排目标方面发挥着重要作用：这项技术是可再生和智能能源系统的关键。

热泵在供暖制冷生态转型中的作用越来越重要。随着各国实施欧盟和国家战略，热泵在可再生能源消费中的作用将逐年增加。下面我们简要介绍未来几年在意大利和欧洲推广热泵的规范框架。

规范框架

《京都议定书》于 2005 年生效，是各国为应对全球变暖而达成的第一个国际协议。

欧盟通过采取气候和环境保护措施来实施《京都议定书》倡议：能源相关产品指令 (ErP) 和能源效率标签指令 (ELD)。最终目标是通过一套新的评估空调系统和产品性能的方法来提高各国空调系统的整体性能。《京都议定书》的第一个目标叫做“20-20-20”，应该按计划在2020年内实现，是一个“气候和能源一揽子计划”。

2030 年的主要目标集中在气候和能源框架上，该框架侧重于减少温室气体和土地使用法规。然而，欧盟委员会的长期战略愿景是到 2050 年成为气候中和经济体，目标是将世界气温上升保持在 2°C 以下，甚至将这一限制降低到更低的 1.5°C .

这些目标只能通过根据 2050 年愿景（改造浪潮）在协调能源效率和使用可再生能源的基础上确定和实施现有建筑的节能改造战略来实现：在这种情况下，热能的作用泵将至关重要。

热泵能源相关产品指令

2015 年，能源相关产品指令 (ErP) 引入了所有卫生热水生产和供暖设备最低性能要求的规定。

所有产品都必须带有能源标签，以便为用户提供简单准确的信息，以便快速比较。除了能效等级（从A+++到G），热泵标签上的技术数据还必须显示输出热功率和噪音。

生态标签指令

如果热泵和锅炉的性能要求受 Erp 指令的约束，那么生态标签指令关注的是解释如何向消费者提供有关这些产品的信息。只有清晰易懂的信息才能激励人们购买最节能的产品。

从 2015 年起，提供生活热水的热源设备也必须贴有能效标签。产品（或多个产品组合的系统）标签必须显示达到的能效等级，从 A +++ 到 D。

建筑能效指令 EPBD

建筑行业对于实现欧盟设定的能源和环境目标至关重要。为此，欧盟委员会建立了一个立法框架，其中包括一项关于建筑物能源效率的指令，即 EPBD（建筑物能源效率指令）。

该指令倡导的政策将帮助欧盟政府在 2050 年之前提高现有建筑的能源效率。 建筑能效指令倡导的主要支持措施包括：确定更换或改造具有最低能效要求的供暖和制冷系统的需求，使用智能技术，例如调节各个房间温度的控制和自动化系统，以及使用机械通风等新鲜空气系统。与其他措施一起，《建筑能效指令》将释放现有和未来建筑的能效潜力：高效住宅可确保为最终用户节省经济成本并降低污染，改善生活环境质量。

锅炉市场

意大利安装的锅炉数量超过1900万台，包括独立系统和集中式系统，大部分是低效率、高能耗、高排放的老旧设备。

更糟糕的是，据估计，在 90/396/EC 燃气用具指令之前，即 20 多年前，已安装了超过 700 万台锅炉。

根据一项研究，从 2006 年至今，欧洲七个最大的国家每年售出和安装约 500 万台锅炉。特别是在意大利，近年来每年售出和安装约 750,000 台锅炉。

一方面，冷凝式锅炉正在逐步取代性能较差的常规锅炉，另一方面，向热泵的过渡才刚刚开始。

热泵市场

该公司的市场分析表明，自2017年以来，欧洲市场安装的水载热泵数量以每年10%左右的速度增长。

这一趋势也在 2022 年得到证实，预计每年将安装约 100 万台。分体式和一体式空气对水空气源热泵在新装置中占最大份额，无论是用于二合一空调和浴室热水还是单独的浴室热水。

水对水，那些使用地层水、地下热能（地热）和热回收水源作为冷却/加热源的热泵，在数量上补充和稳定。

尽管在国家法规和激励措施的推动下，热泵市场显着增长，但欧洲每年安装的热泵和锅炉之间的比例仍然严重失衡。以目前市场的增长率（图5），假设每年减少锅炉的数量等于增加的热泵数量（图4），那么仍然需要12-15年，以使两个市场具有相等的）数量。

热泵型

热泵将热能从低温环境转移到高温环境，我们称之为外源和内源。热泵使用约 75% 的自由能（来自太阳，储存在空气、水和土壤中）和 25% 的电能，以确保夏季和冬季的最佳室内舒适度。

工作原则

热泵与普通冰箱的工作原理相似：制冷是通过制冷剂的热力循环来实现的，制冷剂根据其工作温度和压力状态可以呈液态或气态。

【详情请参考《水利杂志》第33期】

根据所需的实际效果，即加热或冷却室内环境，设备可定义为热泵或冷水机，通过适当的膨胀阀吸收或散发制冷剂中的热量，并将其引导至室内或室外环境. 这些装置也称为可逆制冷循环或简称为制冷侧可逆。

基于压缩机类型的热泵分类

制冷剂压力和温度上升阶段（步骤 3，图 6） 可以通过多种方式进行，所有这些都旨在为制冷剂流体提供能量。最常见的方法是压缩机驱动电动马达，虽然也有其他方法，虽然还在小众应用中，但具有可用性和便利性和成本效益的特点。

电机驱动压缩机热泵

由于电动机的多功能性和经济性以及电力作为能源介质的便利性，这种类型的热泵最常见。压缩机的种类很多，最常用的是涡旋式、摆动式、螺杆式或磁悬浮式。

说到优势，成本低、维护成本低且无需辅助系统（因为它们通常是自冷的）。然而，由于启动电流大（部分功率用于缓冲电子设备），热泵的供水温度有限且功耗高。

内燃机驱动的压缩机热泵

在这种类型的热泵中，压缩机由内燃机驱动，内燃机通常由燃气提供动力，来自汽车。也称为 GHP（燃气热泵）或 GEHP（燃气发动机热泵），这些机器的优点是能够利用发动机的废气和冷却回路释放的热量来提高供水温度。正是由于这些原因，它是替代燃气锅炉，特别是大功率锅炉升级的有效替代方案。

它的主要优点是使用气体和生产高温水。但由于投资和维护成本高，在电力有限的情况下可以派上用场。

吸收式热泵

吸收式热泵和电动（或燃气）热泵之间最显着的区别是没有压缩步骤，而是有两个完全不同的步骤：生成和吸收。

在吸收器中，来自蒸发器的气态制冷剂被流体（称为吸收剂）吸收并返回液态。产生的流体（吸收性更强的制冷剂）然后被泵入发生器，由于外部热量输入（例如来自热电联产单元、区域供热网络或工业过程），制冷剂在高温和高压下输出。

基于热源类型的热泵分类

冷却源（或外部源）可以是：空气、水或表面层。空气可以是室外空气或在某些情况下是热回收空气（从通风系统或工业冷却回路排出），水可以是地表水、地下水或源自冷凝回路的水，表层中的热量通过已知的过程传递作为地热盘管的特殊交换器吸收。热源（即系统流体或内部源）可以是：空气（当热泵直接加热房间内的空气时）或水（当热泵加热用作加热回路中的介质的水时）。

气对气热泵

这种类型的热泵配备了空气/制冷剂交换器。冷源是外界空气，取之不尽，用之不竭，但温度波动很大。由于暴露在非常低的室外温度下，它们需要定期除霜。

分为两类：

由于制冷回路成本低且占地面积小，分体式空对空系统通常用于小型住宅和商业环境。

管道系统更常用于具有管道条件的购物中心、剧院和生产环境。

空气-水空气源热泵

空气-水空气源热泵可以吸收空气中的自由能，以热能的形式传递给水。与气对气热泵不同，水基传热技术确保了广泛的系统解决方案。因此，空气对水空气源热泵可用于住宅领域（带有散热器、风机盘管、地暖等）和第三产业以及工业领域（带有为空气处理机组服务的机组） ）。

此外，该系统具有很强的适应性。对于那些采用燃气热源的系统，可以在不升级整个系统的情况下维护现有的加热系统。

其局限性在于功率和能效比的变化，以及有限的供电温度。

水气水源热泵

使用从井中抽取的地下水作为冷却源，使用专用的液压回路（例如冷凝回路）作为热源。

通常安装在屋顶上，但在特殊情况下，出于空间或美观的原因，也可以放置在室内并与分体单元相连。

这种类型很少使用，因为它们需要钻孔以提取水，需要地质分析和取水许可证。

水制水水源热泵

冷源和热源都通过水实现热交换。

寒冷的一面从水中获取能量，通常来自地下水（通常称为含水层）或地表水，如湖泊、河流或海洋。热源 - 侧使用传统的加热系统。

操作稳定性和卓越的性能是这些设备的优势。此外，它们可以在相对有限的空间内输出大量的电力。

限制是供热的水源有限，并且需要适当的许可。这种类型的热泵也有特殊的应用，它利用回收的热量工作，例如工业过程中的冷却回路。

水-水地源热泵

水-水地源热泵以水为介质与冷源表层进行热交换。

交换器由称为“地热盘管”的埋地塑料管组成：它们向下（垂直盘管）或穿过浅层（水平盘管）以捕获表面热量。

地源热泵与水源热泵一样，在与冷源不断热交换的条件下运行，因此它们不需要除霜循环。

与水源热泵不同，它们不需要水源。

然而，地热盘管的安装成本非常高。

空气-水空气源热泵

空气对水空气源热泵最常用于家庭供暖。与其他制冷剂循环系统相比，其受欢迎的主要原因是：

但是，此类设备也有一些限制：

户外一体化热泵

一体式热泵由一个单一的设备组成，该设备包括制冷回路的所有元件：水/制冷剂板式交换器、压缩机、膨胀阀和允许空气/制冷剂在蒸发器中进行热交换的风扇等。

液压回路的某些元件可以集成到设备中，如循环泵、水流开关、膨胀罐、排气阀和安全阀等。

主机通过管道直接连接到室内系统，管道将技术用水从设备输送到建筑物中。

室外一体机在所有需要节省设备空间的建筑中具有明显的优势。

室内一体化热泵

集成热泵，在空气交换器上带有风扇，其头部允许管道空气。

某些型号可以使用管道供送风和出风；而其他型号只有排气管道，直接从安装环境中抽气。这些环境必须配备适当的开口，以确保设备所需的新鲜空气能够进入。

它们主要用于出于美观原因无法安装外部单元的地方。

分体式热泵

与整体式不同，分体式热泵由位于建筑物内部的室内机和与空气进行热交换的室外机组成。室内机的主要部件包括：水/制冷剂板式交换器、循环泵、水流开关、膨胀水箱、排气阀和安全阀等。

室外单元包括压缩机、制冷剂循环泵、膨胀阀和通过外部空气与制冷剂流体进行热交换的风扇。

高压制冷剂管道用于连接两个单元。

液体热泵

分液热泵在概念上与一体式热泵类似，只是将室外机内的水元件和电子元件全部移至室内机，维护更方便。

两个单元通过水管连接。

热泵的噪音控制

空气源热泵的室外机会对家庭或系统所服务的邻近建筑物造成噪音和振动干扰。因此，要多注意安装和选址。

噪音可以通过以下方式传播：

为了减少噪声的固体传播，有必要：

为了减少空气噪声，有必要：

法律的限制

噪音排放受法律限制，检测标准规定：

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