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家用二氧化碳热泵市场及技术发展近况

数读市场中国仪表网2009年07月17日 09:51人气:4266

目前,日本市场EcoCute产品的销售价格为使用氟碳制冷剂的热泵热水器的数倍,为促进EcoCute产品的销售,日本政府实施了补贴政策。

生活热水供应和冬季采暖的能源消耗占中国城市家庭能源消耗的30%~60%。随着社会日益向资源节约和环境保护两大方向发展,家用热水供应方式呈现多样化发展趋势,如太阳能热水器、热泵热水器、燃气热水器或燃气采暖炉以及电热水器等。其中,燃气热水器、燃气采暖炉、电热水器等产品虽具有运行温度及负荷适应能力强的特点,但需要消耗较多的矿物能源如天然气、电力,直接或间接导致大量二氧化碳排放,在资源消耗和环境保护方面均不具有优势。

未来满足住宅热能需求的基本方式是以太阳能热水器和热泵产品为基础,辅以燃气热水器、燃气采暖炉、电热水器等。相对于太阳能热水器,热泵产品在安装灵活性和运行稳定性方面具有较大优势,特别是其能够将低温热能高效转换为可用热能的特点,使之具有更广泛的应用前景。日本热泵蓄热中心(HPTCJ)2007年研究报告表明,在日本采用热泵技术可以削减10%的二氧化碳排放量,其中2%是用EcoCute(生态精灵)家用二氧化碳热泵热水器更换现有热水器的贡献。

日本市场

近年来,家用二氧化碳热泵热水器已经成为家电技术发展领域备受关注的新产品。在日本,EcoCute家用二氧化碳热泵热水器自2001年进入市场以来,销售量持续上升。受经济危机影响,2008年EcoCute产品的销售量虽与预期有一定差距,但仍超过51万台。按市场保有量计算,2008年家用二氧化碳热泵热水器在日本市场累计售出约180万台;预计2010年销售量约为80万台,累计将达到320万台。而原先预测的2010年产量达到100万台、累计销售量达520万台的目标,估计需要推迟2年左右才能实现。

随着基数增大,近年来EcoCute产品销售增长率有所下降,但增长量的绝对趋势仍然显著。2008年日本相关整机和零部件生产企业着手进行面向全球的销售推广活动,标志着家用二氧化碳热泵热水器的技术和市场发展进入了一个新阶段。自EcoCute产品上市以来,整机和部件销售基本局限在日本国内。据了解,造成这一现象的主要原因是二氧化碳跨临界循环技术尚未成熟,处在应用开发前期,仍存在技术和市场风险;尤其是其他国家和地区未发布相关安全标准,所以在一段时间内不宜出口。增加了跨临界二氧化碳热泵系统压力安全要求内容的欧盟标准EN 378-2:2008于2008年5月正式发布后,在欧盟地区销售二氧化碳热泵热水器的标准问题得以解决,故此2009年部分日本企业已经开始向欧洲市场投放EcoCute产品。据日本有关机构统计,截至2009年上半年,日本出口到欧盟地区的家用二氧化碳热泵热水器累计销售量已超过3万台。

在日本,用于采暖的空气源低温热泵产品被称为“热泵锅炉(Heat Pump Boiler,缩写为HPB)”,在-25℃的环境温度下,这类产品无需电辅助加热或燃气、燃油加热就可以满足用户的采暖和生活热水供应需求,这类产品在近年新建的全电气化住宅中安装使用较多。在2009年英国伦敦环保展(ECOBUILD 2009)上,三洋公司展出的低温型EcoCute产品,在环境温度为-25℃的条件下COP值可达3.75W/W。而EcoCute产品由于具备优异的低温环境适应性,成为HPB的主要机种。

欧美市场

2008年9月,欧洲议会原则上通过了到2020年使用可再生能源的比例占全部能源消耗的20%的指令。虽然一些热泵产品,例如空气源热泵产品所利用的环境空气热能并非可再生能源,但是热泵所输出的热能通常数倍于其消耗的电力,在满足相同热能需求的条件下,空气源热泵热水器所消耗的电能远远少于电热水器。所以,经过反复讨论,由于空气源热泵的节能效果显著,可将空气源热泵等热泵产品按规定方法计入可再生能源利用范围,但前提是相应的空气源热泵热力效率必须达到规定水平。根据这项指令,目前在该地区广泛使用的燃气热水器、燃气采暖炉、电热水器等产品,到2013年之后原则上不允许单独使用,只能作为太阳能热水器或热泵热水器的辅助加热装置进行配置,在客观上促使家用多能源集成热水装置成为市场的主导产品,这一趋势影响广泛而且深远。在此背景下,欧盟地区热泵产品的安装数量在未来数年内将大幅增加,其中包括热泵热水器产品。

虽然EcoCute产品是日本最早投放市场的家用二氧化碳热泵产品,但是并非只有日本从事这类产品的开发。据了解,欧洲市场上除了二氧化碳汽车空调之外,采用二氧化碳跨临界循环技术的家用冰箱、商用冷藏冷冻设备已经投入市场多年。同时,一些欧洲企业目前正在进行二氧化碳跨临界技术在热泵应用领域的研究开发工作。2008年10月在德国纽伦堡举行的Chillventa国际贸易展览会上,德国Thermea公司发布了3个商用型二氧化碳热泵产品的信息,部分型号既可以供热也可以制冷,用于供热时额定COP值高达5.5W/W。在ECOBUILD 2009展览会上,两家英国企业分别展出了二氧化碳热泵热水器。英国ICS公司与意大利DeLonghi公司合作,展出了商用型产品,最高出水温度可达90℃;而英国Stroma LZC公司展出的商用型产品的出水温度可超过80℃,额定运行条件下COP值高达5.8W/W。

此外,一系列技术标准的制定和发布为在世界范围内形成二氧化碳热泵市场奠定了基础。除了早已正式发布的关于制冷系统压力安全的欧盟标准EN 378-2:2008,制冷系统压力安全国际标准ISO 5149-2新版也即将发布,该标准将超临界状态的二氧化碳制冷剂的压力安全要求纳入其中。同时,增加了跨临界二氧化碳压缩机安全要求的新版IEC 60335-2-34标准也即将发布。

在相当长一段时间里,二氧化碳跨临界系统在美国市场的发展存在一定障碍。其中主要问题是,以美国安全检测实验室公司(UL)为代表的安全认证机构规定了较高的爆破强度安全系数,导致了这类系统的制造成本较高;同时,几家美国制冷剂制造商积极开发HFO-1234yf等新型制冷剂作为HFC-134a的替代制冷剂,从而与二氧化碳制冷剂形成直接竞争。不过,近期美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)发布了关于二氧化碳系统的文件,认为高压的二氧化碳系统会使得工质密度更高,有利于取得更好的运行效果。美国开利公司(Carrier)采用二氧化碳亚临界循环技术的热泵型空调机组已在欧洲地区进行了多年的场地试验运行,美国民间环保机构绿色建筑联盟(GBA)也在积极推进二氧化碳系统在采暖热泵领域的应用。

中国市场

中国现已有3家压缩机生产企业正在进行二氧化碳跨临界循环热泵系统专用压缩机的开发工作。上海日立、西安庆安和广东美芝目前均具备向用户提供样机的能力,可喜的是这几家企业都是立足于自有知识产权进行研究和开发,并掌握了相关核心技术。除了前几年若干学校和科研机构对二氧化碳跨临界循环技术及其应用进行了卓有成效的研究外,近年又有多家生产企业启动了二氧化碳跨临界热泵产品的产业化开发项目。GB/T 23137-2008《家用和类似用途热泵热水器》已经发布,将于2009年9月1日起开始实施,该标准以附录形式对二氧化碳热泵热水器提出了要求,主要参照了日本制冷空调协会发布的JRA 4050《家用热泵热水器》的内容;同时,用于二氧化碳跨临界循环热泵装置专用压缩机的国家标准也在制定之中。与此同时,中国企业生产的采用二氧化碳跨临界循环技术的家用电冰箱等产品已经开始进入市场。

中国具有二氧化碳热泵热水器及其相关产品应用的适宜条件,随着技术发展和市场扩张,这类产品的制造成本将不断下降;同时,随着中国生产企业完成产业化开发工作,适用于中国市场的二氧化碳热泵热水器及其相关产品将具有更强的市场竞争力,从而进一步扩大市场。据了解,日本大金、松下、三菱电机等公司正在积极进行在中国销售EcoCute产品的前期工作,预计日本EcoCute产品将于2010~2011年进入中国市场,其中部分日本企业已经明确将在2011年之前在中国生产二氧化碳热泵用压缩机。

发展趋势

目前,日本市场EcoCute产品的销售价格为使用氟碳制冷剂热泵热水器的数倍,为促进EcoCute产品的销售,日本政府实施了补贴政策。EcoCute产品所消耗的原材料种类和数量实际上与现有氟碳热泵热水器的差异并不大,形成两种产品价格较大差异的主要因素有2个:一是需要分摊前期研究和开发费用;二是生产批量较小,制造费用远高于大批量生产时水平。值得注意的是,日本市场EcoCute产品2008年的市场销售价格已不到2001年价格的一半。可见,随着生产规模的迅速扩大,制造成本正在加速下降。

据调查,目前日本政府提供的补贴相当于EcoCute产品销售价格的30%~40%,补贴幅度大致按造价计算。2008年大金公司水箱容量为370L的EQ系列EcoCute产品的补贴金额分为三档:8.1万日元、13.5万日元和25.5万日元。尽管对日本政府的补贴政策存在不同认识,但正是这项政策的实施导致2008年底EcoCute产品的市场保有量达到约180万台。正是由于获得了如此的市场规模,日本EcoCute产品技术实际已经占据了全球的技术制高点,形成了强大的竞争力;而由于政府补贴幅度每年都会进行调整,所以可以预期当EcoCute产品的竞争力提高到一定程度后,补贴政策将被取消。

近年来,原材料和燃料价格的上涨导致化学制冷剂价格也在不断上涨。同时,从2007年7月开始,欧盟强制实施《关于含氟温室气体的法规(F-Gas法规)》,以减少制冷设备和热泵中制冷剂的泄漏,主要措施是通过改进系统设计、循环利用、反馈机制等方法来完善系统设施。新法规要求HFCs用户投入更多的资源来改进设备和培训相关员工,导致HFCs和HCFCs制冷剂的使用费大大提高。而对于二氧化碳系统而言,其工质的价格很低,也不属于含氟类气体,只是系统设备要求较高、价格昂贵,但总体看来与其他系统相比,价格差距正在不断缩小。

可以预期,随着技术发展和市场扩张,EcoCute产品的生产成本将逐渐下降,市场销售价格也将随之下降;而在有关环保措施继续强化的背景下,现有氟碳热泵热水器的制造成本将不可避免地上升,从而使得EcoCute产品的价格降至与现有氟碳热泵热水器具有相当竞争力的水平。

EcoCute集成应用

二氧化碳跨临界循环热泵系统有一个突出的优点,就是由于高压侧的二氧化碳制冷剂处于超临界状态,在气体冷却器放热时,其温度变化曲线基本上呈单相对流降温的特征,因此可以与热水升温特性实现良好的匹配;而EcoCute产品在水侧以较大温升换热过程中,仍然保持较高的热力效率。所以,EcoCute产品从开始投放市场时就具备了较高出水温度的特点,额定运行温度一般可达到60℃,最高出水温度可达90℃,如此高温度的热水足以供暖器片辐射采暖之用。而卫生用水的供水温度要求大致为:肢体接触温度38℃,躯体接触温度42℃,浴缸调节温度60℃。显然,EcoCute从开发之初就没有局限在提供卫生用热水的应用范围,而将采暖应用作为其基本功能之一。

由于热泵装置的基本功能是将低温热能的温度提高至所需温度,在住宅场所需要的热能温度范围基本上可以利用热泵供热予以满足,包括房间采暖、生活热水等需求,而热泵作为热能的传递装置在运行过程中所消耗的电力通常仅占输出热能的1/3,具有高效和适应范围广的特点,因而可以作为住宅热能中心,对整套住宅的热能供需进行集中管理。EcoCute产品不仅具备常规热泵的基本功能,而且采用二氧化碳跨临界循环使其在基本不降低运行效率的情况下,具备与燃气采暖炉相当的性能优点。因此,EcoCute产品不仅可以高效地提供采暖和卫生用热水,而且具备与太阳能热水器、热电联产装置以及燃气辅助加热装置等组合运行的能力,处理住宅中所有的热能需求,实现包括热能贮存和热能回收等在内的应用。由此可见,只要经过合理的系统集成,EcoCute产品就能够成为具备空调制冷、采暖、供应生活热水、热能贮存、热能回收等功能,对住宅内热能供求进行一体化管理的家用热能管理中心。

2008年10月,欧洲大金N.V.公司将世界上首台采用二氧化碳跨临界循环的VRV(可变制冷剂流量)空调系统投放市场。二氧化碳跨临界循环热泵自2001年进入市场之后,应用范围从单一制取生活用热水发展到同时满足住宅采暖和生活用热水供应,大金公司的二氧化碳空调机组则首次将二氧化碳跨临界循环技术应用在住宅空调制冷领域。此外,三菱电机公司也正在开发跨临界二氧化碳空调系统,而三菱重工公司则正在开发丙烷(R290)-跨临界二氧化碳复叠系统。

由于技术水平的局限,采用二氧化碳跨临界循环的空调系统在制冷运行状态下,热力效率一般低于采用氟碳类制冷剂的常规系统,充其量只能与目前使用R410A制冷剂的常规空调系统相当。不过,制冷过程的热力效率不是影响二氧化碳空调竞争力的决定性因素,在制热运行条件下,尤其是在环境温度较低和需要较高出水温度的制热运行条件下,二氧化碳空调具有明显优势。日本和欧盟广大地区的气候条件决定了一般住宅全年的采暖热负荷为空调冷负荷的5~10倍,所以跨临界二氧化碳空调机组的技术竞争优势显而易见。

二氧化碳跨临界循环技术具有广泛的适应性,可以应用于空调、家用冰箱、商用冷冻冷藏柜等制冷及热泵产品,打破多年来形成的某个牌号制冷剂只能在一个有限温度区间使用的格局,能够满足从低温冷冻到高温热泵多种制冷及热泵系统的应用要求。而且能够在安全、环保以及热工性能方面全面超越二氧化碳的热泵制冷剂,在未来几年内尚难以找到,因此,二氧化碳跨临界循环技术成为事实上的热泵技术主要发展方向之一。
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