北京建筑大學 馮 碩，李德英
隨著人類社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境污染和能源短缺的問題也愈發(fā)嚴重。具有實現(xiàn)節(jié)能減排效果的熱泵技術(shù)和低能耗建筑在這種大背景下備受關(guān)注。本文對低能耗建筑以及熱泵技術(shù)進行簡單介紹，對空氣源熱泵、地源熱泵和水源熱泵對建筑節(jié)能的作用進行分析，并總結(jié)和分析了國內(nèi)外專家學者的研究現(xiàn)狀，為完善熱泵技術(shù)在低能耗建筑中的應用打下了堅實的基礎，以期促進熱泵技術(shù)的發(fā)展。
（1）空氣源熱泵系統(tǒng)
空氣源熱泵，作為熱泵技術(shù)的一種，有 “ 大自然能量的搬運工 ” 的美譽，有著使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干凈等多重優(yōu)勢。以無處不在的空氣中的能量作為主要動力，通過少量電能驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，無需復雜的配置、昂貴的取水、回灌或者土壤換熱系統(tǒng)和專用機房，能夠逐步減少傳統(tǒng)采暖給大氣環(huán)境帶來的大量污染物排放，保證采暖功效的同時實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。
空氣源熱泵是由電動機驅(qū)動的，利用蒸汽壓縮制冷循環(huán)工作原理，以環(huán)境空氣為冷（熱）源制取冷（熱）風或者冷（熱）水的設備，主要零部件包括用熱側(cè)換熱設備、熱源側(cè)換熱設備及壓縮機等?？諝饽?( 源 ) 熱泵利用空氣中的熱量作為低溫熱源，經(jīng)過傳統(tǒng)空調(diào)器中的冷凝器或蒸發(fā)器進行熱交換，然后通過循環(huán)系統(tǒng)，提取或釋放熱能，利用機組循環(huán)系統(tǒng)將能量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，滿足用戶對生活熱水、地暖或空調(diào)等需求。 空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖如圖 1 所示。
（2）空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
1）用途廣泛、四季無憂
空氣源熱泵既能在冬季制熱，又能在夏季制冷，能滿足冬夏兩種季節(jié)需求，而其他采暖設備往往只能冬季制熱，夏季制冷時還需要加裝空調(diào)設備。
2）安全運行、保護環(huán)境
空氣源熱泵采用熱泵加熱的形式，水、電完全分離，無需燃煤或天然氣，因此可以實現(xiàn)一年四季全天 24 小時安全運行，不會對環(huán)境造成污染。
3）使用靈活、沒有限制
相比太陽能、燃氣、水地源熱泵等形式，空氣源熱泵不受夜晚、陰天、下雨及下雪等惡劣天氣的影響，也不受地質(zhì)、燃氣供應的限制。
4）節(jié)能科技、省電省心
空氣源熱泵使用 1 份電能，同時從室外空氣中獲取 2 份以上免費的空氣源，能生產(chǎn) 3 份以上的熱能，高效環(huán)保，相比電采暖每月節(jié)省 75% 的電費，為用戶省下如此可觀的電費，很快就能收回機器成本。
（3）國內(nèi)外專家學者的研究現(xiàn)狀
顏浩通過對空調(diào)、采暖、生活熱水的需求性分析，指出空氣源熱泵在運用了熱回收、數(shù)碼渦旋等技術(shù)后，其節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟性能有了顯著的改善，不僅可廣泛用于長江流域，即使在我國寒冷地區(qū)也具備了應用這種先進的節(jié)能技術(shù)和設備的可能性?？諝庠礋岜迷诮ㄖ?jié)能中完全是可以大有作為的。建議適宜地區(qū)的各級政府積極宣傳、推廣、應用空氣源熱泵，促進我國的節(jié)能減排目標早日實現(xiàn)。
蘇海智、馮竹建將義烏大酒店熱泵暖通及熱水改造工程與其他幾種常規(guī)能源的系統(tǒng)做了對比，詳細分析空氣源熱泵應用的節(jié)能效益和環(huán)保效益。經(jīng)分析研究得出：采用空氣源熱泵系統(tǒng)后，整個系統(tǒng)運行費用最低，各種污染物排放量最少。熱泵空調(diào)系統(tǒng)應用對于推動既有建筑節(jié)能改造具有重要意義，值得大范圍推廣。
（1）地源熱泵系統(tǒng)
地源熱泵技術(shù)是一種利用地下淺層地熱資源，實現(xiàn)向建筑物提供采暖、制冷和生活熱水的高效節(jié)能環(huán)保型技術(shù)。其基本思路就是通過少量高品位能源，將淺層熱能轉(zhuǎn)移為高位熱能，在冬天供暖、夏天制冷。
地源熱泵系統(tǒng)主要由室外地源換熱系統(tǒng)、熱泵機組和室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng) 3 部分組成。冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低， 即蓄存了冷量，供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了系統(tǒng)全年的能源利用效率。
地源熱泵系統(tǒng)原理圖如圖 2 所示。
（2）地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
1）屬可再生能源利用技術(shù)
太陽能是取之不盡的可再生綠色能源，地表淺層相當于一個巨大的太陽能集熱器，它收集了 47%的太陽能，比人類每年利用能量的 500 倍還多。地源熱泵在冬季就是利用這種儲存于地表淺層的無限的能源作為熱源；在夏季則以地表淺層恒定的地能溫度作冷源，只需小功率的壓縮機就可實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的空調(diào)系統(tǒng)。
調(diào)研結(jié)果表明，使用地源熱泵技術(shù)比風冷熱泵節(jié)能 40%，比電采暖節(jié)能 70%，比燃氣爐效率提高48%，所需制冷劑比一般空調(diào)減少 50% 是真正意義上的高效節(jié)能。
2）屬經(jīng)濟可靠的節(jié)能技術(shù)
地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高， 夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高 40% ，同時可以節(jié)省運行費用 40 % 左右。此外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機地源熱泵系統(tǒng)一機多用、系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑物的美觀。
如上所述， 地源熱泵系統(tǒng)的另一個顯著的特點是大大提高了一次能源的利用率，地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%~60%。另外，地源溫度有恒定的特性， 使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定， 整個系統(tǒng)的維護費用也較鍋爐制冷機系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。在建筑供熱空調(diào)中采用熱泵技術(shù)，可以有效地提高一次能源利用率， 減少溫室效應氣體CO2 和其他燃燒產(chǎn)生的污染物的排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技。
3）運行穩(wěn)定可靠且使用壽命長
傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)不論是水冷還是風冷，換熱環(huán)境均為大氣，由于它的換熱器必須置于暴露的空氣中，故不可避免地受到環(huán)境條件變化的影響，降低換熱效率和使用壽命，并且影響了建筑物的外觀；而地源熱泵以土壤作為熱源的主要優(yōu)點在于土壤溫度的相對穩(wěn)定，基本不受外界環(huán)境的影響；埋管熱交換器不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的能耗；熱泵系統(tǒng)設計簡單，運動部件比常規(guī)系統(tǒng)少，且安裝在室內(nèi)，自動控制程度高，可無人值守；系統(tǒng)安全無燃燒設備，不存在爆炸、燃燒的隱患；由于系統(tǒng)不暴露在風雨中，因而維護簡便；地源熱泵系統(tǒng)的供冷、供熱平穩(wěn)，降低了停、開機的頻率和空氣過熱和過冷的峰值；把地源熱泵換熱器埋于地下，也不會破壞建筑物的外觀。
（3）國內(nèi)外專家學者的研究現(xiàn)狀
涂鋒華、趙軍等在提供同樣供熱量的情況下，將研制成功的一種開環(huán)地源熱泵系統(tǒng)與燃油鍋爐系統(tǒng)對比，由經(jīng)濟參數(shù)分析得出地源熱泵與燃油鍋爐和燃氣鍋爐相比，在建筑節(jié)能和環(huán)保中的效果非常明顯，但是初投資比較高。怎樣降低機組的初投資以及怎樣改進地源熱泵機組的性能，將是建筑行業(yè)需要努力的方向。
刁乃仁、方肇洪對地源熱泵的技術(shù)特征、適用范圍和經(jīng)濟性進行了詳細的介紹，把熱泵供熱與鍋爐直接燃燒供熱進行對比分析，得出在建筑供熱空調(diào)中采用熱泵技術(shù)可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應氣體 CO2 和其他燃燒產(chǎn)生的污染物的排放。
羅迎賓、梁路軍等通過對常州地區(qū)某辦公樓地源熱泵項目的設計與運行分析，將地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)風冷熱泵系統(tǒng)、冷水機組 + 燃氣鍋爐系統(tǒng)2 種模式進行經(jīng)濟性比較，地源熱泵系統(tǒng)初投資比風冷熱泵系統(tǒng)、冷水機組 + 燃氣鍋爐系統(tǒng)分別高出20% 和 7.15%，但每年節(jié)約運行成本分別為 49.4%和 34.5%。
今后每年節(jié)約運行費用約 41 萬元和 20萬元，減少折合標媒量約 180t 和 90t，相當于減少CO2 的排放量約 472t 和 236t。因此，在建筑中使用地源熱泵系統(tǒng)，不僅具有極大的經(jīng)濟性價值，同時還具有重大環(huán)保、減排的社會意義。
（1）水源熱泵系統(tǒng)
水源熱泵機組是以水為熱源的可進行制冷或者制熱循環(huán)的一種熱泵型整體式水 – 空氣式或水 – 水式空調(diào)裝置，制熱時以水為熱源而在制冷時以水為排熱源。其采用循環(huán)流動于共用管路中的水、從水井、湖泊或河流中抽取的水或在地下盤管中循環(huán)流動的水為冷（熱）源，制取冷（熱）風或冷（熱）水的設備，包括一個使用側(cè)換熱設備、壓縮機、熱源側(cè)換熱設備，具有單制冷或制冷兼制熱功能。
水源熱泵技術(shù)的工作原理就是：通過輸入少量高品位能源，實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在夏季將建筑物中的熱量“取”出來，釋放到水體中去，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達到夏季給建筑物室內(nèi)制冷的目的；而冬季，則是通過水源熱泵機組，從水源中 “ 提取 ” 熱能，送到建筑物中采暖 。
（2）水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
水源熱泵與常規(guī)空調(diào)技術(shù)相比，有以下優(yōu)點：
1）高效節(jié)能
水 源 熱 泵 機 組 可 利 用 的 水 體 溫 度 冬 季 為12℃~22℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。夏季水體為18℃~35℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，機組效率提高。
2）運行穩(wěn)定可靠
水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動范圍遠遠小于空氣變動，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。不存在空氣源熱泵冬季除霜等問題。
3）環(huán)保效益顯著
水源熱泵機組供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統(tǒng)，無燃燒過程，避免了排煙、排污等污染；供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以，水源熱泵機組運行無任何污染，無燃燒、無排煙，不產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣和煙塵，不會產(chǎn)生城市熱島效應，對環(huán)境非常友好，是理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品。
4）應用范圍廣
水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設備可以同時滿足供熱和供冷的要求，減少了設備的初投資。其總投資額僅為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的 60%，并且安裝容易，安裝工作量比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)少，安裝工期短，更改安裝也容易。
（3）國內(nèi)外專家學者的研究現(xiàn)狀
白雪蓮、劉寧毅等以實際工程為例，研究了地表水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計中的具體問題。結(jié)合工程具體情況，探討了在應用水源熱泵技術(shù)的同時，將集中供冷供熱技術(shù)、二次泵技術(shù)、變流量技術(shù)等其他多項節(jié)能技術(shù)綜合應用，不但能更有效地發(fā)揮水源熱泵技術(shù)的優(yōu)點，并能大大提高空調(diào)系統(tǒng)的能效。對常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)形式與水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式進行了技術(shù)經(jīng)濟比較，結(jié)果表明該工程水源熱泵技術(shù)與其他節(jié)能技術(shù)綜合應用可減少全年運行能耗約 46%。
鄭峰通過對水源熱泵系統(tǒng)與燃氣鍋爐系統(tǒng)進行經(jīng)濟比較，結(jié)果表明，水源熱泵系統(tǒng)的設備投資和運行費用均較低且運行良好。在實際使用過程中，夏季蓄熱水箱設定溫度為 46℃，冬季和過渡季節(jié)設定溫度為 54℃，系統(tǒng)在制備生活熱水的同時，空調(diào)供冷或供熱的運行情況良好。對于賓館、學校、辦公樓等既需要空調(diào)又需要供應熱水的場所，在具備水源的條件下提倡使用水源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)環(huán)保、節(jié)能且無污染。
建筑節(jié)能是解決我國今后能源緊缺問題的有效途徑之一，包括建筑本身的節(jié)能和供暖系統(tǒng)的節(jié)能。建筑本身的節(jié)能要求我們必須發(fā)展低能耗建筑技術(shù)，我國應該立足國情加以選擇， 采用關(guān)鍵技術(shù)設備引進， 加速我國的節(jié)能建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。熱泵技術(shù)可以有效地實現(xiàn)供暖系統(tǒng)的節(jié)能，在實際運用中要根據(jù)各地的氣候特點和環(huán)境條件考慮到容易取得、投資少、無腐蝕、熱容量大、熱泵安裝使用方便、運行時工況穩(wěn)定等條件因地制宜來選擇熱泵的熱源并確定熱泵類型。將熱泵技術(shù)應用到低能耗建筑中，這在建筑節(jié)能領域，必將發(fā)揮越來越大的作用。 #暖通#
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