可再生能源在暖通空調系統中的具體應用分析

張朦靜，賈玲玉，韓好許

（黃河交通學院，河南 武陟 454950）

在建筑工程領域，暖通空調系統能耗一直在建筑能耗中占據較大比例。而且隨著我國經濟快速發展，城市建設也日趨成熟。由于人們對美好生活的需求，暖通空調走進千家萬戶，走進各種辦公樓，綜合建筑。給人們帶來了舒適的環境，同時帶來的還有巨大的能源消耗。這使得暖通空調能耗問題日益突出。為了響應國家節能減排政策，也為了緩解日益增長的能源需求和能源緊張之間的矛盾，降低暖通空調系統能耗的問題亟待解決。這對于實現建筑節能具有重大意義，也是繼續實現綠色建筑，以及未來綠色城市的重要舉措。而實現暖通空調系統的節能和措施多種多樣，國內外研究學者分析了各種各樣的關于暖通空調系統的節能措施和技術[1-4]。其中可再生能源在暖通空調系統的應用就是一個重要的技術措施。因為當前使用的能源基本上是不可再生能源，如，天然氣、石油等。因此，可再生能源的應用就顯得十分重要。

1 可再生能源

可再生能源主要是指風能、太陽能、水能（井水河水、湖水、海水）、潮汐能、地熱能（主要指土壤能）和生物質能等。可再生能源的大力發展緩解了我國能源緊張的現狀，且可再生能源可循環使用，應用范圍較廣，能源清潔，不污染環境，可促使我國經濟社會可持續發展[5]。

2 可再生能源在暖通空調系統中的具體應用形式

暖通空調系統更具體地細分為供熱系統，通風系統，以及空調系統。這些系統中都可以用可再生能源代替原來的不可再生能源，但是由于系統形式不一樣，可再生能源的應用部位和形式也不一樣，本文將從可再生能源的種類來研究每種可再生能源在暖通空調系統中的具體應用方式。

2.1 風能具體應用形式

風能在暖通空調系統中的應用可以分為兩部分，一部分是通風系統，一部分是空調系統。在通風系統中，利用熱壓和風壓的原理，可用自然風解決通風問題。通風換氣系統可以稀釋環境空氣有害物質濃度，保障空氣質量干凈衛生。若不利用潔凈的自然風，還需要采用機械送風的方式去輸送干凈衛生的空氣供通風系統使用。在空調系統中，自然風在過渡季節具有天然冷量，根據地域不同，有些地方的過渡季節自然風冷量可直接滿足室內設計溫濕度要求，就可以完全節省這部分空調消耗能源。有些地方過渡季節自然風冷量無法直接滿足室內要求，需要額外補充冷量來滿足，即使這樣，也節約了很大一部分能耗。

2.2 太陽能具體應用形式

太陽能在暖通空調系統中的應用主要分為主動式和被動式[5-8]。被動式的應用無具體的設備利用形式，主要依靠建筑材料的選擇和內部空間布局的控制，在冬季充分利用太陽能輻射供暖，減少熱量損失，降低供暖能耗；在夏季減少太陽輻射和室內冷卻設備，降低供冷能耗。還可以有效地收集、儲存和分配太陽能，使室內環境舒適[6]。

主動式的應用是指利用太陽能集熱器、風機、蓄熱裝置、輔助熱源、管道及末端裝置等物理元件組成一種供熱系。應用在暖通空調系統中主要是采暖系統，比如利用收集的太陽能供熱的地板輻射系統和熱水供應系統，就可以大大降低采暖需要的能耗。

除了上述兩種方式太陽能轉化為熱能可直接應用于暖通空調系統外，還可以間接利用太陽能的能量應用于暖通空調系統，也有兩種方式。一種是利用太陽能轉化為熱能驅動制冷機工作產生冷量供應給建筑使用，比如利用熱能驅動的溴化鋰吸收式制冷機，它就是利用熱能驅動工作的，相當于太陽能間接地驅動了制冷機工作。另外一種是利用太陽能轉化為電能，用于某些需要高品位電能驅動空調采暖制冷設備工作的地方。比如熱泵系統，熱泵系統已經應用的非常成熟有效，是利用高位能（一般為電能）使熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的節能技術。還有常見的中央空調系統、半集中式空調系統、多聯機系統、家用分體空調系統等，都需要電能的輔助才得以運行。用太陽能光伏發電技術將太陽能轉化為電能，就相當于太陽能間接地使用于暖通空調系統。

2.3 水能具體應用形式

水能在暖通空調系統中的應用最廣。水受氣溫的影響很少，水溫相對穩定，在暖通空調系統中的應用主要是作為冷熱源的提供者。比如現在應用已經十分廣泛的各種各樣的水源熱泵系統，如圖1所示，已經為眾多建筑物提供熱量和冷量，節約了大量能耗。需要注意的是，水作為冷源對水資源的利用僅限于熱量轉換。這里的水指的是江、河、湖泊、地下水以及城市污水等各種水資源。在使用過程中嚴格限制對水資源進行處理，保證水資源干凈衛生，才是可再生能源。

圖1 水源熱泵系統應用演示圖

2.4 潮汐能具體應用形式

潮汐能在暖通空調系統中的應用屬于間接應用，無直接的具體利用形式。目前我國對于潮汐能的利用主要運用于潮汐發電這一方面，在沿海國家利用潮汐能發電供給暖通空調系統作為高品位能源使用，比如利用少量電能驅動的熱泵技術，為建筑物提供冷量和熱量，相當于潮汐能間接地應用于暖通空調系統，也節約了能耗。

2.5 地熱能具體應用形式

地熱能在暖通空調系統中的應用具體形式有兩種。一種是地源熱泵系統[3，5-6]。暖通空調中的地源熱泵系統，是指利用地下土壤資源的蓄熱能力，將暖通空調系統吸收的室內熱量通過地源熱泵傳輸到地下。熱量交換的介質是土壤和水。在冬季，把土壤的熱量轉到地上室內建筑物內；在夏季，將地下土壤的制冷量轉移到地上室內建筑物內，形成冷卻和加熱循環系統，達到節約能耗的目的。

一種是地道風系統[9]。應用原理演示如圖2所示。暖通空調中的地道風系統和地源熱泵系統的利用形式是一樣的，都是利用土壤源熱能。利用土壤的蓄存能量，為建筑物提供維持室內熱濕環境所需的冷熱量[10]。例如，夏季室外高溫空氣流經地道，空氣被冷卻，由送風系送入室內，為室內提供涼爽的空氣。冬季室外低溫空氣流經地道，空氣被加熱，由送風系統送入室內，保證室內溫暖的環境。無論是地源熱泵系統還是地道風系統，由于利用了土壤的能量，就降低了暖通空調系統的能耗。

圖2 地道風系統應用演示圖

2.6 生物質能具體應用形式

生物質能是世界第四大能源，也是清潔能源。生物質能主要是由自然界中有生命的植物將前期儲存的太陽能轉化為能夠被人類所使用的能量[11]，屬再生能源。自然環境中分布有大量的生物質，種類十分豐富。根據其來源不同，可將生物質能分為林業資源、農業資源、生活污水和工業有機廢水、城市固體廢物以及畜禽糞便五類[12]。其特點是，儲存量豐富，產量大，清潔低污染，可再生。持續研究生物質能的應用，發掘其潛在的優勢，可實現我國低碳和可持續發展的要求。

雖然生物質能儲量豐富，來源廣泛，但在目前暖通空調系統中的應用比較少。主觀原因是對生物質能的認識不足，長期未重視，甚至還限制其發展。除此以外，生物質行業標準體系尚待完善；監管難度大，部分地方存在畏難情緒，部門協調仍需加強；發展責任主體需進一步明確，支持政策有待創新。客觀原因包括：生物質供暖價格偏高，生物質清潔供熱在我國還沒有形成規模化應用。因為生物質能分布較分散，收集和轉化利用存在不同程度的困難。

在現階段我國生物質能發展的現狀下，在暖通空調系統中的應用包括采暖供熱系統和空調系統。在采暖供熱系統中的應用主要是通過熱電聯產集中供熱來實現生物質能的清潔供熱這是當前生物質供熱的主要方式，主要用于城鎮的清潔供暖。還可以通過生物質鍋爐供熱、生物質爐具供熱這兩種供熱方式，主要用于小規模住宅建設和環境空曠，以及供熱管網基礎修建十分薄弱的北方農村地區。除了在建筑中供熱，還可以應用于大棚中[13]。相關研究提出一種可以用生物質能為大棚供熱的系統，該系統主要原理是用生物質鍋爐將生物質能轉化為熱能以維持大棚內的適宜溫度。該系統不僅實現對大棚溫度的調控，還節約了能源，為以后生物質能在溫室大棚中的應用提供了很好的借鑒意義。在空調系統中的應用與太陽能的應用比較類似。直接應用的方式為：通過生物質能轉化為熱能驅動溴化鋰吸收式空調系統來維持室內的溫濕度環境。間接應用方式為：利用生物質能發電技術，再利用電能驅動電制冷壓縮機進行制冷，可廣泛用于住宅、辦公、綜合建筑中。

生物質能發展前景十分廣闊，因其種類繁多，特點各異，可多元化發展。目前發展方向有電、熱、炭、氣、油等。生物質能用于各行各業促進我國經濟的發展。在暖通空調領域我們也應該緊跟時代步伐，充分利用生物質能作為可再生能源的優點。未來我們的研究方向就是如何非單一地應用生物質能，而是資源整合利用。將生物質能與其他可再生能源聯合運用，可以在綜合能源系統中發揮削峰填谷的作用，可以最大限度最高效地應用清潔能源，生物質能作為儲存量巨大、還未被充分發掘的資源，是最有強有力的能源支撐。還可促進其他可再生能源的發展。比如：太陽能和生物質能聯合互補應用[14-15]。

雖然生物質能的發展依然存在一些問題，但生物質能的能源戰略地位依舊非常重要，我們也一直在克服技術難題，大力去發展生物質能。生物質能在暖通空調中的應用目前有三種應用路線。第一種是生物質能轉化為清潔熱能直接供給暖通空調系統使用。第二種是生物質能轉化為電能間接驅動暖通空調系統運行。第三種是生物質能和其他能源綜合利用實現熱電聯產，可同時轉化為熱能與電能。預計“十四五”期間，我國生物質發電行業將穩步增長，生物質清潔供熱快速發展，有望實現商業化和規模化發展。

3 結束語

本文分別介紹了不同種類可再生能源在暖通空調系統中的應用形式。能源的應用主要分兩種情況：一種是直接轉化應用，一種是間接轉化應用。甚至個別可再生能源之間可以實現聯合轉化使用，有很多種組合和形式。能源日益緊張與需求日益增長，暖通空調系統的節能還擔負著整個建筑節能的重要責任，可再生能源的應用對于解決上述矛盾就十分重要。可再生能源的應用亦符合我國低碳城市的發展需求，具有重要戰略意義，也值得我們在今后探索能源轉型路上持續關注和研究。

我們應繼續加強對可再生能源在暖通空調系統中應用形式的研究，結合我國地域遼闊的現狀，充分發揮當地能源的特點，因地制宜，合理利用。使得可再生能源如：風能、太陽能、水能、潮汐能、地熱能及生物質能充分發揮優勢，為我國的節能減排貢獻力量，實現祖國可持續發展的長遠目標。