可再生能源在暖通空調系統中的應用分析

楊康

（中匠民大國際工程設計有限公司山西分公司，山西太原 030000）

0 引言

隨著我國能源供需矛盾的不斷加劇，為響應我國節能減排的號召，當前暖通空調設計需解決的問題是如何有效減少采暖和空氣調節的能耗。這不僅有利于我國的節能政策，而且也是推動建筑行業可持續發展的一項重要措施。2022 年4 月國家規范《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（GB 55015—2021）開始執行，將可再生能源作為強制性條文融入設計工作中也證明了國家發展可再生能源的決心[1]。國內外的研究者對暖通空調的各種節能方法及技術進行了深入研究，暖通空調的節能方法和手段也十分多樣化，將可再生能源應用到暖通空調系統中成為十分關鍵的技術之一。

1 當前能源狀況及發展可再生能源必要性

目前，世界能源仍以石化能源為主，煤炭、石油、天然氣等支撐著整個社會經濟的發展。隨著工業革命以來數百年的大規模開發利用，石化能正面臨資源枯竭、污染排放嚴重等現實問題。相反太陽能、風能、空氣能、地下水能、土壤能及生物能等可再生能源不僅總量豐富，而且低碳環保、可以再生，未來開發潛力巨大。

我國自改革開放以來經濟飛速發展，能源消耗也隨之急劇增長。我國目前能源主要以煤炭為主，其次以石油為輔，太陽能、風能等可再生能源所占比重很少，故在各行各業中充分利用可再生能源，逐步替代石化能源是我們的發展目標。可再生資源若大量開發，可有效解決目前國內的能源緊缺問題。因此大力發展新型、可再生能源，并逐步彌補其中不足，使其得到最大程度的發展，變的尤為重要。它的應用將有利于促進國民經濟和社會的可持續發展[2]。

暖通空調系統是為建筑功能服務的，旨在為不同功能的建筑提供不同的室內溫度、濕度、空氣潔凈度等。而要實現這些目的必然要消耗能源。例如，我國北方城市冬季需要供暖，保證冬季室內舒適溫度，目前大多采用燃燒石化能獲取熱量輸送至室內，此供暖方式消耗大量非可再生能源，且碳排放量巨大。如能改變此種供熱格局，采用清潔的可再生能源為北方地區冬季供暖，既能減少能耗也能減少排放，一舉多得。

與常規的非可再生能源比較，可再生能源不僅可以循環利用，而且適用范圍廣泛，不污染環境，清潔安全，能夠很好地緩解當前社會發展能源短缺的問題，推動社會經濟的可持續發展。因此可再生能源的開發和應用是現代城市發展的一個重大課題。

2 可再生能源在暖通空調系統中的應用策略

可再生能源包括風能、太陽能、水能（井水、河水、湖水、海水）、地熱能、空氣能、潮汐能、生物能等。目前常應用于暖通空調系統中的可再生能源包括太陽能（太陽能供暖、制冷、發電）、風能（自然通風系統、風力發電）、水能（水源熱泵系統、水力發電）、地熱能（土壤源熱泵系統）、空氣能（空氣源熱泵系統）、生物能（生物發電、生物燃料）等[3]。其中可再生能源發電后再利用于暖通空調系統屬于間接利用，其余可再生能源利用措施都可直接將這些能源應用于供暖或者空調系統中。

2.1 暖通空調系統中風能應用

在暖通空調系統中，風能的利用可以分成兩大類，一類是合理利用自然通風，另一類是通過風能發電再用于供暖、空調中。

首先，建筑在規劃設計階段應充分考慮當地各季節的風向及風力情況來布置建筑物朝向以及外窗設置情況，盡可能的使夏季天氣炎熱時利用自然風進行通風降溫，而非采用能耗較高的空調系統降溫。在空調系統設計中，經常會用到的一個節能措施是過渡季節停止制冷主機的運行，同時設計時考慮空氣處理機組全新風工況下運行，利用室外自然風的冷量和含濕量使室內達到需要的溫度和濕度，從而可以充分節約這一段時間的能耗。即使在某些地區，由于過渡季節的自然空氣制冷能力達不到室內的需求，必須通過制冷主機輔助供冷，即便如此，也節省了大量的能源消耗。

其次，當室內空氣污濁、有異味或有害時，盡可能采用開窗通風換氣方式，降低室內空氣中的污濁物或有害氣體含量，保證室內的空氣清潔，而非通過風機機械排風、補風來保持室內空氣清潔。還可以利用風壓、熱壓、煙囪效應等自然現象來設計室內通風系統，在不耗費能源的情況下解決通風問題。這些都是直接利用風來調節室內環境的措施。

風能發電正在逐步替代常規能源發電成為主要的發電形勢，它推動了我國能源結構優化和能源低碳化發展。風能發電后再利用于供暖或者空調系統中，亦屬于暖通空調可再生能源的利用。

2.2 暖通空調系統中太陽能應用

在暖通空調系統中，太陽能利用可分成主動式和被動式兩種類型。被動式太陽能利用沒有特殊的設施使用方式，其關鍵在于選用建材，并對室內的空間布置進行調控，使其在冬天能夠最大限度地利用太陽能熱，從而減小了采暖的能量消耗；在夏天，可有效減少日光照射，提高空調制冷系統的節能效果。此外，主動式利用還可以有效收集、儲存和分配太陽能，從而達到一個良好的室內條件。主動式供暖系統是指采用太陽能集熱器、風機、蓄熱設備、輔助熱源、管道和終端設備等構成的供暖系統。在供暖系統中，采用集中式的太陽能集熱器收集太陽能，通過管道及末端的散熱設備輸送至供暖房間，可以大幅度減少供暖所需的石化能源消耗。

除以上兩種方法之外，還可以將太陽能轉換成熱量，間接地將其用于采暖和空氣調節。①將太陽能轉換成熱量來作為制冷設備的制冷設備，例如，一臺由熱能發電的溴化鋰制冷系統，其工作原理就是通過熱量來實現，這就像是太陽能直接推動制冷系統運轉一樣。②將太陽能轉換成電力，供一些需要高質量電力來供電的場所使用。就拿熱泵來說，這種熱泵技術是一種比較先進、高效的技術，它是一種將低端的熱能通過電力或熱力輸送到更高溫度的熱能。此外，中央空調、半集中空調、多聯機空調、家用分體空調等也是通過電力來實現的。利用太陽能光電技術把太陽能轉換成電再進行供暖、空調，等于是間接利用于暖通空調系統。

2.3 暖通空調系統中空氣能應用

空氣能是一種取之不盡用之不竭的能源（既可從空氣中取熱，亦可向空氣中放熱）。空氣能熱泵是自室外空氣中提取熱量，既可制取生活熱水亦可用此熱水進行供暖，同時空氣能機組耗用少量電能等能源，此為從空氣中取熱過程。空氣能熱泵遵循逆卡諾原理，通過壓縮機運轉工作，利用制冷劑相變過程的放熱、吸熱規律，通過較少的電能吸收空氣中熱量來制取較多的熱能，空氣能熱泵技術目前已較為成熟且應用廣泛，如空氣能供暖空調、制取生活熱水等[4]。常規空調制冷為向空氣中放熱的過程，即利用了空氣中的冷量。空氣能空調機組是利用空氣能的主要設備，空氣能機組可實現制冷與制熱隨時轉換，即同一套機組同一個季節需要供冷時即可供冷，需要供熱時即可轉換為供熱工況。空氣能熱泵廣泛應用于無熱源地區建筑供暖，制取生活熱水。目前空氣能熱泵設備的COP 值越來越高，即消耗一定的電量、熱量等能源所制取的熱量越來越多。在暖通空調設計中應認真分析空氣能應用的可行性及經濟性，如能采用空氣能時可使用該系統取代純電采暖等耗能系統。近些年來國家大力推廣清潔供暖，很重要的一項措施便是空氣能供暖。對于偏遠農村，大都還是采用傳統的戶式燃煤爐進行供暖，不僅污染環境且能源利用率極低，但這些地區想要設置集中供暖系統難度較大，空氣能供暖卻很好的解決了這一難題。筆者即是空氣能供暖的受益者，故在此給大家做一些分析、參考。

2.4 暖通空調系統中地源熱泵應用

地球本身就是一個巨大提儲能體，其吸收太陽的光和熱并儲存于土壤中。地源熱泵技術的主要運行原理為通過技術與設備的支持，采集建筑物附近地層中的地熱資源，并用于建筑內部的供熱與制冷。暖通空調系統僅需消耗少量的電能，即可將地熱這種低品位熱能轉換為可以被我們利用的高品位熱能，用于建筑的供熱，大幅度地減少了供熱過程中能源的消耗。同時，在夏季建筑內需要制冷降溫時，地源熱泵系統也能夠吸取建筑內部空間釋放的熱量，完成制冷系統、余熱系統之間的功能性轉換操作，并將多余熱量向建筑周邊地層釋放，減少暖通空調制冷所需的能源消耗。地源熱泵通常采用地面以下敷設地埋管方式，故要求建筑周邊有足夠多的土壤面積埋設地埋管[5]。但是地源熱泵系統使用時需注意采取防漏保護措施，以防地源熱泵系統在長期使用中出現泄漏引發安全事故。地源熱泵系統對土壤季節熱平衡要求較為嚴格，夏季排入土壤內的熱量要與冬季從土壤中提取的熱量相當，否則會導致土壤冷、熱不平衡，使得地源熱泵系統在使用一定年限后效果變差甚至不能使用；另外地源熱泵系統水質經常受到污染導致系統運行不暢。所以在地源熱泵系統設計時應準確計算夏季冷負荷以及冬季熱負荷并校驗冬夏土壤熱平衡，才能使地源熱泵系統使用更加合理。

2.5 暖通空調系統中水源熱泵應用

水源熱泵技術類似于地源熱泵，水源熱泵可利用地表淺層水源如地下水、河流和湖泊水中吸收的太陽能和地熱能而形成的低位熱能資源，采用熱泵原理，即通過少量的高位熱能的輸入，把不能直接利用的低位熱能轉或為可以利用的高位熱能，從而達到節約部分高位能的目的。江河湖泊可以說是巨大的儲能體，夏季可將其中蘊含的冷量提取出來供至室內，冬季可將其中儲存的熱量提取出來進行供暖，且此冷熱源幾乎也是無窮無盡的。但水源熱泵應用條件受限，采用水源熱泵的建筑需要臨近地下水或地表水，距離過遠時利用此技術較為困難或代價太高。其次地表水或者地下水的水量要充足且水質較好，否則水源熱泵技術也無法正常運行或運行此系統代價過高[6]。

2.6 暖通空調系統中其他可再生能源應用

潮汐能是指海水周期性漲落運動中所具有的能量。其主要形式為由于水位差產生的勢能，以及潮水流動產生的動能。該能量可以被我們加以利用，且屬于可再生能源。暖通空調系統利用潮汐能主要是間接利用，潮汐能發電后供供暖空調系統使用[7]。

生物能是植物通過光合作用將太陽能儲存于生物體內的一種能量。暖通空調專業可以利用生物能作為供暖及空調系統的原動力，如農村可利用農作物秸稈、動物糞便作為燃料燃燒后制取熱水供給供暖系統，亦可用生物能發電后間接用于暖通空調系統中[8-9]。

暖通空調系統是建筑正常運行過程中的能耗大戶，應該采取各種節能措施來降低能耗，國家也接連頒布一系列節能規范及可再生能源相關規范來降低建筑能耗。我們在暖通空調設計工作中也應該盡可能的增加節能與可再生能源相關措施，如排風熱回收技術、蓄能技術、冷熱電三聯供技術等，為國家的節能減排政策做出貢獻。

2.7 加強新技術的研究、開發與推廣

每個人都可能是新技術的研究者、發明者及推廣者，在暖通空調設計時要勤于思考，善于發現，多學習本專業相關的新技術、新設備等以便將之應用于工程設計中。世界是廣闊無比的，還有很多我們未發現的自然規律及可再生能源，這些都等待著人們及后人去發現創造。對于暖通空調專業來說從最開始人們通過生火取暖，再到現在的各種復雜供暖系統；以及空調系統自發明至現在空調設備能效比越來越高、系統越來越復雜龐大，都是一代一代人不懈努力的結果。希望現代相關人員能站在巨人肩膀上再創輝煌。

3 結語

綜上所述，當今世界面臨著巨大的能源消費壓力，世界能源危機日益嚴重，發展新能源與可再生能源勢在必行。暖通空調作為人們生活、生產中不可缺少的一項內容，盡可能地利用可再生能源去滿足人的舒適要求及工業生產要求，能極大地節約能源，同時能保護環境。設計人員在暖通空調設計施工中要充分利用太陽能、風能、空氣能、土壤能、水能等新型可再生能源，推動可再生能源在建筑行業的發展，為世界為國家為當代人和后代創造一個更好的生活環境。