新型清潔能源

摘要：作為一種新型的清潔能源，空氣能具有良好的發展潛力，由于其在建筑中的應用仍處于起步階段，因此存在許多亟待解決的問題。本文主要以空氣能熱泵技術為主要研究對象，依托某實際工況，討論了空氣能熱泵技術原理、一體化設計原則、系統選擇及施工工藝要求等方面問題，確定了空氣能技術與建筑一體化應用中主機安裝、主機基礎架高、水泵循環系統以及施工過程中工程準備、設備安裝、控制系統和后續收尾等關鍵技術環節方面的技術要求，為空氣能與建筑一體化應用技術的推廣提供了理論支撐。

關鍵詞：清潔能源；空氣能；建筑；一體化設計；空氣能熱泵

中圖分類號：TU2"""" """""" 文獻標志碼：A"""""""" """""" """""文章編號：

New Clean Energy：Research on Application Technology about the Integration of Air Energy and Building

Abstract： As a new type of clean energy， air energy has good development potential， but the application of it in the building is still in the initial stage， and there are many urgent problems to be solved. This paper mainly with air energy heat pump technology as the main research object， relying on an actual condition， put forward the air energy heat pump technology principle， integrated design principle， system selection and construction technology requirements， they are determined that the key technical aspects such as main engine installation， main engine foundation frame height， water pump circulation system， engineering preparation， equipment installation， control system and subsequent ending in the integrated application of air energy technology and building， for the air and building integration technology to provide theoretical support.

Keywords： clean energy; air energy; building; integration design; air energy heat pump

1 概述

據專家預測，到2060年，太陽能和其他可再生能源將替代石油和煤炭，逐漸成為世界能源的主角，全球可再生能源的用量將發展到能源總用量的50%以上，成為未來能源結構的主要部分。采用新能源是保護生態環境，走可持續發展道路的重要措施，也是當今人類朝向居住生活復合型能源供應發展的主要趨勢[1]。2020年9月22日，中國在第75屆聯合國大會上正式提出2030年實現碳達峰，2060年實現碳中的“雙碳”戰略目標，要實現這一目標，必須以科技創新為先導。黨的二十大以來，把美麗中國建設，節約集約，綠色低碳發展，推進生態優先，作為經濟社會綠色化、低碳化高質量發展的關鍵環節。發展綠色建筑，開發清潔能源的有效利用已刻不容緩，要全面推行綠色建筑，除了需要政策上的支持和保障，還應有完善的理論和技術作為支撐才能順利實現。

太陽能、風能、空氣能等清潔能源的有效利用是實現“雙碳”目標的重要措施之一，也是當今全球開發新型清潔能源供應的主要趨勢[2]。在建筑領域中，空氣能作為一種新型可再生清潔能源正在成為當今前國內外研究的主要方向之一[3]。空氣能應用理論及應用實踐方面存在諸如低溫下運行的狀態差、持續運行的穩定性不佳、市場產品質量參差不齊等亟待解決的問題。因此，在推廣綠色低碳建筑過程中，如何有效地應用空氣能成為關鍵問題。本項目正是基于上述實際需要，并結合東北地區特有氣候條件、自然條件和民族特色，從空氣能與建筑一體化角度開展研究，旨在實現空氣能在建筑中的有效應用，并積極促進改善低溫下運行狀態、提升持續運行穩定性及優化產品質量等方面效果。同時，該項目還將為清潔能源在綠色建筑領域地應用提供必要的技術支撐[4-6]。

2 空氣能應用技術原理

空氣能與建筑一體化應用技術主要包括供熱水、供暖和制冷。目前本課題組已經初步實現了三聯供技術。本文重點闡述了建筑中空氣能熱泵技術的應用，這是當今最具發展潛力的清潔能源技術之一，實現其與建筑一體化將節約大量能源。

空氣能熱泵技術基于逆卡諾循環原理，可以消耗更少的電能來驅動壓縮機工作，從室外空氣中吸收大量的低品位熱能，以制冷劑（R410A環保制冷劑）為載體，把從室外空氣中吸收的大量低品位熱能及消耗的電能一起轉換成高品位的熱水中的熱能。該技術具有能耗較低，但效率較高的特點，且無廢氣排放。實際上，所吸收的大量低品位熱能來自太陽能[7]，屬于可再生的清潔能源[8-9]，工作原理見圖1。空氣能熱泵消耗1 kW·h電產生的熱量，相當于傳統設備3 kW·h～4 kW·h電所產生的熱量 [10]。

3 空氣能熱泵系統一體化設計原則

在建筑設計階段，空氣能熱泵系統與建筑一體化設計應從建筑、結構、水暖、電氣等各個專業出發，協調考慮技術條件并提前進行配合。主要涉及主機安裝位置、基礎、系統選擇等環節，尤其是主機位置設置和基礎形式對于實現最高效地空氣轉換成能量至關重要。本文以吉林省長春市某高校的項目為例進行分析，其基本情況見表1。

3.1主機安裝位置

為了滿足能量轉化和使用需求，經過大量的實踐和測試，主機安裝應滿足以下要求：①提供足夠的安裝和維護空間；安裝位置應便于安裝維修管道和電氣連接；若安裝在屋頂上，則需要增加防臺風及防雷電措施；并設立冬季防雪棚；②確保進出風口暢通無障礙；機組安裝在通風良好且能承受其重量的地方，可以水平安裝且不會產生額外噪聲或振動；并確保運行時排出的空氣不影響鄰居，避免可燃氣體泄漏；③周圍設置排水道以排除冷凝水；④避免控制面板安裝在浴室內，以免潮濕影響機組正常工作；同時，在機組周圍應預留足夠空間，如圖2所示。

3.2 主機基礎架高要求

空氣能熱泵主機基礎的形式及是否需要架高，需要進行風場的模擬分析。不同的產品需結合地理位置進行核算。依據工程實際工況經測試分析，項目風場見圖3，建筑物風場見圖4。

從測試結果中提取無架高無風和架高無風時的陣列速度場，如圖5～圖6所示；架高無風時氣流矢量圖和底部溫度圖分別見圖7～圖8。

從圖5～圖8的模擬結果中可以看出，架高后底部空域新風得以補充到陣列流場中，有效緩解了陣列的氣流短路現象，使整個陣列流場更均勻。下方新風補充進陣列，也有效改善了陣列中心冷島現象。根據測算表明，當空氣流速控制在2.5 m/s以內，并且保持空氣能熱泵間距≥1.2 m的條件下，架空高度僅需考慮排水要求（600 mm～800 mm）。根據風場及荷載情況進行基礎設計時，可采用混凝土或者工字鋼（或槽鋼）作為基礎材料（見圖9～圖10）。如果安裝在屋頂上，則需充分考慮屋面結構設計中的荷載和支座構件處的防水處理。

3.3 系統選擇

不同的系統具有不同的特點，可以根據項目的具體特點和使用要求選擇最適合的系統。主要系統名稱及特點見表2。

循環水泵根據《實用供熱空調設計手冊》（第二版），依據實際造價情況選取，但水泵流量需滿足計算要求。緩沖水箱具有緩沖、儲存、高效除霜、自動排氣、清潔、多能源互補等功能。在安裝緩沖水箱的系統中，熱泵加熱的水儲存在水箱內，通過感溫探頭控制系統啟停，減少機組的工作負荷及開啟頻率，以延長機組壽命并滿足不同時段的供熱需求，而在冬季除霜時，因水箱內已有一定溫度，可短時間內完成化霜工作，同時避免了因為主機除霜造成的室內溫度波動，對于穩定系統終端，效果明顯；緩沖水箱同時可以釋放冷凍水的運行壓力，可避免系統啟動壓力保護，使機組頻繁啟停導致末端忽冷忽熱。根據《實用供熱空調設計手冊》（第二版）計算系統化霜維持舒適度所需最小水容量VC，計算結果見表3。

水系統中管內水流速、流量按表4中的推薦值選用，經試算來確定其管徑。最終確定的空氣能熱泵冷暖機系統，如圖11所示，空氣能熱泵主機及設備房布置如圖12所示。

4 設備施工安裝工藝

整體的設備施工安裝工藝主要包括4大主要部分，詳見圖13。

空氣能體系的現場施工安裝工藝應符合如下要求：①安裝場地應當符合相關規定要求，并有良好的空氣通風條件。②空氣能熱泵安裝位置：在空氣能熱泵正常運行情況下，其周邊應當有足夠的空間。安裝地點應當平整，且可承受空氣能熱泵的重量。③空氣能熱泵運行噪音控制：空氣能熱泵的安裝位置應當考慮降低噪音和振動的影響。④設備安裝：安裝前必須仔細檢查空氣能熱泵各個部件的完好性和緊固性，且符合相關標準要求。⑤應在空氣能熱泵進水口、出水口和水系統相連處安裝閥門，以便于日后設備的常規維護，并防止拆卸設備時因水流引起的問題。⑥閥門在搬運時不允許隨手拋擲，以免損壞。批量閥門堆放時，應根據規格和型號進行分類堆放。禁止碳鋼閥門、不銹鋼閥門和有色金屬閥門混合堆放。⑦閥門吊裝時，鋼絲繩應拴在閥體的法蘭處，切勿拴在手輪或閥桿上，以防閥桿和手輪扭曲或變形。⑧對于空氣能熱泵的線路和電氣系統，應確保良好的接地連接，以保護電氣設備的安全性等。

5 結論

根據本文所進行的項目分析，可以得出如下結論。

1） 空氣能是把從室外空氣中吸收的大量低品位熱能以及消耗的電能一起轉換成高品位的熱水中

的熱能。且具有能耗低、效率高及無廢氣排放的特點，其所吸收的大量低品位熱能實際上來自太陽能，屬于一種可再生的清潔能源。

2） 空氣能在建筑中的有效利用需要進行一體化設計，考慮風場情況，選擇最適合的主機位置、

基礎形式及系統，并且進行準確的計算，方可實現預期效率。

3） 在施工過程中，必須嚴格遵守各項規定，以確保設備安全運行，并取得最佳效果。

總之，空氣能是近年來新興的新型清潔能源，在市場潛能和發展前景方面具有較好的優勢。考慮到東北地區的特點，實現與不同建筑風格的融合，真正實現空氣能與建筑一體化，大幅提高體系低溫運行穩定性和產品質量，必將推動空氣能的廣泛應用。此外，可替代傳統能源，減少污染物的對外排放，起到保護生態環境的作用。因此，空氣能的開發和利用具有更加廣闊的前景和意義。

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