高效熱源技術(shù)在建筑暖通系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用

0 引言

隨著雙碳要求的逐漸科學(xué)化，提升暖通系統(tǒng)的能源利用效率已成為節(jié)能減排的重要課題。傳統(tǒng)供暖方式能耗較高，運(yùn)行成本較大。而高效熱源技術(shù)，如空氣源熱泵、地源熱泵及太陽(yáng)能供暖等，為建筑暖通系統(tǒng)提供了更為節(jié)能環(huán)保的選擇。

1高效熱源技術(shù)的基本原理與應(yīng)用

1.1空氣源熱泵技術(shù)及應(yīng)用

空氣源熱泵（AirSourceHeatPump，ASHP）是一種利用空氣中的低品位熱能，通過(guò)制冷劑循環(huán)，將熱量從環(huán)境空氣中吸收并傳遞至建筑內(nèi)部的高效供暖技術(shù)。其工作原理基于逆卡諾循環(huán)，利用壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器的相互作用，實(shí)現(xiàn)熱能的轉(zhuǎn)移。空氣源熱泵的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需地埋管道，安裝便捷，并可實(shí)現(xiàn)冬季供暖與夏季制冷的雙重功能。空氣源熱泵的性能通常用性能系數(shù)（CoefficientofPerform-ance，COP）表示，其計(jì)算公式為：

其中， Q_h 表示供熱量（ |kW ， W 為輸入的電功率 （kW） 。在常溫條件下，空氣源熱泵的COP可達(dá)3.0～4.0 ，即每消耗1kW的電能，可獲得 3～4kW 的熱能。但在極端寒冷的環(huán)境下，其能效有所下降，因此可搭配輔助熱源（如電輔熱或燃?xì)忮仩t）提升供熱能力。

1.2地源熱泵技術(shù)及應(yīng)用

地源熱泵（Ground SourceHeatPump，GSHP）利用地下淺層土壤或地下水的穩(wěn)定溫度（通常在 10% ～16^°C ），通過(guò)埋地?fù)Q熱管道或水井系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效供暖和制冷。相比空氣源熱泵，地源熱泵受外界氣候影響較小，運(yùn)行更穩(wěn)定，能效更高，適用于住宅、商業(yè)建筑和工業(yè)設(shè)施的暖通系統(tǒng)。地源熱泵的工作原理同樣基于逆卡諾循環(huán)，但其熱交換介質(zhì)為地下土壤或地下水。其供熱能力可由以下公式計(jì)算：

其中， Q 為熱量 （kJ） ， m 為流體質(zhì)量流量（ kg/σ s）， c_p 為流體的比熱容（ kJ/kg?K） ， ΔT 為流體的溫度變化（K）。地源熱泵的COP可達(dá)4.0～5.0，能效高于空氣源熱泵，但初始投資較高，需要合理設(shè)計(jì)埋管系統(tǒng)以確保長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.3太陽(yáng)能供暖技術(shù)及應(yīng)用

太陽(yáng)能供暖技術(shù)利用太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為熱能，并通過(guò)儲(chǔ)熱系統(tǒng)和管道輸送至建筑內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)供暖功能。該技術(shù)主要包括太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、太陽(yáng)能地暖系統(tǒng)和太陽(yáng)能-空氣源熱泵復(fù)合系統(tǒng)，適用于日照充足的地區(qū)。太陽(yáng)能供暖的核心是集熱效率，其計(jì)算公式為：

其中， η 為集熱器效率， Q 為集熱器吸收的熱量（W）， G 為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（ W/m² ）， A 為集熱器的有效受光面積 （m² ）。一般情況下，平板式太陽(yáng)能集熱器的效率約為 40%～60% ，真空管式可達(dá) 60% ～

80% 。為了提升穩(wěn)定性，需配套儲(chǔ)熱水箱或與其他熱源（如空氣源熱泵）聯(lián)合運(yùn)行，以彌補(bǔ)夜間或陰雨天供熱能力的不足。

2熱源技術(shù)在建筑暖通系統(tǒng)中的優(yōu)化配置

2.1復(fù)合熱源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

復(fù)合熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)以匯聚多種熱源優(yōu)勢(shì)為初衷，為提升建筑暖通系統(tǒng)綜合能源利用效率與穩(wěn)定性，常見(jiàn)的復(fù)合熱源方案采用空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t聯(lián)合，地源熱泵與太陽(yáng)能供暖協(xié)同，同樣采用多能互補(bǔ)的區(qū)域供熱樣式。在一處總建筑面積達(dá) 10，000m² 的商業(yè)建筑集聚地帶內(nèi)，采用地源熱泵（ COP≈4.5 ）與太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)（效率約 70% ）同步運(yùn)行，冬季開(kāi)展供暖時(shí)可削減 40% 的電力耗費(fèi)。在北方低溫寒冷區(qū)域，單一空氣源熱泵在溫度達(dá)到 -15^qC 以下后能效變差，與燃?xì)忮仩t結(jié)合在一起可強(qiáng)化低溫供暖保障效果，讓室內(nèi)溫度穩(wěn)定在 20% 以上。在處于高峰負(fù)荷時(shí)段的情況下，復(fù)合系統(tǒng)可按需對(duì)熱源進(jìn)行更替，在光照充足的白天依靠太陽(yáng)能，進(jìn)入夜間時(shí)段轉(zhuǎn)換由熱泵輸送穩(wěn)定熱量，以此方式可優(yōu)化能源利用水平，降低能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用[1]

2.2智能控制技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)代建筑的暖通系統(tǒng)借助智能控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)熱源調(diào)控，負(fù)荷預(yù)估及運(yùn)行增效，以此增進(jìn)系統(tǒng)能效綜合水平；同時(shí)也可借助物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和人工智能（AI）技術(shù)實(shí)施暖通系統(tǒng)的智能管理。例如，在一處高層住宅聚集群落，智能控制系統(tǒng)安裝完成后，通過(guò)對(duì)室外氣溫、室內(nèi)溫濕度及用戶需求的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)行分時(shí)段管控，實(shí)現(xiàn)了供熱效率提高約15% 的效果。在辦公大樓里面，采用AI技術(shù)為驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)，可參照歷史能耗數(shù)據(jù)對(duì)供熱計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，削減非必要的能源消耗，智能控制系統(tǒng)可使建筑整體能耗降低 10%～25% 。就能耗降低的結(jié)果而言，智能閥門控制、熱泵調(diào)度優(yōu)化及熱網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)占比分別是 7% 、 9% 和 6% 。

2.3儲(chǔ)能技術(shù)的配合使用

將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用進(jìn)建筑暖通系統(tǒng)，有益于平抑能源峰谷的起伏波動(dòng)，優(yōu)化能源利用方案，同時(shí)確保熱源供應(yīng)的平穩(wěn)。常見(jiàn)的儲(chǔ)能方式包括水電蓄熱、電蓄能與相變儲(chǔ)能等樣式。在某一地鐵站暖通系統(tǒng)里，采用大型水蓄熱裝置，其容積為 5000m³ ，該裝置可在夜間電價(jià)較低的時(shí)段把熱能儲(chǔ)存起來(lái)，在白天用電高峰、電價(jià)較高的時(shí)段釋放，降低電力成本可達(dá)約20% 。相變儲(chǔ)能材料的應(yīng)用實(shí)施，以采用熔點(diǎn)為45% 的相變材料為例，其可高效地對(duì)熱量進(jìn)行吸收與釋放，實(shí)現(xiàn) 15% 的供熱效率增長(zhǎng)。此外，還有北京某商業(yè)綜合體裝配的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部搭建了一個(gè) 500m³ 的蓄熱水箱，其蓄熱能力可保證連續(xù)陰天3天的情況下穩(wěn)定供熱，且室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍未超出 ±2% 的限度。

3熱源技術(shù)在建筑暖通系統(tǒng)中的優(yōu)化策略

3.1優(yōu)化系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

對(duì)于高效熱源技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)結(jié)合建筑暖通系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)熱源彼此的高效協(xié)同互動(dòng)，提高系統(tǒng)能效與運(yùn)行的穩(wěn)定。要實(shí)現(xiàn)這類優(yōu)化，關(guān)鍵是精準(zhǔn)選定熱源類型，完善能源結(jié)構(gòu)，同時(shí)還需依據(jù)建筑自身的負(fù)荷特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)統(tǒng)籌。例如，在一處整體建筑面積為 50，000m² 的綜合屬性空間里，采用空氣源熱泵與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的模式，可實(shí)現(xiàn)全天不間斷供熱，并且可以讓電能消耗減少30% 以上。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)依據(jù)既定優(yōu)先順序開(kāi)始運(yùn)行，制備熱水后直接用于采暖；空氣源熱泵在夜間或陰天進(jìn)行工作，對(duì)熱量供應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)缺。

系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的優(yōu)化同樣牽扯到熱源合理配置和能源調(diào)度。例如，某套地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)用垂直埋管的換熱方式，管道埋入的深度達(dá) 100m ，倘若采用垂直埋管形式，其換熱效率比水平埋管增加 40% 。在機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)等大型公共建筑的范圍里，可采用廢熱回收措施，將空調(diào)排出的廢熱回收后再利用到生活熱水和采暖需求上，從而促進(jìn)整體能源利用水平的提升。實(shí)施集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，可做到不同熱源彼此互補(bǔ)，避免了單一熱源的局限性，增進(jìn)了建筑暖通系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[2]。

3.2智能控制技術(shù)的應(yīng)用

將現(xiàn)代建筑暖通系統(tǒng)與智能控制技術(shù)進(jìn)行融合，可實(shí)現(xiàn)熱源的動(dòng)態(tài)變換與負(fù)荷提前判斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效提高。智能控制技術(shù)涉及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及人工智能（AI）算法優(yōu)化等內(nèi)容，利用大數(shù)據(jù)開(kāi)展能耗分析與預(yù)測(cè)，應(yīng)用智能控制技術(shù)總體可使暖通系統(tǒng)的綜合能耗減少 10%～25% 。

以某智能辦公樓為例，其暖通系統(tǒng)裝有一套智能控制平臺(tái)，用于實(shí)時(shí)采集室內(nèi)外溫濕度、 CO₂ 濃度、用戶需求與能源價(jià)格數(shù)據(jù)，同時(shí)借助AI算法實(shí)現(xiàn)熱源運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)化。在非工作狀態(tài)的夜間，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將供暖溫度縮減 2^°C ，每月可削減能源消耗達(dá)到 15% 。采用負(fù)荷提前判斷技術(shù)，可預(yù)測(cè)和分析未來(lái)天氣變化和人員活動(dòng)情形，實(shí)時(shí)把控?zé)嵩摧敵觯岣吖┡珳?zhǔn)度及節(jié)能水平。若AI分析認(rèn)定未來(lái) 24h 氣溫呈降低趨勢(shì)，系統(tǒng)會(huì)提前擴(kuò)大熱源的承載范圍，降低由突發(fā)供暖需求引發(fā)的能源消耗浪費(fèi)。

區(qū)域能源管理是智能控制技術(shù)的另一主要應(yīng)用范疇。例如，在智慧社區(qū)中，采用分布式智能熱網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)把握多個(gè)建筑的供暖需求，對(duì)不同熱源的運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行合理分配，讓系統(tǒng)整體能效提高20% 。依靠智能終端設(shè)施，用戶可借助手機(jī)App對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，達(dá)到用戶個(gè)性化的采暖需求。同時(shí)，也可得到精準(zhǔn)的能源消耗分析報(bào)告，從而引導(dǎo)用戶削減能源的消耗量。

3.3節(jié)能改造與政策支持

從現(xiàn)有建筑暖通系統(tǒng)的角度，實(shí)施節(jié)能改造可增進(jìn)能源利用效率，降低運(yùn)行花銷。節(jié)能改造措施主要采用替換高效熱源設(shè)備、調(diào)整管道布局、強(qiáng)化建筑保溫等方式。例如，在一座2000年落成的老舊辦公樓里面，用空氣源熱泵替代傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t，并對(duì)管道熱損失進(jìn)行調(diào)節(jié)與優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)供暖能耗 35% 的降幅。

在工業(yè)建筑范圍，節(jié)能改造同樣有很明顯的效果。例如，某工廠初建時(shí)采用的是燃煤鍋爐作為供暖方式，其運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高，環(huán)境破壞性大。若將其改造為借助地源熱泵和廢熱回收聯(lián)合的采暖系統(tǒng)，便可達(dá)到能源利用率提高 30% 的效果，每年可節(jié)省電費(fèi)200萬(wàn)元以上。提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能，例如優(yōu)化外墻保溫材料，安裝高規(guī)格窗戶，改造屋頂?shù)龋瑯涌蓸O大降低建筑的采暖負(fù)荷。例如，某居民改造項(xiàng)目，按照最新建筑規(guī)范的要求進(jìn)行外墻保溫升級(jí)后，建筑采暖能耗降低了約 20% 。

高效熱源技術(shù)推廣的核心驅(qū)動(dòng)力是政府的政策支持。多地對(duì)高效熱源技術(shù)實(shí)施鼓勵(lì)性政策，諸如為高效熱源設(shè)備發(fā)放補(bǔ)貼，實(shí)行可再生能源應(yīng)用稅收優(yōu)惠，推動(dòng)超低能耗建筑財(cái)政獎(jiǎng)勵(lì)舉措等。在北方某城市，政府對(duì)采用空氣源熱泵的新建和改建項(xiàng)目給予30% 的設(shè)備購(gòu)置資金補(bǔ)貼，并對(duì)前5年運(yùn)行電費(fèi)給予

20% 的扣減，引導(dǎo)高效熱源技術(shù)大規(guī)模推廣鋪開(kāi)。

因碳排放政策的引領(lǐng)，為推廣建筑暖通系統(tǒng)的節(jié)能改造，諸多部門和地區(qū)制定了建筑能耗額度標(biāo)準(zhǔn)，并大力推動(dòng)企業(yè)采用節(jié)能技術(shù)以減少碳排放。在部分省份和區(qū)域，其范圍內(nèi)所有新建建筑必須使用 30% 綠色電力，優(yōu)先采用高效的熱源技術(shù)，諸如地源熱泵、太陽(yáng)能供暖、儲(chǔ)能技術(shù)等。

3.4用戶參與和節(jié)能管理

增進(jìn)用戶對(duì)高效熱源技術(shù)的認(rèn)知水平，倡導(dǎo)節(jié)能管理理念，能有效推動(dòng)建筑暖通系統(tǒng)開(kāi)展節(jié)能工作。引導(dǎo)用戶參與的關(guān)鍵是給出直觀的能耗分析數(shù)據(jù)，并利用智能終端引導(dǎo)用戶改進(jìn)用能手段。例如，智能熱計(jì)量系統(tǒng)安裝完畢后，住宅的住戶可以憑借智能手機(jī)實(shí)時(shí)掌握自家的能耗，并依照節(jié)能建議對(duì)供暖相關(guān)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，可降低家庭每年取暖費(fèi)用。

在商業(yè)建筑業(yè)態(tài)中，節(jié)能管理策略同樣意義重大。例如，大型商場(chǎng)針對(duì)營(yíng)業(yè)時(shí)間的供暖策略予以優(yōu)化，在客流低谷時(shí)段降低空調(diào)功率，客流高峰時(shí)段恢復(fù)空調(diào)功率，每年便可節(jié)約以萬(wàn)元為單位的開(kāi)支。憑借對(duì)用戶行為數(shù)據(jù)的分析，可制定出針對(duì)不同狀況的個(gè)性化節(jié)能方案。從酒店運(yùn)營(yíng)的角度分析，可利用智能暖通管理系統(tǒng)根據(jù)入住率的變化更改空調(diào)模式，實(shí)現(xiàn)全年空調(diào)能耗下降。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高效熱源技術(shù)在建筑暖通系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅能夠降低能源消耗，提高供暖效率，同時(shí)也符合綠色建筑與低碳發(fā)展的趨勢(shì)。研究表明，通過(guò)合理配置復(fù)合熱源系統(tǒng)，應(yīng)用智能控制技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)，可有效提升采暖系統(tǒng)的運(yùn)行效率。優(yōu)化建筑暖通系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，結(jié)合政策支持與用戶節(jié)能管理，將進(jìn)一步推動(dòng)高效熱源技術(shù)的廣泛應(yīng)用。未來(lái)，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新與智能化集成，從而實(shí)現(xiàn)建筑暖通系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定與可持續(xù)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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