北京建筑大學      馮碩   李德英

摘   要：隨著人類社會的發展和人民生活水平的提高，環境污染和能源短缺的問題也愈發嚴重。具有實現節能減排效果的熱泵技術和低能耗建筑在這種大背景下備受關注。本文對低能耗建筑以及熱泵技術進行簡單介紹，對空氣源熱泵、地源熱泵和水源熱泵對建筑節能的作用進行分析，并總結和分析了國內外專家學者的研究現狀，為完善熱泵技術在低能耗建筑中的應用打下了堅實的基礎，以期促進熱泵技術的發展。

關鍵詞：熱泵；低能耗建筑；節能減排

       0   引言

       我國目前是世界上經濟發展最快的國家之一，能源消耗和環境污染已成為制約國民經濟發展的瓶頸。在能源消耗的眾多形式中，建筑能耗在我國能源總消費量中所占比例逐年上升，已經從20世紀70年代末10%上升到現在的27.6%，而采暖、空調、通風的能源消耗又占其中的60%左右^[1]。如何降低建筑能耗，實現節能減排，已成為建筑行業不可避免要面對的問題。

       低能耗建筑作為一種新型建筑，它可以通過最優化的建筑節能設計，采用先進的節能材料和節能技術使得建筑物的建筑能耗降到最低水平，再采用可再生能源補充所需能量，以實現建筑物采暖，而不用常規能源即“零能耗”的目標。顯然，零能耗是降低建筑能耗的理想狀態。低能耗建筑設計的實現是通過建筑物理的全系統優化設計來實現的，它包括以下幾個子系統：外墻子系統、屋面子系統、外窗及遮陽子系統和低能耗采暖制冷及健康新風子系統。在西方國家，低能耗建筑已經非常普遍，并正在向零能耗住宅努力，發達國家各國政府都在致力于這方面的工作。在歐洲，目前普遍使用的是高舒適低能耗住宅，某些品質卓越的住宅，甚至不用暖氣和空調設施，就能讓房間中保持20℃~26℃的舒適溫度^[2]。

       同時，熱泵技術作為一種能有效降低常規能源能耗，提高電能利用率的建筑節能新技術也備受關注。熱泵技術的本質與制冷機原理相同，其工作原理是通過電能驅動壓縮機，使工質循環反復發生物理相變過程，分別在蒸發器中氣化吸熱、在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳遞，并通過閥門切換使機組實現制熱或制冷功能^[3]。與其他常規方式相比，熱泵系統具有節能、環保、經濟、運行可靠的優勢，其經濟效益和社會效益顯著，適用于同時具有供熱和制冷需求的用戶，能有力地促進建筑節能工作的開展，有效解決建筑物供熱、采暖、制冷空調等能耗問題。

       1   空氣源熱泵

       1.1   空氣源熱泵系統

       空氣源熱泵，作為熱泵技術的一種，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，通過少量電能驅動壓縮機運轉，實現能量的轉移，無需復雜的配置、昂貴的取水、回灌或者土壤換熱系統和專用機房，能夠逐步減少傳統采暖給大氣環境帶來的大量污染物排放，保證采暖功效的同時實現節能環保的目的。

       空氣源熱泵是由電動機驅動的，利用蒸汽壓縮制冷循環工作原理，以環境空氣為冷（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換熱設備、熱源側換熱設備及壓縮機等?？諝饽埽ㄔ矗岜美每諝庵械臒崃孔鳛榈蜏責嵩?，經過傳統空調器中的冷凝器或蒸發器進行熱交換，然后通過循環系統，提取或釋放熱能，利用機組循環系統將能量轉移到建筑物內，滿足用戶對生活熱水、地暖或空調等需求。 空氣源熱泵系統原理圖如圖1所示。

圖1   空氣源熱泵系統原理圖

       1.2   空氣源熱泵系統的優點

     （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設備。

     （2）安全運行、保護環境

       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，因此可以實現一年四季全天24小時安全運行，不會對環境造成污染。

     （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、燃氣供應的限制。

     （4）節能科技、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3份以上的熱能，高效環保，相比電采暖每月節省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。

       1.3   國內外專家學者的研究現狀

       顏浩[4]通過對空調、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、數碼渦旋等技術后，其節能、環保和經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也具備了應用這種先進的節能技術和設備的可能性?？諝庠礋岜迷诮ㄖ澞苤型耆强梢源笥凶鳛榈摹＝ㄗh適宜地區的各級政府積極宣傳、推廣、應用空氣源熱泵，促進我國的節能減排目標早日實現。

       蘇海智、馮竹建^[5]將義烏大酒店熱泵暖通及熱水改造工程與其他幾種常規能源的系統做了對比，詳細分析空氣源熱泵應用的節能效益和環保效益。經分析研究得出：采用空氣源熱泵系統后，整個系統運行費用最低，各種污染物排放量最少。熱泵空調系統應用對于推動既有建筑節能改造具有重要意義，值得大范圍推廣。

       2   地源熱泵

       2.1   地源熱泵系統

       地源熱泵技術是一種利用地下淺層地熱資源，實現向建筑物提供采暖、制冷和生活熱水的高效節能環保型技術。其基本思路就是通過少量高品位能源，將淺層熱能轉移為高位熱能，在冬天供暖、夏天制冷。

       地源熱泵系統主要由室外地源換熱系統、熱泵機組和室內空調末端系統3部分組成^[6]。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中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了系統全年的能源利用效率^[7]。

       地源熱泵系統原理圖如圖2所示。

圖2   地源熱泵系統原理圖

       2.2   地源熱泵系統的優點

     （1）屬可再生能源利用技術

       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能量轉換的空調系統。
調研結果表明，使用地源熱泵技術比風冷熱泵節能40%，比電采暖節能70%，比燃氣爐效率提高48%，所需制冷劑比一般空調減少50%是真正意義上的高效節能^[8]。

     （2）屬經濟可靠的節能技術

       地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定， 冬季比環境空氣溫度高， 夏季比環境空氣溫度低， 是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40% ，同時可以節省運行費用40 %左右^[7]。此外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機地源熱泵系統一機多用、系統緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節省建筑空間，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，地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高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、穩定， 整個系統的維護費用也較鍋爐制冷機系統大大減少，保證了系統的高效性和經濟性。在建筑供熱空調中采用熱泵技術，可以有效地提高一次能源利用率， 減少溫室效應氣體CO₂和其他燃燒產生的污染物的排放，是一種可持續發展的建筑節能新技。

     （3）運行穩定可靠且使用壽命長

       傳統的空調系統不論是水冷還是風冷，換熱環境均為大氣，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點在于土壤溫度的相對穩定，基本不受外界環境的影響；埋管熱交換器不需要除霜，減少了結霜和除霜的能耗；熱泵系統設計簡單，運動部件比常規系統少，且安裝在室內，自動控制程度高，可無人值守；系統安全無燃燒設備，不存在爆炸、燃燒的隱患；由于系統不暴露在風雨中，因而維護簡便；地源熱泵系統的供冷、供熱平穩，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。

       2.3   國內外專家學者的研究現狀

       涂鋒華、趙軍^[9]等在提供同樣供熱量的情況下，將研制成功的一種開環地源熱泵系統與燃油鍋爐系統對比，由經濟參數分析得出地源熱泵與燃油鍋爐和燃氣鍋爐相比，在建筑節能和環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，將是建筑行業需要努力的方向。

       刁乃仁、方肇洪[^10]對地源熱泵的技術特征、適用范圍和經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中采用熱泵技術可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應氣體CO₂和其他燃燒產生的污染物的排放。

       羅迎賓、梁路軍^[11]等通過對常州地區某辦公樓地源熱泵項目的設計與運行分析，將地源熱泵系統與傳統風冷熱泵系統、冷水機組+ 燃氣鍋爐系統2種模式進行經濟性比較，地源熱泵系統初投資比風冷熱泵系統、冷水機組+ 燃氣鍋爐系統分別高出20%和7.15%，但每年節約運行成本分別為49.4%和34.5%；今后每年節約運行費用約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，不僅具有極大的經濟性價值，同時還具有重大環保、減排的社會意義。

       3   水源熱泵

       3.1   水源熱泵系統

       水源熱泵機組是以水為熱源的可進行制冷或者制熱循環的一種熱泵型整體式水–空氣式或水–水式空調裝置，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，包括一個使用側換熱設備、壓縮機、熱源側換熱設備，具有單制冷或制冷兼制熱功能。

       水源熱泵技術的工作原理就是：通過輸入少量高品位能源，實現低溫位熱能向高溫位轉移。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，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^[12]。

       3.2   水源熱泵系統的優點

       水源熱泵與常規空調技術相比，有以下優點：

     （1）高效節能

       水源熱泵機組可利用的水體溫度冬季為12℃~22℃，水體溫度比環境空氣溫度高，所以熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比也提高。夏季水體為18℃~35℃，水體溫度比環境空氣溫度低，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^[13]。

     （2）運行穩定可靠

       水體的溫度一年四季相對穩定，其波動范圍遠遠小于空氣變動，是很好的熱泵熱源和空調冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。不存在空氣源熱泵冬季除霜等問題。

     （3）環保效益顯著

       水源熱泵機組供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統，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，不產生廢渣、廢水、廢氣和煙塵，不會產生城市熱島效應，對環境非常友好，是理想的綠色環保產品。

     （4）應用范圍廣

       水源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統。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點。不僅節省了大量能源，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空調系統的60%，并且安裝容易，安裝工作量比傳統空調系統少，安裝工期短，更改安裝也容易。

       3.3   國內外專家學者的研究現狀

       白雪蓮、劉寧毅^[14]等以實際工程為例，研究了地表水水源熱泵空調系統設計中的具體問題。結合工程具體情況，探討了在應用水源熱泵技術的同時，將集中供冷供熱技術、二次泵技術、變流量技術等其他多項節能技術綜合應用，不但能更有效地發揮水源熱泵技術的優點，并能大大提高空調系統的能效。對常規空調系統形式與水源熱泵空調系統形式進行了技術經濟比較，結果表明該工程水源熱泵技術與其他節能技術綜合應用可減少全年運行能耗約46%。

       鄭峰^[12]通過對水源熱泵系統與燃氣鍋爐系統進行經濟比較，結果表明，水源熱泵系統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℃，冬季和過渡季節設定溫度為54℃，系統在制備生活熱水的同時，空調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，該系統環保、節能且無污染。

       4   結語

       建筑節能是解決我國今后能源緊缺問題的有效途徑之一，包括建筑本身的節能和供暖系統的節能。建筑本身的節能要求我們必須發展低能耗建筑技術，我國應該立足國情加以選擇， 采用關鍵技術設備引進， 加速我國的節能建筑產業的發展。熱泵技術可以有效地實現供暖系統的節能，在實際運用中要根據各地的氣候特點和環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。將熱泵技術應用到低能耗建筑中，這在建筑節能領域，必將發揮越來越大的作用。

參考文獻

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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年2月刊總第2期。
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