建筑节能与热泵技术

张潇 张澎

文章摘要：在建筑供热空调中采用热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO2

和其他大气污染物的排放。本文阐述了利用热泵供热比锅炉直接燃烧供热节能的原理，对主要的热泵供热形式，特别是地源热泵的技术特征、适用范围和经济性作了较详细的介绍。

关键词：建筑节能，热泵技术，地源热泵，经济性分析

1引言

随着我国经济与技术的快速发展，建筑工程也随之高速发展起来。在我们的身边随处可见高层、超高层等建筑，与之同时建筑节能也就成为人们十分关注的一项重要指标。

建筑节能是一项复杂的系统工程，涉及面很宽，它包括建筑规划、建筑设计、建筑材料、建筑设备、建筑经济和环境保护等诸多方面。

2建筑节能应运而生

2.1我国建筑能耗问题突出

从1996年到2006年的10年间，我国的建筑能耗随着城市化率的提高、经济发展、人民收入和生活水平的不断改善而持续增长，建筑总商品能源消耗从2.43亿吨tce升至5.63亿tce，增加了1.3倍。

目前,我国建筑能耗占全国能耗的25%～27%，住宅每平方米能耗为相同气候国家能耗的3倍。建筑耗能已与交通耗能、工业耗能并列,成为我国能源消耗的三大“能耗大户”。

建筑能耗包括建材生产、建筑施工、建筑日常使用和建筑拆除等项目的能耗。其中比重最大的是建筑日常使用能耗，约占建筑能耗的80%以上，主要为采暖、空调、热水供应和炊事、照明、家用电器等方面的能耗。建筑能耗的增长一方面是由于室内温度环境的改善，服务水平的提高，以及建筑内用能设备的增加造成单位面积能耗的攀升，另一方面是由于城市化进程推进，人均建筑面积不断增长而造成的。下表是以北方居住建筑为例的能耗比例。

表2-1 北方居住建筑能耗比例表

能耗构成 采暖通风空调 热水供应 电气 炊事

比重 65% 15% 14% 6%

采暖 空调

对应温度（℃） 18/-12 25/33 40/10 — —

能级 0.1031 0.0268 0.034～0.117 —

注：①对应温度指室内、环境温度；

②能级以夏季33℃/冬季-12℃为基准温度计算

在我国现阶段经济的快速发展和现代化建设中，能源使用量必然要大幅度增加，但必须看到，我国当前能源的使用效率仍很低。以同样水平的产值计算，我国耗用的能量是日本的四倍，比印度高60%，能源综合利用率只有30%左右（欧美国家平均为50%，日本为57%）。

2.2世界各国实施建筑强制性节能标准

世界各国对建筑节能都非常重视，把降低建筑物能耗作为节能的基本有效措施，并制定了建筑节能法。目前有60多个国家和地区实施新建筑的强制性节能标准。

美国早在1975年就首次颁布了ASHRAE标准90-75《新建筑物设计节能》。以此为基础，1977年12月官方正式颁布了《新建筑物结构中的节能法规》，并在45个州内收到很明显的节能效果。美国国家能源局标准局，不断地在建筑节能设计等方面提出新的内容，每五年便对ASHRAE标准进行一次修订。

在德国，消费者在购买或租赁房屋时建筑开发商必须出示一份“能耗证明”，告诉消费者这个住宅每年的能耗，主要包括供暖、通风和热水供应。德国《能源节约法》规定，新建筑的允许能耗要比2002年前的能耗水平下降30％左右。

日本则在1979年还颁布了《关于能源合理化使用的法律》，并于1992年和1999年先后修订过两次。为了使所制定的法规得以执行，制定了许多具体可行的监督措施和必须执行的节能标准。

2.3我国建筑节能标准的实施

我国的建筑节能以1986年颁布北方地区居住建筑节能设计标准为标志启动。1986年建设部颁发了在北方地区适用的JGJ26-86《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》，目标是在1980-1981年当地通用设计的居住建筑供暖能耗基础上节能30%。

1996年7月1日我国开始实施新的JGJ26-95《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》,开始推行50%的节能标准。2001年颁发了JGJ134-2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，2003年重新颁发了JGJ75-2003《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》。2005年，建设部颁布的《民用建筑节能管理规定》也开始实施。

2005年4月4日，建设部与国家质量监督检验检疫总局联合发布了国家标准GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》，自2005年7月1日起正式实施。这是我国批准发布的第一部有关公共建筑节能设计的综合性国家标准。通过这些标准的实施，有关设计、施工人员提高了节能意识，积累了节能建筑设计、施工和管理经验，促进了新型节能墙体和保温门窗的发展，取得了一定的社会和经济效益。

天津建筑节能经历了三个阶段：1991年9月1日至1999年底，实行第一阶段建筑节能，节能率为30%；2000年至2004年实施第二阶段建筑节能，节能率累计达到50%；2005年1月1日，节能目标在二步节能的基础上再节能30%，节能率累计达到65%，从而成为在全国范围内第二个实施住宅三步节能的城市。

三步节能标准使天津住宅的居住建筑节能由50%提高至65%，每平方米住宅耗能将控制在14.4瓦以下。从理论上而言，三步节能的室内温度调解能耗，诸如空调制冷、制热所需耗费的电力等，将比先前执行的二步节能标准的居住建筑耗热量指标降低30%左右。

2.4建筑节能的原则及分类

在全世界的能源消耗中，无论是发达国家还是发展中国家，建筑能耗在总能耗中所占的比重都很大，约为25%～40%。因此建筑节能工作的开展对整个国民经济的健康发展和环境的改善意义十分重大。

根据近年来国内外节能工作的经验，在建筑节能方面应遵循以下原则：

（1）在建筑节能技术和方法的研究中，要特别重视节能与环境保护间的关系，重视节能带来的环保效益。

（2）各种节能技术和方法在经济上要合理，适应当前水平下的承受能力。

（3）在长远的、全局的节能规划下制定阶段性、局部的建筑节能目标和计划。

（4）统筹好节能和人民生活水平提高之间的关系，不能将节能与提高建筑环境质量对立起来。

（5）建筑节能的具体方法应根据各地区的不同气候条件有所区别，以充分利用太阳、风、气温、水利和地形等自然条件。

（6）大力开发适用于新型住宅建筑的节能技术。

（7）重视对现有住宅建筑节能改造技术的研究。

（8）在降低建筑维护结构能耗的同时，重视建筑设备、系统的节能，提高综合节能效果。

（9）重视综合用能，逐步提高对残余能量和自由热的利用水平。

建筑节能的主要途径为：管理节能、技术节能、行为节能。其中技术节能又分为：围护结构节能、设备系统节能、可再生能源利用等。现在我国利用较多的技术节能包括：太阳能应用、建筑围护结构绝热材料应用、热泵技术应用、以及蓄能系统应用。

其中热泵技术在世界中已经被比较广泛的应用，而在我国还处在发展阶段，下面就着重介绍热泵技术的应用。

3热泵技术的原理及特点

3.1热泵技术的原理及分类

热泵是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术。热泵系统通过自然能获取低温热源，经系统高效集热后成为高温热源，用来供暖或供应热水，整个系统集热效率较高。热泵技术是一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式。

热泵技术根据热源获取来源种类主要分为：空气源热泵（air source heat pump, ASHP）、水源热泵（water source heat pump，WSHP）。由于空气源热泵在工作使用中还有一些限制及缺陷，所以这种热泵技术在我国应用并不是十分广泛。下面就重点介绍水源热泵技术的原理及应用。

3.2水源热泵技术的特点

3.2.1水源热泵系统的原理及分类

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

水源热泵的应用方式分为：地下水热泵系统、地表水热泵系统、地源热泵系统三种方式。

（1）地下水热泵系统(groundwater heat pumps，gwhps)

即深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。

（2）地表水热泵系统（surface-water heat pumps，swhps）

通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水、海水甚至污水作为热泵冷热源。

（3）地源热泵系统（ground source heat pumps，gshps）

埋管式属闭式系统，通过中间介质（通常为水或加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。

3.2.2水源热泵系统的特点

水源热泵发特点归结为以下几点：

（1）属可再生能源利用技术

水源热泵是利用了地球表面或浅层水源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地球表面水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。水源热泵技术利用储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，为人们提供供暖空调，成为可再生能源一种形式。

（2）属经济有效的节能技术

地球表面或浅层水源的温度一年四季相对稳定，一般为10℃～25℃，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得水源热泵的制冷、制热系数可达3.5～5.5。

（3）运行稳定可靠

水体的温度一年四季波动的范围远远小于空气的变动，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

（4）环境效益显著

通常在发电时，会消耗能源并且导致污染物和二氧化碳温室气体的排放，所以设计良好的水源热泵机组就发挥出它电力消耗小的特点。与空气源热泵相比，相当于减少30%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上。

（5）一机多用，应用范围广

水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点，减少了设备的初投资。水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。

4.地源热泵供热空调系统的经济性分析

地源热泵供热空调系统在建筑物内部的冷（ 热）量分布系统除采用传统中央空调的空气系统或水系统以外，更多地采用由许多不同制冷（ 热）量的热泵组成的分布式系统。这种系统不仅布置和运行更加灵活，在住宅楼中采用时，由于实现了“ 户式中央空调”，可免除供热（ 冷）量分户计量的麻烦，主要由使用者交纳电费即可。迄今为止制约地源热泵系统在我国应用的障碍主要是在地下埋管的初投资较高，以及政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解。地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区，不同地质条件，不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。根据国外的经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在3-7年内收回，地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。这里根据天津市的情况和现行的价格体系笔者对地源热泵空调与传统空调方式的初投资及运行费用指标进行比较。

表4-1 地源热泵空调与传统空调方式初投资及运行费用比较表

冷热源方式 1 2 3 4

地源热泵 冷水机组与燃气锅炉配套 冷水机组与城市热网配套 直燃式溴化锂冷热水机组

冷热水机组（元/kW冷量） 680～900 560～700 560～700 950～1300

燃气锅炉（元/kW热量） / 400-520 / /

城市热网（元/m2采暖面积） / / 100 /

冷却塔（元/kW冷量） / 40～60 40～60 40～60

地下钻孔及埋管（元/kW） 1200～1200 / / /

机房水泵、管道、控制等 基本相同（20～40元/m2）

建筑物空调末端 基本相同（100～180元/m2）

初投资概算比较（热指标100W/m2）

初投资（元/m2空调面积） 420 300 350 300

运行费用比较（热指标100W/m2）

季节 夏季冬季 夏季冬季 夏季冬季 冬、夏两季

能源形式 电 电天然气 电 供热网 天然气轻柴油

单位 kW·h kW·hm3 kW·h m3·季 m3 升

价格（元） 0.5 0.52.0 0.5 19.5 2.0 3.0

热值 1000W 1000W 35600W 1000W 35600kW 43000kW

效率 4.83.5 3.8 0.88 3.8 0.88 0.85

燃料能耗 （m2·h） 0.021 0.0286 0.0263 0.0115 0.0263 0.0115 0.01

（m2·季） 13.2328.02 16.5711.27 16.57 18.5216.1

燃料费用（元/m2·季） 6.614 8.29 22.54 8.29 19.5 37 48.3

机房运行费用（元/m2·季） 4.5

冷却塔运行费用（元/m2·季） / 2 2 2

全年运行费合计（元/m2） 25.1 37.33 34.29 43.5054.8

费用比例 1 1.49 1.37 1.73 2.18

注：①冬、夏季运行天数分别按140天和90天计，每天运行10小时，运行负荷系数取0.7；

②机房运行费用和冷却塔运行费用均指水泵等用电设备运行费用，表中为估算值。

5.结束语

在建筑供热空调中采用热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO2和其他燃烧产生的污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。在本文所讨论的几种主要的供热系统中，冷水机组与燃气锅炉配套和直燃式溴化锂冷热水机组的初投资最少，但效率较低，全年运行费用较高。冷水机组与城市热网配套受管网条件的制约，应用范围受到限制。地源热泵适用范围广，运行费用低，节能和环保效益显著。地源热泵在北美和欧洲的许多国家已得到广泛的应用，是一种成熟的技术；但我国在地源热泵的应用方面还刚刚起步。推广地源热泵技术需要政府的政策引导、对设计和施工人员的培训、所需设备和材料的配套以及提高公众对地源热泵技术的了解程度。在供热空调中应用热泵技术的主要制约因素曾经是电力供应不足和人民群众消费水平较低，对热泵空调系统的市场需求尚未形成。随着改革开放以来我国经济的发展和人民生活水平的提高，以上两个制约因素已不复存在，空调和供热已成为普通百姓的需求，并逐渐向农村和南方扩展，市场前景很好。

人们为了追求舒适的生存环境，获得廉价、清洁、可再生、普遍存在的能源是全世界的梦想，更是人类共同追求的一个目标。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力，借鉴国外的成功经验，作为利用可再生清洁能源的热泵技术，理所当然值得被大力推广和发展。

参考文献

[1] 刁乃仁, 方肇洪, 过增元.《地源热泵空调系统的研究开发与应用》, 节能与环保, No. 1, 23-26, 2002.

[2] 曾和义, 方肇洪. 《U 型埋管地热换热器中介质轴向温度的数学模型》 山东建筑工程学院学报, 17( 1): 7- 12, 2002.

[3] 刘舒, 姜中鹏. 《天津地区地热热泵联合供热方式的可行性分析》, 资源节约与环保, 2009年01期.

[4] 张朝辉.李震.端木琳.李祥立 《区域供冷供热冷热源方案的寿命周期成本分析》,建筑科学, 2007（4）.

[5] 郝刚立, 王维早. 《浅谈国内外建筑节能现状》, 四川建筑, 2011年01期

[6] 王琳.《城市住宅建筑节能设计》, 建筑设计管理.2010年02期.

作者简介

张潇 女 1984.1月出生2009年毕业于天津师范大学城环学院 研究生

工作单位：天津市城市规划设计研究院市政工程规划研究中心助理工程师

张澎 男 1983.9月出生 2009年毕业于天津师范大学城环学院 研究生

工作单位：天津市建筑科学研究院助理工程师

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。