地源热泵系统的使用对减少大气雾霾的影响

车文昊 白 莉 华亚魏 常文涛 褚廷明

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

随着我国城市化进程不断加快，城市化水平不断提高，伴随着城市快速发展的是环境污染问题日益突出，特别是近年来化石燃料的使用，造成大气污染，严重雾霾频发，引起社会各界的广泛关注．如何减少雾霾的发生是目前环境领域的研究重点．本文着重研究使用地源热泵对减少大气雾霾产生的贡献．

1 雾霾成因及其影响

根据现有资料分析，我国现今雾霾问题的主要成因是严重的气溶胶污染［1］．气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系，可以是固体颗粒，也可以是液滴或由固体和液体共同构成直径范围一般在0．001μm～100μm［2］．根据粒径大小可将气溶胶分为两部分:细粒子(直径小于2μm或半径小于1μm)和粗粒子(直径大于2μm或半径大于1μm)．细粒子主要来源于燃烧过程，包括煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧及生物质的燃烧，根据形成过程，又分为一次气溶胶和二次气溶胶，二次气溶胶主要有燃烧产生的含硫、含氮气体，经过气-粒转化等复杂的化学过程形成硫酸盐和硝酸盐等无机化合物，一次气溶胶为化石燃料直接产生，包括黑炭和有机碳，粗粒子则来自机械过程，主要来源是土壤矿物粒子，生物源粒子和海盐粒子等［2-3］．由此可知，减少化石能源的使用有利于缓解雾霾的产生．

雾霾不仅危害人们的身体健康，更对社会造成严重的经济损失．据北京大学环境科学与工程学院的穆泉、张世秋等人的统计，仅2013年1月，全国因雾霾造成的交通和健康的直接经济损失的保守估计值高达230亿元人民币，其中，雾霾事件造成的急性健康损失(急/门诊)共计226亿元，相当于非雾霾事件状态下所有健康终端损失的近2倍［4］．

本文以严寒地区某教学楼为例，通过节能计算得出使用地源热泵后教学楼一个采暖季所节约的标准煤量，从而计算出减少的碳、硫及氮排放量．

2 工程概况

本文以严寒地区某教学楼为例进行相关分析．工程位于吉林省长春市，建筑面积约2．75万m2，建筑共六层，其中一、二层，每层高3．9m，三～六层，每层高3．3m．建筑功能为综合教学楼，主要功能包括教学、科研、实验、报告厅等．项目拟采用地源(土壤源)热泵系统为建筑物进行区域供热供冷，结合室内末端系统为建筑冬季供暖，供暖面积为5 000m2，其他地区采用集中供暖，供暖期为180d，室内温度取18℃．确定打孔120个，埋管孔径约为150mm～180mm，下管深度100m．立管采用DN32的PE聚乙烯双U管．经过负荷计算后，教学楼冬季采暖热负荷为360kW．主要设备选型如表1所示．

表1 主要设备选型

3 冬季运行节能减排分析

经过计算可得教学楼冬季地源热泵的采暖单位面积平均需热量为67．1kWh/(m2·a)．而在相同条件下，采用冷热两用的空调机组所需的单位面积平均需热量为120kWh/(m2·a)．以此为计算基准，可得教学楼使用地源热泵系统后的每年节约电量为264 500kWh．本文以吉林省通化市所产Ⅰ类烟煤为例进行计算，其低位发热量为15 530J/g，锅炉热效率取0．75，汽轮机的发电率取0．35，计算结果如表2所示．

根据2008年8月编写完成的《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》(试行)中对环境效益相关指标的规定CO2，SO2及烟尘的减排量计算方法如下所示．

(1)二氧化碳减排量(吨/年)按式(1)计算

式中，QCO2为二氧化碳减排量，t/年;Qbm为标准煤节约量，t/年;2．47为标准煤的二氧化碳排放因子，无量纲．

(2)二氧化硫减排量(t/年)按式(2)计算

式中，QSO2为二氧化硫减排量，t/年;Qbm为标准煤节约量，t/年;0．02为标准煤的二氧化硫排放因子，无量纲．

(3)烟尘减排量(t/年)按式(3)计算

式中，QFC为烟尘减排量，t/年;Qbm为标准煤节约量，t/年;0．01为标准煤的烟尘排放因子，无量纲．

由式(1)～(3)可知，该地源热泵系统运行一个采暖季后，二氧化碳减排量为306．4t/年;二氧化硫减排量为2．481t/年;碳粉尘排放量为1．240 5t/年．我国煤中含氮量的算数平均值为0．98%，因为燃料氮的转化率(指转化为NO)不是一个固定的数值，受多种因素的影响，例如，温度、过量空气系数和煤质特性(包括含碳量、挥发分、FC/V、氮含量、O/N，H/C以及灰成分等)．根据文献［5］中提供的数据，燃料氮的转化率一般在10% ～45%，取30%进行计算，而我国煤中含氮量的算数平均值为0．98%［6］，可得该系统的NO减排量为3．968t/年．

4 地源热泵节能预测

目前，我国每年竣工的房屋建筑面积为18亿m2～20亿m2，预计到2020年底，我国新建建筑面积将达到300亿m2，而由于我国的地理环境特点，大部分建筑需要采用空调系统为建筑进行供暖供冷［7］，这给能源体系带来巨大的挑战．虽然我国煤炭储量较为丰富，但根据测算，随着经济的快速发展，现有的煤炭储量仅能继续使用不足50年，因此我国正在逐步减少煤、石油等化石能源的使用，大力推广可再生能源，地源热泵技术作为一种高效的能源利用技术，得到国家的推广与支持．根据住房与城乡建设部公布的数据显示，2013年末，我国城市及县城集中供热面积［8］共计67．5亿m2，若其中有10%左右的建筑采用地源热泵系统进行供热，按照上例计算，则每年至少可节省1674．68万t标准煤，减少排放碳粉尘16．747万t，CO24 136．46万t，SO233．494万t，NOX25．12万t．由此可见，使用地源热泵对建筑进行供热能够有效地减少煤炭等化石燃料的使用，从而减少雾霾的产生．

5 结语

综上所述，地源热泵具有巨大的节能潜力，能够有效地缓解当前能源紧张局面，减少雾霾的发生频率．因此，当条件允许时应尽量使用地源热泵技术辅助供暖，减少污染物的产生，实现绿色可持续发展．

［1］张小曳，孙俊英，王亚强，李卫军，张 蔷，王炜罡，权建农，曹国良，王继志，杨元琴，张养梅．我国雾一霆成因及其治理的思考［J］．科学通报，2013，58(13):117-118．

［2］王 玲．大气气溶胶化学成分地基遥感反演研究——以京津唐地区为例［D］．重庆:重庆大学，2013．

［3］张人禾，李 强，张若楠．2013年1月中国东部持续性强雾霆天气产生的气象条件分析［J］．中国科学:地球科学，2014，44(1):27-36．

［4］穆 泉，张世秋．2013年1月中国大面积雾霆事件直接社会经济损失评估［J］．中国环境科学，2013，33(11):2087-2094．

［5］张 琳，张秀玲，代 斌，宫为民，张大海．催化脱除大气污染物NO-X研究进展［J］．低温与特气，2000(18):7-10．

［6］吴代赦，郑宝山，唐修义，王明仕，胡 军，李社红，王滨滨，Finkelman RB．中国煤中氮的含量及其分布［J］．地球与环境，2006，34(1):1-6．

［7］徐 伟．2013中国地源热泵发展研究报告［M］．北京:中国建筑工业出版社，2013:10-20．

［8］住房与城乡建设部．2013年城乡建设统计公报［R］．2013．