空气热能纳入可再生能源的技术路径研究

孙晓琳，姚春妮，赵恒谊，代彦军*

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-住房和城乡建设部科技发展促进中心，北京100037；3-国际铜业协会，上海 20000）

空气热能纳入可再生能源的技术路径研究

孙晓琳*1，姚春妮2，赵恒谊3，代彦军**1

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-住房和城乡建设部科技发展促进中心，北京100037；3-国际铜业协会，上海 20000）

空气热能是储存在环境空气中的太阳能。空气热能具备符合国内外对于可再生能源的定义的属性：从自然界直接获取，且具有可再生性。空气热能储量丰富，开发利用技术相对成熟。将空气热能纳入可再生能源范畴，既有利于我国节能减排目标的实现，也具有可观的经济效益。本文介绍了空气热能的属性及特点，并讨论了空气热能利用的技术路径及空气源热泵系统性能评价的方法及指标，以期为空气热能纳入可再生能源范畴提供理论基础及技术参考。

可再生能源；空气热能；技术路径；热泵；一次能源效率

0　引言

对于可再生能源的定义，不同的组织和研究者有着不同的表述，但总体而言，对于可再生能源的定义表达中大都包括以下两个要点：1）从自然界直接获取；2）被消耗的能源能够在短时间内得到补充（再生）。自2006年1月1日起施行的《中华人民共和国可再生能源法》［1］（以下简称可再生能源法）采用列举式给出的可再生能源定义是“风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源”。而在《关于<中华人民共和国可再生能源法>（草案征求意见稿）的说明》中，对该定义进行了详细阐述：“本法所称可再生能源是指下列从自然界直接获取的、可再生的非化石能源：1）风能；2）太阳能；3）水能（利用水力发电的，电站总装机容量超过 5万千瓦的除外）；4）生物质能（通过传统燃烧方式利用秸秆、薪柴、人畜粪便等除外）；5）地热能和地温热源的热能；6）海洋能；7）法律、法规规定的其他可再生能源”。

根据国内外对于可再生能源的定义及可再生能源法的相关说明［2-3］，空气热能具有符合可再生能源的定义的属性：1）空气热能是可以从环境空气中直接获取的非化石能源，其本质是储存在大气中的太阳能；2）人类的主要活动范围都在大气环境之中，因此空气热能无时无处不在。空气热能来源于太阳能，且不会因人类的开采利用而趋向衰竭，即具备可再生属性。因此空气热能虽不在现行可再生能源法列举条目之内，但符合可再生能源学术及法律定义，且具有巨大的节能减排潜力，应考虑将其纳入可再生能源范畴。

1　空气热能的特性及其利用技术路径

1.1空气热能特性

太阳能是地球所需能量的基本来源，也是空气热能的最终来源。如图1所示，以短波辐射形式到达地球表面的太阳能，其中约31%被云层、大气中各种分子、尘埃、微小水珠等质点以及地表反射返回宇宙空间，称为地球的星体反射率。剩下约69%中，19%被上层大气（平流层）中的尘埃、臭氧、水蒸气等直接吸收；约 4%被下层大气（对流层）中的云层所吸收；约46%的太阳能最终到达地表并被吸收。被地表吸收这部分能量最终有 6%以地面（包括水面）长波辐射的形式被靠近地表的大气层及云层吸收，约 9%以长波辐射的形式返回太空；剩余约30%则以潜热或显热的形式通过对流、蒸发等方式进入靠近地表的大气层及云层中。被近地表大气层吸收的这部分能量即为空气热能的来源。

图1　地球总体能量平衡示意图

常见的可再生能源形式，如太阳能、风能、地热能等，有着可再生、储量丰富、绿色无碳（或低碳）等优点，但同时也存在能源密度低、能源分布分散及间断性供能等问题。而空气热能除了具有可再生能源的优点之外，还具有以下特点：

能量供应的连续性。其他形式的可再生能源大多受分布空间（如地热能）或时间（如太阳能、风能）的限制，无法连续稳定供能。而空气热能储存于环境空气之中，无时无处不在，因此能量供应在时间及空间上都是连续的。且空气的流动特性使得特定区域内被消耗的空气热能能够在很短的时间内得到补充和恢复。

取之不尽，用之不竭。空气热能最终来源于太阳，而其直接来源则主要包括空气吸收的地面长波辐射以及其他自然进程和人类活动中产生的热耗散。在能量品位评价中，一般以环境空气热能为零点。通过逆卡诺循环，热泵系统能够以消耗少量高品位能源（多为电能）为代价，将空气热能的品位加以提升和利用。而根据热力学第二定律，热力过程中的能量衰减使得高品位的热量最终会耗散到环境空气（能量零点）中，因此热泵系统将空气热能加以提升产生的高品位热能最终也由于热耗散重新回到空气中（见图 2）。因此，空气热能是真正意义上的取之不尽，用之不竭。

图2　空气热能利用中的能量转化/转移过程

能源利用量受设备安装面积影响小。可再生能源从储量上来说虽是取之不尽、用之不竭，但在实际利用过程中，能源的可获得量还与其转换、利用的技术路线密切相关。如太阳能、风能、地热能等能源实际获得量是由能源密度（如太阳辐射强度、风力、土壤或地下水温度等）和能量接受、转化设备（太阳能集热器、风力发电机、地埋管换热器等）的安装面积决定的。而由于安装空间、投资成本等因素的限制，能量接受、转化设备的安装面积并不能随意增加。而模块化的空气源热泵机组安装方便、运行维护成本低廉，且空气由于具有流动性，可以在不增加或较小增加设备安装面积的条件下，通过增加风机转速、功率的方法来提高空气流量及空气热能利用量。

1.2空气热能利用技术路径

空气热能利用的主要技术路径是采用空气源热泵技术获取空气热能并提供采暖和生活热水（见图4）。如图3所示，空气源热泵（常见为蒸汽压缩式）由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等主要部件组成。根据逆卡诺循环原理，热泵系统中工质重复压缩-冷凝-节流-蒸发-压缩的相变循环：进入压缩机的低温低压工质蒸汽经压缩产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽在冷凝器中冷凝放热成为高温高压液体，并将热量传递到热水，高温高压液体经节流阀节流降温降压后进入蒸发器，在蒸发器处从环境空气中吸热并蒸发成为低温低压蒸汽并再次进入压缩机［2］。

图3　蒸汽压缩式热泵循环示意图

图4　空气热能利用的技术路径

简言之，空气源热泵能够以消耗部分少量电能（用以驱动压缩机）为代价，将低温的空气热能转移到高温热水中。由于热泵机组所消耗的电能以及从环境中获取的空气热能最终成为提供给热水的热量，因此与常规电热或燃气、燃煤热水系统相比，从环境中获取的空气热能（可再生能源）部分替代了等量的电能或化石燃料热能（常规能源）。考虑到整个社会庞大的低温热水（生活及采暖热水）需求，空气源热泵有着巨大的常规能源替代及节能减排潜力。

目前市场上常见空气源热泵产品形式如表1所示。从功能角度讲，“空气-空气”绝大部分是制冷空调产品，兼具有制热功能，实际运行中以制冷功能为主。“空气-水”基本为制冷/制热空调产品和热水器。考虑空气热能纳入可再生能源范畴，需要体现常规能源替代，如空气源热泵热水器可替代常规电热水器或燃气热水器、空气源热泵供暖可替代电锅炉或燃煤（燃气）锅炉等常规能源系统形式。而空气源热泵用于制冷的功能无法体现常规能源替代，空气热能纳入可再生能源的技术路径重点研究空气源热泵技术制热（含生活热水和供暖）功能，不考虑其用于制冷的功能。

2　空气源热泵的性能评价及节能潜力分析

根据国际通行方法，可依据一次能源利用率对空气源热泵系统进行性能评价，并提出最低能效要求。空气源热泵技术在不同工况下或气候区域具有不同的运行能效（COP），能效的高低最终反映出一次能源利用率及可再生能源贡献率的高低［4-6］。

空气源热泵系统运行能效计算公式如下：

式中：

Q——热泵机组供热总量；

W——机组耗电总量。

而一次能源利用率（primary energy ratio，PER）是指供热总量与机组耗电换算一次能源热值的比例，其与机组COP关系如下：

其中，Qo为机组耗电量换算成的一次能源热值；ee为火力发电效率；对于电驱动热泵机组，上述COP为考虑压缩机、水泵、风机和辅助电加热等系统总耗电量而得出的系统COP。

可再生能源贡献率（Fa）是指机组从空气中获取的热量占供热总量比例，与机组COP关系如下：

其中，Qa为从空气中获得的热量（可再生能源贡献量）。

由以上公式可得出，一次能源利用率（PER）与可再生能源贡献率（Fa）之间存在以下关系：

当系统COP满足COP＞1/ee时，即一次能源利用率超过1。根据中电联规划与统计信息部2014年度统计数据，全国 6,000 kW 及以上电厂供电标准煤耗318 g/kWh，全国电网输电线路损失率6.34%。折合电力用户端煤耗318×（1+0.0634）=338 g/kWh，即到用户端发电效率为36%。则当空气源热泵机组实际运行能效满足COP＞2.78时，机组一次能源效率超过100%。

目前市场应用的家用空气源热泵热水器的能效现状如图5所示。该图汇总了主要销售品牌的家用空气源热泵热水器（制热量小于10 kW）能效分布状况。从图中可以看出，大部分能效在 3.5～4.2范围内。

图5　家用空气源热泵热水器能效分布

商用空气源热泵热水器的能效现状如图6所示。该图汇总了主要销售品牌的商用空气源热泵热水器（制热量大于10 kW）的能效分布状况。从图中可以看出，大部分能效在3.7～4.4范围内。

图6　商用空气源热泵热水器能效分布

与常规能源热水器（电阻式电热水器、燃气热水器、燃煤锅炉等）相比，空气源热泵热水器采用空气能替代常规能源，具有较大的节能减排潜力。与常规能源热水器相比，当机组向热水提供的总热量为Q（单位kJ），空气源热泵节能量为：

式中，e0为常规能源热水器的能效（电阻式电热水器的电加热效率或燃气热水器、燃煤锅炉的热力效率）。

举例计算，将水由15 ℃加热至55 ℃，热水机组每加热一吨水需提供热量：

当空气源热泵热水机组平均COP为3.7，则空气源热泵可再生能源贡献率：

一次能源效率：

取电阻式电热水器电加热效率95%，则与电热水器相比，每加热一吨水，空气源热泵机组节电量为：

相当于节约标煤：36.5×0.338=12.34 kg。

取燃气热水器效率85%，则与燃气热水器相比，每加热一吨水，空气源热泵机组节能量为：

取天然气低位热值35,880 kJ/m3，相当于节约天然气体积152,242/35,880=4.24 m3。

目前我国城市居民生活热水主要制取方式是电热水器及燃气热水器，考虑到我国庞大的人口基数产生的巨大的生活热水需求量，采用空气源热泵取代常规的热水器有着巨大的节能减排潜力。

同时，目前我国北方的集中供暖系统初投资高，管网热损失大，分散的小型燃煤锅炉更是存在能效低下、污染严重等问题。随着我国节能减排政策的推进，以及建设能源节约型社会和可持续发展的要求，我国传统的燃煤、燃油锅炉取暖方式越来越受到制约，使用热泵产品取暖是备受鼓励的应对措施之一［6-11］。

3　结论与建议

空气源热泵目前多应用于我国长江中下游的夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。通过技术不断发展，针对面临的主要技术难题：北方低温适应性和南方结霜及除霜问题，目前已有技术解决方案。因此，目前的技术能使空气源热泵在-25 ℃～43 ℃的环境温度下正常使用，因此在我国绝大部分地区都适用.

根据国内外上对可再生能源的属性定义，结合我国对可再生能源定义的实际，空气热能与已被纳入可再生能源范围的浅层地热能一样，采用热泵技术加以开发利用。由此可见，空气热能具备可再生能源的属性，并且符合我国对“可再生能源”的法律定义。由此，建议将空气热能纳入可再生能源范畴，其开发利用的具体技术路径为制热功能（采暖或生活热水）的空气源热泵热水机组。

［1］ 中国人民政府. 中华人民共和国可再生能源法［M/OL］.［2015-10-20］. http://www.gov.cn/ziliao/flfg/2005-06/21/ content_ 8275.htm.

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Research on Roadmap of Taking Air Thermal Energy into the Scope of Renewable Energy Sources

SUN Xiao-lin*1, YAO Chun-ni2, ZHAO Heng-yi3, DAI Yan-jun**1
（1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China； 2-STC, Ministry of Housing and Urban-Rural Development, Beijing 100037, China； 3-International Copper Association, Shanghai 200020, China）

Air thermal energy is the solar energy stored in the ambient air. The properties of air thermal energy satisfy the definition of renewable energy source: obtained directly from the nature, and renewable. The reserves of air thermal energy is abundant, and the exploitation technology is well developed. Thus, including air thermal energy into renewable sources will not only help to achieve the goal of energy saving and emission reduction, but also bring about great economic benefits. In this paper, the properties of air thermal energy is introduced, and roadmap of air thermal energy exploitation is discussed. Performance evaluation method and index of air source heat pump system are also investigated to provide theoretical and technical basis for including air thermal energy into renewable sources.

Renewable energy source； Air thermal energy； Air source heat pump； Primary energy ratio

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.201

*孙晓琳（1985-），女，博士研究生。研究方向：热泵及其节能技术。联系地址：上海市东川路800号，邮编：200240。联系电话：021-34201561。E-mail：sxl0630@sjtu.edu.cn。

**代彦军（1971-），男，教授，博导。研究方向：太阳能转换利用与建筑节能和环境湿度控制传热传质。联系地址：上海市东川路800号，邮编：200240。联系电话：021-34204358。E-mail：yjdai@sjtu.edu.cn。