空气源热泵在雾霾防治工作中的作用

康 磊，么 旭，陈 瑞

（1.天津市环境保护科学研究院，天津300191；2.天津环科环境咨询有限公司，天津300191）

空气源热泵在雾霾防治工作中的作用

康 磊1，么 旭2，陈 瑞1

（1.天津市环境保护科学研究院，天津300191；2.天津环科环境咨询有限公司，天津300191）

在我国大气污染防治的严峻形势下，各地均将散煤采暖的主要大气污染物排放作为主要贡献源之一进行防控。由于空气源热泵仅以电能进行驱动，吸收空气热焓出功，大幅度削减燃煤污染物的直接排放，且在制热过程中，对缓解城市热岛效应具有一定的正效益，可作为采暖热源替代的有效实施方案之一。由于空气源热泵的技术特性，该技术仍存在明显的地域限制。

空气源；热泵；雾霾；环境效益；地域限制

当前，我国大气污染形势严峻，以可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出，损害人民群众身体健康，影响社会和谐稳定。为切实改善空气质量，2013年国务院印发《关于印发大气污染防治行动计划的通知》（国发〔2013〕37号），要求到2017年全国地级及以上城市可吸入颗粒物浓度比2012年下降10%以上，优良天数逐年提高；京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物浓度分别下降25%、20%、15%左右。为加大京津冀及周边地区大气污染防治工作力度，环保部、国家发改委、工信部、财政部、住建部、国家能源局联合发布《关于印发京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则的通知》（环发〔2013〕104号），要求经过五年努力，京津冀及周边地区空气质量明显好转，重污染天气较大幅度减少。力争再用五年或更长时间，逐步消除重污染天气，空气质量全面改善。研究显示，从用煤途径上分析，建筑采暖用煤约占75%以上，是最主要的用煤方向[1]。居民采暖清洁能源替代，是解决城市大气污染问题的途径之一。热泵技术因其自身的高效节能效果，在清洁能源替代中备受青睐。

热泵作为可再生能源和清洁能源的代表，通过消耗少量高品位能源，把低品位热量上升为高品质热量，能最大限度地减少常规能源消耗。该技术目前主要分为空气源热泵和地源热泵（包含地下水源和土壤源），二者各有利弊。空气源热泵虽然使用方便，安装费用较低，但在严寒地区，并不能高效、可靠地运行，热稳定性较差。地源热泵具有良好的热稳定性，但存在初投资较大、地下水污染等问题。

1 空气源热泵的工作原理

空气源热泵是依照逆卡诺原理的压缩循环工作过程，以消耗部分高位能量作为补偿条件，使热量从低位热能转移到高位热能的能量利用装置。即在制热工况下，四通阀将冷媒流动方向改变，通过高位能源电能的带动，将低温空气中的部分热焓进行提取、压缩，以形成可直接利用的高位热能，用于采暖、热水等，其工作原理如图1所示：

图1 热泵制热流程

依照天津市空气源热泵示范项目一期工程的实际运行数据，该项目所采用的空气源热泵机组的实际运行制热能效比（COP）均值为3.44，整体供暖系统的实际运行能效比（COP）均值为2.79[2]，节能效果较为显著。

2 空气源热泵的发展历程与现状

热泵这项技术的概念最先于1912年由瑞士的专家提出，1946年第一台地源热泵系统在美国俄勒冈州波兰特市中心区建成，并成功运行[3]。中国空气源热泵的生产与应用始于20世纪60年代。20世纪80年代初，国内开始大量引进国外空气源热泵技术，很多热泵空调器都是进口组装或照搬国外技术，考虑到这些技术是否适合我国的气象条件，在我国的气象条件下能否高效运行等诸多问题，国内专家学者在1980—1990年对空气源热泵技术进行了实验研究。20世纪90年代初期我国开始研究制冷空调设备的变频能量调节技术。在吸收国外技术的同时，积极开发研究适应中国环境的热泵技术。综上所述，我国空气源热泵经历了进口组装、引进国外先进技术、消化吸收与研究发展三个发展阶段。

3 空气源热泵的环境效益分析

从目前雾霾发生频次来看，京津冀区域的雾霾天气多集中在采暖季[4]。在空气源热泵系统的制热过程中，通过冷凝器冷凝、压缩，提取空气中的地位热焓，可有效降低区域环境温度，对减缓城市热岛效应具有一定的正效益。同时，由于空气源热泵系统仅以电能进行驱动，以空气热焓出功，故较传统采暖方式可有效减少直接燃烧烟气排放，同时较土壤源热泵及水源热泵（地表水和地下水）可带来其他综合环境效益。

3.1 与空气源热泵相比，土壤源热泵及水源热泵（地表水和地下水）存在的环境影响隐患

3.1.1 造成水体热污染

地表水源热泵利用江水、河水、湖水、海水等地表水作为冷热源与热泵系统进行热交换，随后再回灌入地表水中。在系统运行过程中会有大量的冷量和热量随着回灌排入地表水体中，造成水体热污染隐患。例如：狭温种水生物对热污染的适应性较差，随着水温的升高，自身酶系统失活，代谢功能紊乱导致死亡；随着水体升温，溶解氧的含量降低，加快微生物对有机物的分解，溶解氧量消耗增加且水生物的代谢加快，需要更多的溶解氧，造成部分水生物缺氧死亡；水体热污染还可引起蓝藻暴发、水体病毒滋生等，严重危害到水生动植物和水体质量[5]。

3.1.2 造成地下水浪费，破坏水质

地下水源热泵利用地下水作为冷热源，通过抽水井将地下水抽出与热泵系统进行换热后，根据当地的水文地质条件、系统运行参数等情况采用适宜的回灌方式。在实际的取水回灌过程中，暴露出了很多问题。回灌井运行一段时间后，须对回灌井进行回扬，否则回灌井容易堵塞，回扬排出的水不能进行二次利用，造成地下水的浪费；且人工填砾、管道管材都对地下水质产生一定的影响，导致回扬水中硫酸根离子、金属离子含量增加，破坏水质[1]；实际情况中，地下水很难达到100%回灌，长期的抽灌流量不平衡埋下地面沉降、地层变形、海水倒灌的隐患，对地质结构存在潜在的破坏性[6]。

3.1.3 破坏生态环境

土壤源热泵利用土壤的热稳定性，冬季从土壤中吸取热量，夏季向土壤释放热量。我国北方地区，建筑热负荷大于冷负荷，南方地区与之相反，导致冬季吸取热量与夏季释放热量不相等[6]。长期如此，土壤温度发生变化，影响热泵能效，且破坏生态环境。

3.2 空气源热泵采暖的直接大气污染物减排效果

根据天津市热泵采暖示范项目实际运行数据（如图2），在单纯考虑用能终端的条件下，空气源热泵机组大气污染物排放量为零。即使在考虑发电过程污染物排放的前提下，空气源热泵机组较原柴油热水锅炉，每采暖季主要污染物减排率分别为：SO2减排率85.55%，NOx减排率83.97%，烟尘减排率79.28%[2]；同时，还可有效减少因直接燃烧而排放的有机碳及脱硫处理而排放的无机盐。

图2 项目主要大气污染物排放量对比

此外，以100 m2普通农村平房为模拟计算对象，分别就散煤燃烧、电暖气采暖及热泵采暖三种供暖类型进行估算，具体情况见下表：

表1 100m2普通农村平房采暖主要污染物排放量

从上表数据可见，在考虑发电过程主要污染物排放的前提下，空气源热泵机组每采暖季较散煤采暖可实现SO2减排率96.17%，NOx减排率91.25%，烟尘减排率99.73%。

同时，根据2015年天津市摸底调查，天津市共需治理散煤约153万t，其中城市22.5万户，30.5万t，农村88.6万户，122.6万t，且存在着煤质差、灰分硫份高的问题。污染物排放方面，天津市采暖散烧原煤占全社会耗煤量的4.1%，三项主要污染物的贡献率分别为烟尘25.3%，二氧化硫7.1%，氮氧化物1.5%。

综合上述两组数据，假设天津市散煤采暖全部采用空气源热泵替代，且所用电力全部为本市自发电的前提下，三项主要污染物的减排率较全社会占比约为：烟尘25.23%、二氧化硫6.83%和氮氧化物1.37%。从该直接减排数据上可看出空气源热泵对区域雾霾减缓的环境正效益。

4 空气源热泵系统应用地域限制

中国领土面积约为960万km2，地域辽阔，气候存在差异。为了明确气候和建筑两者的科学关系，中国《民用建筑设计通则》（GB 50352—2005）将中国划分为了严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区等7个主气候区，20个子气候区。蒸发温度直接影响了空气源热泵的应用效果，在温度过低的地区应用时，易造成以下问题：（1）环境温度过低，系统运行不佳，能效比过低，且蒸发器表面易结霜。（2）排气温度升高，压缩机在过热的工况下运行，缩短压缩机寿命[7]，排气温度达到一定限值后，压缩机自动停机保护，无法正常工作。（3）热泵系统制热量减少，达不到室内最大采暖热负荷值，影响舒适性。

地源热泵由于利用的地源能温度相对稳定，不受气候、资源、地域、地质结构的限制，所以可应用于所有建筑气候区域，但易造成环境污染与生态破坏。空气源热泵由于受到气候的限制，主要适用于冬冷夏热地区及无集中供热的华北、华东、华中等寒冷地区[8]。

5 结语

综上所述，现阶段各地政府在控霾防霾的拉锯战中，空气源热泵技术可作为有效武器之一，在不考虑市政电网建设的前提下，具备施工简单，节能、减排效果显著等特点，且较其他热泵系统，存在较低潜在环境影响隐患的特点。除主要污染物的直接减排效果外，由于局部区域环境温度的降低，可在一定程度上减轻城市热岛效应的影响。

当然，对于空气源热泵技术存在的一些技术难点，如：低温工况下运行不佳，严寒地区不适用及蒸发器表面结霜等，仍需进一步寻求技术突破以保证该技术的大范围应用。

[1]杨爱，刘圣春.我国地源热泵的研究现状及展望[J].制冷与空调，2009，9（4）：1-6，13.

[2]康磊.天津市和平区劝业场街兆丰路社区居委会办公楼热泵采暖示范项目数据分析报告[J].世界环境，2015（B10）：62-65.

[3]吕悦，杨立平，周沫，等.国内地源热泵应用情况调查报告[J].工程建设与设计，2005（6）：5-10.

[4]张剑飞.应对雾霾天气——低环境温度空气源热泵采暖的机遇[J].制冷与空调，2015，15（7）：5-9.

[5]马宏权，龙惟定.水源热泵应用与水体热污染[J].暖通空调，2009，39（7）：66-70.

[6]张超，刘寅，周光辉.地源热泵的应用对环境的影响分析[J].低温与超导，2008，36（4）：62-64.

[7]闫丽红，王景刚，鲍玲玲，等.低温空气源热泵研究新进展[J].建筑节能，2016，44（8）：22-24.

[8]郭景，郁银泉，程懋堃，等.全国民用建筑工程设计技术措施[M].中国计划出版社，2015.

（编辑：程俊）

The Role of Air Source Heat Pump in Haze Prevention

Kang Lei1，Yao Xu2，Chen Rui1
（1.Tianjin Academy of Environmental Sciences,Tianjin 300191,China；2.Tianjin Huanke Environmental Consulting Co.,Ltd.,Tianjin 300191,China）

Nowadays,every local government is controlling the atmospheric emissions from coal heating as one of the major step,under the current situation of air pollution prevention in China. Air Source Heat Pump(ASHP)can be one of the step for solving air pollution problems by heating source substitution,because of the advantages of ASHP,such as:ASHP only uses electrical energy for driving,it takes enthalpy by air,it may reduce atmospheric emissions directly,it may reduce the Urban Heat-island Effect during heating process,and etc.Of course,ASHP also has obvious geographical restriction because of the technical characteristics of ASHP.

air source,heat pump,haze,environmental benefit,geographical restrictions

X51

A

1008-813X（2017）03-0049-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.03.13

2017-04-10

康磊（1980-），男，天津人，毕业于荷兰瓦格宁根大学环境学专业，硕士研究生，高级工程师，主要从事环境管理工作。