可再生能源在暖通空调系统中的具体应用分析

张朦静，贾玲玉，韩好许

（黄河交通学院，河南 武陟 454950）

在建筑工程领域，暖通空调系统能耗一直在建筑能耗中占据较大比例。而且随着我国经济快速发展，城市建设也日趋成熟。由于人们对美好生活的需求，暖通空调走进千家万户，走进各种办公楼，综合建筑。给人们带来了舒适的环境，同时带来的还有巨大的能源消耗。这使得暖通空调能耗问题日益突出。为了响应国家节能减排政策，也为了缓解日益增长的能源需求和能源紧张之间的矛盾，降低暖通空调系统能耗的问题亟待解决。这对于实现建筑节能具有重大意义，也是继续实现绿色建筑，以及未来绿色城市的重要举措。而实现暖通空调系统的节能和措施多种多样，国内外研究学者分析了各种各样的关于暖通空调系统的节能措施和技术[1-4]。其中可再生能源在暖通空调系统的应用就是一个重要的技术措施。因为当前使用的能源基本上是不可再生能源，如，天然气、石油等。因此，可再生能源的应用就显得十分重要。

1 可再生能源

可再生能源主要是指风能、太阳能、水能（井水河水、湖水、海水）、潮汐能、地热能（主要指土壤能）和生物质能等。可再生能源的大力发展缓解了我国能源紧张的现状，且可再生能源可循环使用，应用范围较广，能源清洁，不污染环境，可促使我国经济社会可持续发展[5]。

2 可再生能源在暖通空调系统中的具体应用形式

暖通空调系统更具体地细分为供热系统，通风系统，以及空调系统。这些系统中都可以用可再生能源代替原来的不可再生能源，但是由于系统形式不一样，可再生能源的应用部位和形式也不一样，本文将从可再生能源的种类来研究每种可再生能源在暖通空调系统中的具体应用方式。

2.1 风能具体应用形式

风能在暖通空调系统中的应用可以分为两部分，一部分是通风系统，一部分是空调系统。在通风系统中，利用热压和风压的原理，可用自然风解决通风问题。通风换气系统可以稀释环境空气有害物质浓度，保障空气质量干净卫生。若不利用洁净的自然风，还需要采用机械送风的方式去输送干净卫生的空气供通风系统使用。在空调系统中，自然风在过渡季节具有天然冷量，根据地域不同，有些地方的过渡季节自然风冷量可直接满足室内设计温湿度要求，就可以完全节省这部分空调消耗能源。有些地方过渡季节自然风冷量无法直接满足室内要求，需要额外补充冷量来满足，即使这样，也节约了很大一部分能耗。

2.2 太阳能具体应用形式

太阳能在暖通空调系统中的应用主要分为主动式和被动式[5-8]。被动式的应用无具体的设备利用形式，主要依靠建筑材料的选择和内部空间布局的控制，在冬季充分利用太阳能辐射供暖，减少热量损失，降低供暖能耗；在夏季减少太阳辐射和室内冷却设备，降低供冷能耗。还可以有效地收集、储存和分配太阳能，使室内环境舒适[6]。

主动式的应用是指利用太阳能集热器、风机、蓄热装置、辅助热源、管道及末端装置等物理元件组成一种供热系。应用在暖通空调系统中主要是采暖系统，比如利用收集的太阳能供热的地板辐射系统和热水供应系统，就可以大大降低采暖需要的能耗。

除了上述两种方式太阳能转化为热能可直接应用于暖通空调系统外，还可以间接利用太阳能的能量应用于暖通空调系统，也有两种方式。一种是利用太阳能转化为热能驱动制冷机工作产生冷量供应给建筑使用，比如利用热能驱动的溴化锂吸收式制冷机，它就是利用热能驱动工作的，相当于太阳能间接地驱动了制冷机工作。另外一种是利用太阳能转化为电能，用于某些需要高品位电能驱动空调采暖制冷设备工作的地方。比如热泵系统，热泵系统已经应用的非常成熟有效，是利用高位能（一般为电能）使热量从低位热源空气流向高位热源的节能技术。还有常见的中央空调系统、半集中式空调系统、多联机系统、家用分体空调系统等，都需要电能的辅助才得以运行。用太阳能光伏发电技术将太阳能转化为电能，就相当于太阳能间接地使用于暖通空调系统。

2.3 水能具体应用形式

水能在暖通空调系统中的应用最广。水受气温的影响很少，水温相对稳定，在暖通空调系统中的应用主要是作为冷热源的提供者。比如现在应用已经十分广泛的各种各样的水源热泵系统，如图1所示，已经为众多建筑物提供热量和冷量，节约了大量能耗。需要注意的是，水作为冷源对水资源的利用仅限于热量转换。这里的水指的是江、河、湖泊、地下水以及城市污水等各种水资源。在使用过程中严格限制对水资源进行处理，保证水资源干净卫生，才是可再生能源。

图1 水源热泵系统应用演示图

2.4 潮汐能具体应用形式

潮汐能在暖通空调系统中的应用属于间接应用，无直接的具体利用形式。目前我国对于潮汐能的利用主要运用于潮汐发电这一方面，在沿海国家利用潮汐能发电供给暖通空调系统作为高品位能源使用，比如利用少量电能驱动的热泵技术，为建筑物提供冷量和热量，相当于潮汐能间接地应用于暖通空调系统，也节约了能耗。

2.5 地热能具体应用形式

地热能在暖通空调系统中的应用具体形式有两种。一种是地源热泵系统[3，5-6]。暖通空调中的地源热泵系统，是指利用地下土壤资源的蓄热能力，将暖通空调系统吸收的室内热量通过地源热泵传输到地下。热量交换的介质是土壤和水。在冬季，把土壤的热量转到地上室内建筑物内；在夏季，将地下土壤的制冷量转移到地上室内建筑物内，形成冷却和加热循环系统，达到节约能耗的目的。

一种是地道风系统[9]。应用原理演示如图2所示。暖通空调中的地道风系统和地源热泵系统的利用形式是一样的，都是利用土壤源热能。利用土壤的蓄存能量，为建筑物提供维持室内热湿环境所需的冷热量[10]。例如，夏季室外高温空气流经地道，空气被冷却，由送风系送入室内，为室内提供凉爽的空气。冬季室外低温空气流经地道，空气被加热，由送风系统送入室内，保证室内温暖的环境。无论是地源热泵系统还是地道风系统，由于利用了土壤的能量，就降低了暖通空调系统的能耗。

图2 地道风系统应用演示图

2.6 生物质能具体应用形式

生物质能是世界第四大能源，也是清洁能源。生物质能主要是由自然界中有生命的植物将前期储存的太阳能转化为能够被人类所使用的能量[11]，属再生能源。自然环境中分布有大量的生物质，种类十分丰富。根据其来源不同，可将生物质能分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物以及畜禽粪便五类[12]。其特点是，储存量丰富，产量大，清洁低污染，可再生。持续研究生物质能的应用，发掘其潜在的优势，可实现我国低碳和可持续发展的要求。

虽然生物质能储量丰富，来源广泛，但在目前暖通空调系统中的应用比较少。主观原因是对生物质能的认识不足，长期未重视，甚至还限制其发展。除此以外，生物质行业标准体系尚待完善；监管难度大，部分地方存在畏难情绪，部门协调仍需加强；发展责任主体需进一步明确，支持政策有待创新。客观原因包括：生物质供暖价格偏高，生物质清洁供热在我国还没有形成规模化应用。因为生物质能分布较分散，收集和转化利用存在不同程度的困难。

在现阶段我国生物质能发展的现状下，在暖通空调系统中的应用包括采暖供热系统和空调系统。在采暖供热系统中的应用主要是通过热电联产集中供热来实现生物质能的清洁供热这是当前生物质供热的主要方式，主要用于城镇的清洁供暖。还可以通过生物质锅炉供热、生物质炉具供热这两种供热方式，主要用于小规模住宅建设和环境空旷，以及供热管网基础修建十分薄弱的北方农村地区。除了在建筑中供热，还可以应用于大棚中[13]。相关研究提出一种可以用生物质能为大棚供热的系统，该系统主要原理是用生物质锅炉将生物质能转化为热能以维持大棚内的适宜温度。该系统不仅实现对大棚温度的调控，还节约了能源，为以后生物质能在温室大棚中的应用提供了很好的借鉴意义。在空调系统中的应用与太阳能的应用比较类似。直接应用的方式为：通过生物质能转化为热能驱动溴化锂吸收式空调系统来维持室内的温湿度环境。间接应用方式为：利用生物质能发电技术，再利用电能驱动电制冷压缩机进行制冷，可广泛用于住宅、办公、综合建筑中。

生物质能发展前景十分广阔，因其种类繁多，特点各异，可多元化发展。目前发展方向有电、热、炭、气、油等。生物质能用于各行各业促进我国经济的发展。在暖通空调领域我们也应该紧跟时代步伐，充分利用生物质能作为可再生能源的优点。未来我们的研究方向就是如何非单一地应用生物质能，而是资源整合利用。将生物质能与其他可再生能源联合运用，可以在综合能源系统中发挥削峰填谷的作用，可以最大限度最高效地应用清洁能源，生物质能作为储存量巨大、还未被充分发掘的资源，是最有强有力的能源支撑。还可促进其他可再生能源的发展。比如：太阳能和生物质能联合互补应用[14-15]。

虽然生物质能的发展依然存在一些问题，但生物质能的能源战略地位依旧非常重要，我们也一直在克服技术难题，大力去发展生物质能。生物质能在暖通空调中的应用目前有三种应用路线。第一种是生物质能转化为清洁热能直接供给暖通空调系统使用。第二种是生物质能转化为电能间接驱动暖通空调系统运行。第三种是生物质能和其他能源综合利用实现热电联产，可同时转化为热能与电能。预计“十四五”期间，我国生物质发电行业将稳步增长，生物质清洁供热快速发展，有望实现商业化和规模化发展。

3 结束语

本文分别介绍了不同种类可再生能源在暖通空调系统中的应用形式。能源的应用主要分两种情况：一种是直接转化应用，一种是间接转化应用。甚至个别可再生能源之间可以实现联合转化使用，有很多种组合和形式。能源日益紧张与需求日益增长，暖通空调系统的节能还担负着整个建筑节能的重要责任，可再生能源的应用对于解决上述矛盾就十分重要。可再生能源的应用亦符合我国低碳城市的发展需求，具有重要战略意义，也值得我们在今后探索能源转型路上持续关注和研究。

我们应继续加强对可再生能源在暖通空调系统中应用形式的研究，结合我国地域辽阔的现状，充分发挥当地能源的特点，因地制宜，合理利用。使得可再生能源如：风能、太阳能、水能、潮汐能、地热能及生物质能充分发挥优势，为我国的节能减排贡献力量，实现祖国可持续发展的长远目标。