可再生能源在暖通空调系统中的应用分析

杨康

（中匠民大国际工程设计有限公司山西分公司，山西太原 030000）

0 引言

随着我国能源供需矛盾的不断加剧，为响应我国节能减排的号召，当前暖通空调设计需解决的问题是如何有效减少采暖和空气调节的能耗。这不仅有利于我国的节能政策，而且也是推动建筑行业可持续发展的一项重要措施。2022 年4 月国家规范《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015—2021）开始执行，将可再生能源作为强制性条文融入设计工作中也证明了国家发展可再生能源的决心[1]。国内外的研究者对暖通空调的各种节能方法及技术进行了深入研究，暖通空调的节能方法和手段也十分多样化，将可再生能源应用到暖通空调系统中成为十分关键的技术之一。

1 当前能源状况及发展可再生能源必要性

目前，世界能源仍以石化能源为主，煤炭、石油、天然气等支撑着整个社会经济的发展。随着工业革命以来数百年的大规模开发利用，石化能正面临资源枯竭、污染排放严重等现实问题。相反太阳能、风能、空气能、地下水能、土壤能及生物能等可再生能源不仅总量丰富，而且低碳环保、可以再生，未来开发潜力巨大。

我国自改革开放以来经济飞速发展，能源消耗也随之急剧增长。我国目前能源主要以煤炭为主，其次以石油为辅，太阳能、风能等可再生能源所占比重很少，故在各行各业中充分利用可再生能源，逐步替代石化能源是我们的发展目标。可再生资源若大量开发，可有效解决目前国内的能源紧缺问题。因此大力发展新型、可再生能源，并逐步弥补其中不足，使其得到最大程度的发展，变的尤为重要。它的应用将有利于促进国民经济和社会的可持续发展[2]。

暖通空调系统是为建筑功能服务的，旨在为不同功能的建筑提供不同的室内温度、湿度、空气洁净度等。而要实现这些目的必然要消耗能源。例如，我国北方城市冬季需要供暖，保证冬季室内舒适温度，目前大多采用燃烧石化能获取热量输送至室内，此供暖方式消耗大量非可再生能源，且碳排放量巨大。如能改变此种供热格局，采用清洁的可再生能源为北方地区冬季供暖，既能减少能耗也能减少排放，一举多得。

与常规的非可再生能源比较，可再生能源不仅可以循环利用，而且适用范围广泛，不污染环境，清洁安全，能够很好地缓解当前社会发展能源短缺的问题，推动社会经济的可持续发展。因此可再生能源的开发和应用是现代城市发展的一个重大课题。

2 可再生能源在暖通空调系统中的应用策略

可再生能源包括风能、太阳能、水能（井水、河水、湖水、海水）、地热能、空气能、潮汐能、生物能等。目前常应用于暖通空调系统中的可再生能源包括太阳能（太阳能供暖、制冷、发电）、风能（自然通风系统、风力发电）、水能（水源热泵系统、水力发电）、地热能（土壤源热泵系统）、空气能（空气源热泵系统）、生物能（生物发电、生物燃料）等[3]。其中可再生能源发电后再利用于暖通空调系统属于间接利用，其余可再生能源利用措施都可直接将这些能源应用于供暖或者空调系统中。

2.1 暖通空调系统中风能应用

在暖通空调系统中，风能的利用可以分成两大类，一类是合理利用自然通风，另一类是通过风能发电再用于供暖、空调中。

首先，建筑在规划设计阶段应充分考虑当地各季节的风向及风力情况来布置建筑物朝向以及外窗设置情况，尽可能的使夏季天气炎热时利用自然风进行通风降温，而非采用能耗较高的空调系统降温。在空调系统设计中，经常会用到的一个节能措施是过渡季节停止制冷主机的运行，同时设计时考虑空气处理机组全新风工况下运行，利用室外自然风的冷量和含湿量使室内达到需要的温度和湿度，从而可以充分节约这一段时间的能耗。即使在某些地区，由于过渡季节的自然空气制冷能力达不到室内的需求，必须通过制冷主机辅助供冷，即便如此，也节省了大量的能源消耗。

其次，当室内空气污浊、有异味或有害时，尽可能采用开窗通风换气方式，降低室内空气中的污浊物或有害气体含量，保证室内的空气清洁，而非通过风机机械排风、补风来保持室内空气清洁。还可以利用风压、热压、烟囱效应等自然现象来设计室内通风系统，在不耗费能源的情况下解决通风问题。这些都是直接利用风来调节室内环境的措施。

风能发电正在逐步替代常规能源发电成为主要的发电形势，它推动了我国能源结构优化和能源低碳化发展。风能发电后再利用于供暖或者空调系统中，亦属于暖通空调可再生能源的利用。

2.2 暖通空调系统中太阳能应用

在暖通空调系统中，太阳能利用可分成主动式和被动式两种类型。被动式太阳能利用没有特殊的设施使用方式，其关键在于选用建材，并对室内的空间布置进行调控，使其在冬天能够最大限度地利用太阳能热，从而减小了采暖的能量消耗；在夏天，可有效减少日光照射，提高空调制冷系统的节能效果。此外，主动式利用还可以有效收集、储存和分配太阳能，从而达到一个良好的室内条件。主动式供暖系统是指采用太阳能集热器、风机、蓄热设备、辅助热源、管道和终端设备等构成的供暖系统。在供暖系统中，采用集中式的太阳能集热器收集太阳能，通过管道及末端的散热设备输送至供暖房间，可以大幅度减少供暖所需的石化能源消耗。

除以上两种方法之外，还可以将太阳能转换成热量，间接地将其用于采暖和空气调节。①将太阳能转换成热量来作为制冷设备的制冷设备，例如，一台由热能发电的溴化锂制冷系统，其工作原理就是通过热量来实现，这就像是太阳能直接推动制冷系统运转一样。②将太阳能转换成电力，供一些需要高质量电力来供电的场所使用。就拿热泵来说，这种热泵技术是一种比较先进、高效的技术，它是一种将低端的热能通过电力或热力输送到更高温度的热能。此外，中央空调、半集中空调、多联机空调、家用分体空调等也是通过电力来实现的。利用太阳能光电技术把太阳能转换成电再进行供暖、空调，等于是间接利用于暖通空调系统。

2.3 暖通空调系统中空气能应用

空气能是一种取之不尽用之不竭的能源（既可从空气中取热，亦可向空气中放热）。空气能热泵是自室外空气中提取热量，既可制取生活热水亦可用此热水进行供暖，同时空气能机组耗用少量电能等能源，此为从空气中取热过程。空气能热泵遵循逆卡诺原理，通过压缩机运转工作，利用制冷剂相变过程的放热、吸热规律，通过较少的电能吸收空气中热量来制取较多的热能，空气能热泵技术目前已较为成熟且应用广泛，如空气能供暖空调、制取生活热水等[4]。常规空调制冷为向空气中放热的过程，即利用了空气中的冷量。空气能空调机组是利用空气能的主要设备，空气能机组可实现制冷与制热随时转换，即同一套机组同一个季节需要供冷时即可供冷，需要供热时即可转换为供热工况。空气能热泵广泛应用于无热源地区建筑供暖，制取生活热水。目前空气能热泵设备的COP 值越来越高，即消耗一定的电量、热量等能源所制取的热量越来越多。在暖通空调设计中应认真分析空气能应用的可行性及经济性，如能采用空气能时可使用该系统取代纯电采暖等耗能系统。近些年来国家大力推广清洁供暖，很重要的一项措施便是空气能供暖。对于偏远农村，大都还是采用传统的户式燃煤炉进行供暖，不仅污染环境且能源利用率极低，但这些地区想要设置集中供暖系统难度较大，空气能供暖却很好的解决了这一难题。笔者即是空气能供暖的受益者，故在此给大家做一些分析、参考。

2.4 暖通空调系统中地源热泵应用

地球本身就是一个巨大提储能体，其吸收太阳的光和热并储存于土壤中。地源热泵技术的主要运行原理为通过技术与设备的支持，采集建筑物附近地层中的地热资源，并用于建筑内部的供热与制冷。暖通空调系统仅需消耗少量的电能，即可将地热这种低品位热能转换为可以被我们利用的高品位热能，用于建筑的供热，大幅度地减少了供热过程中能源的消耗。同时，在夏季建筑内需要制冷降温时，地源热泵系统也能够吸取建筑内部空间释放的热量，完成制冷系统、余热系统之间的功能性转换操作，并将多余热量向建筑周边地层释放，减少暖通空调制冷所需的能源消耗。地源热泵通常采用地面以下敷设地埋管方式，故要求建筑周边有足够多的土壤面积埋设地埋管[5]。但是地源热泵系统使用时需注意采取防漏保护措施，以防地源热泵系统在长期使用中出现泄漏引发安全事故。地源热泵系统对土壤季节热平衡要求较为严格，夏季排入土壤内的热量要与冬季从土壤中提取的热量相当，否则会导致土壤冷、热不平衡，使得地源热泵系统在使用一定年限后效果变差甚至不能使用；另外地源热泵系统水质经常受到污染导致系统运行不畅。所以在地源热泵系统设计时应准确计算夏季冷负荷以及冬季热负荷并校验冬夏土壤热平衡，才能使地源热泵系统使用更加合理。

2.5 暖通空调系统中水源热泵应用

水源热泵技术类似于地源热泵，水源热泵可利用地表浅层水源如地下水、河流和湖泊水中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源，采用热泵原理，即通过少量的高位热能的输入，把不能直接利用的低位热能转或为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能的目的。江河湖泊可以说是巨大的储能体，夏季可将其中蕴含的冷量提取出来供至室内，冬季可将其中储存的热量提取出来进行供暖，且此冷热源几乎也是无穷无尽的。但水源热泵应用条件受限，采用水源热泵的建筑需要临近地下水或地表水，距离过远时利用此技术较为困难或代价太高。其次地表水或者地下水的水量要充足且水质较好，否则水源热泵技术也无法正常运行或运行此系统代价过高[6]。

2.6 暖通空调系统中其他可再生能源应用

潮汐能是指海水周期性涨落运动中所具有的能量。其主要形式为由于水位差产生的势能，以及潮水流动产生的动能。该能量可以被我们加以利用，且属于可再生能源。暖通空调系统利用潮汐能主要是间接利用，潮汐能发电后供供暖空调系统使用[7]。

生物能是植物通过光合作用将太阳能储存于生物体内的一种能量。暖通空调专业可以利用生物能作为供暖及空调系统的原动力，如农村可利用农作物秸秆、动物粪便作为燃料燃烧后制取热水供给供暖系统，亦可用生物能发电后间接用于暖通空调系统中[8-9]。

暖通空调系统是建筑正常运行过程中的能耗大户，应该采取各种节能措施来降低能耗，国家也接连颁布一系列节能规范及可再生能源相关规范来降低建筑能耗。我们在暖通空调设计工作中也应该尽可能的增加节能与可再生能源相关措施，如排风热回收技术、蓄能技术、冷热电三联供技术等，为国家的节能减排政策做出贡献。

2.7 加强新技术的研究、开发与推广

每个人都可能是新技术的研究者、发明者及推广者，在暖通空调设计时要勤于思考，善于发现，多学习本专业相关的新技术、新设备等以便将之应用于工程设计中。世界是广阔无比的，还有很多我们未发现的自然规律及可再生能源，这些都等待着人们及后人去发现创造。对于暖通空调专业来说从最开始人们通过生火取暖，再到现在的各种复杂供暖系统；以及空调系统自发明至现在空调设备能效比越来越高、系统越来越复杂庞大，都是一代一代人不懈努力的结果。希望现代相关人员能站在巨人肩膀上再创辉煌。

3 结语

综上所述，当今世界面临着巨大的能源消费压力，世界能源危机日益严重，发展新能源与可再生能源势在必行。暖通空调作为人们生活、生产中不可缺少的一项内容，尽可能地利用可再生能源去满足人的舒适要求及工业生产要求，能极大地节约能源，同时能保护环境。设计人员在暖通空调设计施工中要充分利用太阳能、风能、空气能、土壤能、水能等新型可再生能源，推动可再生能源在建筑行业的发展，为世界为国家为当代人和后代创造一个更好的生活环境。