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可再生能源在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

2024-06-10 15:20:57楊康
建材與裝飾 2024年14期
關(guān)鍵詞:源熱泵熱泵暖通

楊康

(中匠民大國(guó)際工程設(shè)計(jì)有限公司山西分公司,山西太原 030000)

0 引言

隨著我國(guó)能源供需矛盾的不斷加劇,為響應(yīng)我國(guó)節(jié)能減排的號(hào)召,當(dāng)前暖通空調(diào)設(shè)計(jì)需解決的問(wèn)題是如何有效減少采暖和空氣調(diào)節(jié)的能耗。這不僅有利于我國(guó)的節(jié)能政策,而且也是推動(dòng)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要措施。2022 年4 月國(guó)家規(guī)范《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)開(kāi)始執(zhí)行,將可再生能源作為強(qiáng)制性條文融入設(shè)計(jì)工作中也證明了國(guó)家發(fā)展可再生能源的決心[1]。國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)暖通空調(diào)的各種節(jié)能方法及技術(shù)進(jìn)行了深入研究,暖通空調(diào)的節(jié)能方法和手段也十分多樣化,將可再生能源應(yīng)用到暖通空調(diào)系統(tǒng)中成為十分關(guān)鍵的技術(shù)之一。

1 當(dāng)前能源狀況及發(fā)展可再生能源必要性

目前,世界能源仍以石化能源為主,煤炭、石油、天然氣等支撐著整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著工業(yè)革命以來(lái)數(shù)百年的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用,石化能正面臨資源枯竭、污染排放嚴(yán)重等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。相反太陽(yáng)能、風(fēng)能、空氣能、地下水能、土壤能及生物能等可再生能源不僅總量豐富,而且低碳環(huán)保、可以再生,未來(lái)開(kāi)發(fā)潛力巨大。

我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,能源消耗也隨之急劇增長(zhǎng)。我國(guó)目前能源主要以煤炭為主,其次以石油為輔,太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源所占比重很少,故在各行各業(yè)中充分利用可再生能源,逐步替代石化能源是我們的發(fā)展目標(biāo)??稍偕Y源若大量開(kāi)發(fā),可有效解決目前國(guó)內(nèi)的能源緊缺問(wèn)題。因此大力發(fā)展新型、可再生能源,并逐步彌補(bǔ)其中不足,使其得到最大程度的發(fā)展,變的尤為重要。它的應(yīng)用將有利于促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。

暖通空調(diào)系統(tǒng)是為建筑功能服務(wù)的,旨在為不同功能的建筑提供不同的室內(nèi)溫度、濕度、空氣潔凈度等。而要實(shí)現(xiàn)這些目的必然要消耗能源。例如,我國(guó)北方城市冬季需要供暖,保證冬季室內(nèi)舒適溫度,目前大多采用燃燒石化能獲取熱量輸送至室內(nèi),此供暖方式消耗大量非可再生能源,且碳排放量巨大。如能改變此種供熱格局,采用清潔的可再生能源為北方地區(qū)冬季供暖,既能減少能耗也能減少排放,一舉多得。

與常規(guī)的非可再生能源比較,可再生能源不僅可以循環(huán)利用,而且適用范圍廣泛,不污染環(huán)境,清潔安全,能夠很好地緩解當(dāng)前社會(huì)發(fā)展能源短缺的問(wèn)題,推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此可再生能源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是現(xiàn)代城市發(fā)展的一個(gè)重大課題。

2 可再生能源在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用策略

可再生能源包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能(井水、河水、湖水、海水)、地?zé)崮堋⒖諝饽?、潮汐能、生物能等。目前常?yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)中的可再生能源包括太陽(yáng)能(太陽(yáng)能供暖、制冷、發(fā)電)、風(fēng)能(自然通風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電)、水能(水源熱泵系統(tǒng)、水力發(fā)電)、地?zé)崮埽ㄍ寥涝礋岜孟到y(tǒng))、空氣能(空氣源熱泵系統(tǒng))、生物能(生物發(fā)電、生物燃料)等[3]。其中可再生能源發(fā)電后再利用于暖通空調(diào)系統(tǒng)屬于間接利用,其余可再生能源利用措施都可直接將這些能源應(yīng)用于供暖或者空調(diào)系統(tǒng)中。

2.1 暖通空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)能應(yīng)用

在暖通空調(diào)系統(tǒng)中,風(fēng)能的利用可以分成兩大類,一類是合理利用自然通風(fēng),另一類是通過(guò)風(fēng)能發(fā)電再用于供暖、空調(diào)中。

首先,建筑在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)馗骷竟?jié)的風(fēng)向及風(fēng)力情況來(lái)布置建筑物朝向以及外窗設(shè)置情況,盡可能的使夏季天氣炎熱時(shí)利用自然風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)降溫,而非采用能耗較高的空調(diào)系統(tǒng)降溫。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,經(jīng)常會(huì)用到的一個(gè)節(jié)能措施是過(guò)渡季節(jié)停止制冷主機(jī)的運(yùn)行,同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)考慮空氣處理機(jī)組全新風(fēng)工況下運(yùn)行,利用室外自然風(fēng)的冷量和含濕量使室內(nèi)達(dá)到需要的溫度和濕度,從而可以充分節(jié)約這一段時(shí)間的能耗。即使在某些地區(qū),由于過(guò)渡季節(jié)的自然空氣制冷能力達(dá)不到室內(nèi)的需求,必須通過(guò)制冷主機(jī)輔助供冷,即便如此,也節(jié)省了大量的能源消耗。

其次,當(dāng)室內(nèi)空氣污濁、有異味或有害時(shí),盡可能采用開(kāi)窗通風(fēng)換氣方式,降低室內(nèi)空氣中的污濁物或有害氣體含量,保證室內(nèi)的空氣清潔,而非通過(guò)風(fēng)機(jī)機(jī)械排風(fēng)、補(bǔ)風(fēng)來(lái)保持室內(nèi)空氣清潔。還可以利用風(fēng)壓、熱壓、煙囪效應(yīng)等自然現(xiàn)象來(lái)設(shè)計(jì)室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng),在不耗費(fèi)能源的情況下解決通風(fēng)問(wèn)題。這些都是直接利用風(fēng)來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的措施。

風(fēng)能發(fā)電正在逐步替代常規(guī)能源發(fā)電成為主要的發(fā)電形勢(shì),它推動(dòng)了我國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能源低碳化發(fā)展。風(fēng)能發(fā)電后再利用于供暖或者空調(diào)系統(tǒng)中,亦屬于暖通空調(diào)可再生能源的利用。

2.2 暖通空調(diào)系統(tǒng)中太陽(yáng)能應(yīng)用

在暖通空調(diào)系統(tǒng)中,太陽(yáng)能利用可分成主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種類型。被動(dòng)式太陽(yáng)能利用沒(méi)有特殊的設(shè)施使用方式,其關(guān)鍵在于選用建材,并對(duì)室內(nèi)的空間布置進(jìn)行調(diào)控,使其在冬天能夠最大限度地利用太陽(yáng)能熱,從而減小了采暖的能量消耗;在夏天,可有效減少日光照射,提高空調(diào)制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果。此外,主動(dòng)式利用還可以有效收集、儲(chǔ)存和分配太陽(yáng)能,從而達(dá)到一個(gè)良好的室內(nèi)條件。主動(dòng)式供暖系統(tǒng)是指采用太陽(yáng)能集熱器、風(fēng)機(jī)、蓄熱設(shè)備、輔助熱源、管道和終端設(shè)備等構(gòu)成的供暖系統(tǒng)。在供暖系統(tǒng)中,采用集中式的太陽(yáng)能集熱器收集太陽(yáng)能,通過(guò)管道及末端的散熱設(shè)備輸送至供暖房間,可以大幅度減少供暖所需的石化能源消耗。

除以上兩種方法之外,還可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱量,間接地將其用于采暖和空氣調(diào)節(jié)。①將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱量來(lái)作為制冷設(shè)備的制冷設(shè)備,例如,一臺(tái)由熱能發(fā)電的溴化鋰制冷系統(tǒng),其工作原理就是通過(guò)熱量來(lái)實(shí)現(xiàn),這就像是太陽(yáng)能直接推動(dòng)制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)一樣。②將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電力,供一些需要高質(zhì)量電力來(lái)供電的場(chǎng)所使用。就拿熱泵來(lái)說(shuō),這種熱泵技術(shù)是一種比較先進(jìn)、高效的技術(shù),它是一種將低端的熱能通過(guò)電力或熱力輸送到更高溫度的熱能。此外,中央空調(diào)、半集中空調(diào)、多聯(lián)機(jī)空調(diào)、家用分體空調(diào)等也是通過(guò)電力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用太陽(yáng)能光電技術(shù)把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電再進(jìn)行供暖、空調(diào),等于是間接利用于暖通空調(diào)系統(tǒng)。

2.3 暖通空調(diào)系統(tǒng)中空氣能應(yīng)用

空氣能是一種取之不盡用之不竭的能源(既可從空氣中取熱,亦可向空氣中放熱)??諝饽軣岜檬亲允彝饪諝庵刑崛崃浚瓤芍迫∩顭崴嗫捎么藷崴M(jìn)行供暖,同時(shí)空氣能機(jī)組耗用少量電能等能源,此為從空氣中取熱過(guò)程??諝饽軣岜米裱婵ㄖZ原理,通過(guò)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作,利用制冷劑相變過(guò)程的放熱、吸熱規(guī)律,通過(guò)較少的電能吸收空氣中熱量來(lái)制取較多的熱能,空氣能熱泵技術(shù)目前已較為成熟且應(yīng)用廣泛,如空氣能供暖空調(diào)、制取生活熱水等[4]。常規(guī)空調(diào)制冷為向空氣中放熱的過(guò)程,即利用了空氣中的冷量??諝饽芸照{(diào)機(jī)組是利用空氣能的主要設(shè)備,空氣能機(jī)組可實(shí)現(xiàn)制冷與制熱隨時(shí)轉(zhuǎn)換,即同一套機(jī)組同一個(gè)季節(jié)需要供冷時(shí)即可供冷,需要供熱時(shí)即可轉(zhuǎn)換為供熱工況??諝饽軣岜脧V泛應(yīng)用于無(wú)熱源地區(qū)建筑供暖,制取生活熱水。目前空氣能熱泵設(shè)備的COP 值越來(lái)越高,即消耗一定的電量、熱量等能源所制取的熱量越來(lái)越多。在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真分析空氣能應(yīng)用的可行性及經(jīng)濟(jì)性,如能采用空氣能時(shí)可使用該系統(tǒng)取代純電采暖等耗能系統(tǒng)。近些年來(lái)國(guó)家大力推廣清潔供暖,很重要的一項(xiàng)措施便是空氣能供暖。對(duì)于偏遠(yuǎn)農(nóng)村,大都還是采用傳統(tǒng)的戶式燃煤爐進(jìn)行供暖,不僅污染環(huán)境且能源利用率極低,但這些地區(qū)想要設(shè)置集中供暖系統(tǒng)難度較大,空氣能供暖卻很好的解決了這一難題。筆者即是空氣能供暖的受益者,故在此給大家做一些分析、參考。

2.4 暖通空調(diào)系統(tǒng)中地源熱泵應(yīng)用

地球本身就是一個(gè)巨大提儲(chǔ)能體,其吸收太陽(yáng)的光和熱并儲(chǔ)存于土壤中。地源熱泵技術(shù)的主要運(yùn)行原理為通過(guò)技術(shù)與設(shè)備的支持,采集建筑物附近地層中的地?zé)豳Y源,并用于建筑內(nèi)部的供熱與制冷。暖通空調(diào)系統(tǒng)僅需消耗少量的電能,即可將地?zé)徇@種低品位熱能轉(zhuǎn)換為可以被我們利用的高品位熱能,用于建筑的供熱,大幅度地減少了供熱過(guò)程中能源的消耗。同時(shí),在夏季建筑內(nèi)需要制冷降溫時(shí),地源熱泵系統(tǒng)也能夠吸取建筑內(nèi)部空間釋放的熱量,完成制冷系統(tǒng)、余熱系統(tǒng)之間的功能性轉(zhuǎn)換操作,并將多余熱量向建筑周邊地層釋放,減少暖通空調(diào)制冷所需的能源消耗。地源熱泵通常采用地面以下敷設(shè)地埋管方式,故要求建筑周邊有足夠多的土壤面積埋設(shè)地埋管[5]。但是地源熱泵系統(tǒng)使用時(shí)需注意采取防漏保護(hù)措施,以防地源熱泵系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用中出現(xiàn)泄漏引發(fā)安全事故。地源熱泵系統(tǒng)對(duì)土壤季節(jié)熱平衡要求較為嚴(yán)格,夏季排入土壤內(nèi)的熱量要與冬季從土壤中提取的熱量相當(dāng),否則會(huì)導(dǎo)致土壤冷、熱不平衡,使得地源熱泵系統(tǒng)在使用一定年限后效果變差甚至不能使用;另外地源熱泵系統(tǒng)水質(zhì)經(jīng)常受到污染導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不暢。所以在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算夏季冷負(fù)荷以及冬季熱負(fù)荷并校驗(yàn)冬夏土壤熱平衡,才能使地源熱泵系統(tǒng)使用更加合理。

2.5 暖通空調(diào)系統(tǒng)中水源熱泵應(yīng)用

水源熱泵技術(shù)類似于地源熱泵,水源熱泵可利用地表淺層水源如地下水、河流和湖泊水中吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮芏纬傻牡臀粺崮苜Y源,采用熱泵原理,即通過(guò)少量的高位熱能的輸入,把不能直接利用的低位熱能轉(zhuǎn)或?yàn)榭梢岳玫母呶粺崮?,從而達(dá)到節(jié)約部分高位能的目的。江河湖泊可以說(shuō)是巨大的儲(chǔ)能體,夏季可將其中蘊(yùn)含的冷量提取出來(lái)供至室內(nèi),冬季可將其中儲(chǔ)存的熱量提取出來(lái)進(jìn)行供暖,且此冷熱源幾乎也是無(wú)窮無(wú)盡的。但水源熱泵應(yīng)用條件受限,采用水源熱泵的建筑需要臨近地下水或地表水,距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)利用此技術(shù)較為困難或代價(jià)太高。其次地表水或者地下水的水量要充足且水質(zhì)較好,否則水源熱泵技術(shù)也無(wú)法正常運(yùn)行或運(yùn)行此系統(tǒng)代價(jià)過(guò)高[6]。

2.6 暖通空調(diào)系統(tǒng)中其他可再生能源應(yīng)用

潮汐能是指海水周期性漲落運(yùn)動(dòng)中所具有的能量。其主要形式為由于水位差產(chǎn)生的勢(shì)能,以及潮水流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能。該能量可以被我們加以利用,且屬于可再生能源。暖通空調(diào)系統(tǒng)利用潮汐能主要是間接利用,潮汐能發(fā)電后供供暖空調(diào)系統(tǒng)使用[7]。

生物能是植物通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能儲(chǔ)存于生物體內(nèi)的一種能量。暖通空調(diào)專業(yè)可以利用生物能作為供暖及空調(diào)系統(tǒng)的原動(dòng)力,如農(nóng)村可利用農(nóng)作物秸稈、動(dòng)物糞便作為燃料燃燒后制取熱水供給供暖系統(tǒng),亦可用生物能發(fā)電后間接用于暖通空調(diào)系統(tǒng)中[8-9]。

暖通空調(diào)系統(tǒng)是建筑正常運(yùn)行過(guò)程中的能耗大戶,應(yīng)該采取各種節(jié)能措施來(lái)降低能耗,國(guó)家也接連頒布一系列節(jié)能規(guī)范及可再生能源相關(guān)規(guī)范來(lái)降低建筑能耗。我們?cè)谂照{(diào)設(shè)計(jì)工作中也應(yīng)該盡可能的增加節(jié)能與可再生能源相關(guān)措施,如排風(fēng)熱回收技術(shù)、蓄能技術(shù)、冷熱電三聯(lián)供技術(shù)等,為國(guó)家的節(jié)能減排政策做出貢獻(xiàn)。

2.7 加強(qiáng)新技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)與推廣

每個(gè)人都可能是新技術(shù)的研究者、發(fā)明者及推廣者,在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)要勤于思考,善于發(fā)現(xiàn),多學(xué)習(xí)本專業(yè)相關(guān)的新技術(shù)、新設(shè)備等以便將之應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中。世界是廣闊無(wú)比的,還有很多我們未發(fā)現(xiàn)的自然規(guī)律及可再生能源,這些都等待著人們及后人去發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造。對(duì)于暖通空調(diào)專業(yè)來(lái)說(shuō)從最開(kāi)始人們通過(guò)生火取暖,再到現(xiàn)在的各種復(fù)雜供暖系統(tǒng);以及空調(diào)系統(tǒng)自發(fā)明至現(xiàn)在空調(diào)設(shè)備能效比越來(lái)越高、系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜龐大,都是一代一代人不懈努力的結(jié)果。希望現(xiàn)代相關(guān)人員能站在巨人肩膀上再創(chuàng)輝煌。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,當(dāng)今世界面臨著巨大的能源消費(fèi)壓力,世界能源危機(jī)日益嚴(yán)重,發(fā)展新能源與可再生能源勢(shì)在必行。暖通空調(diào)作為人們生活、生產(chǎn)中不可缺少的一項(xiàng)內(nèi)容,盡可能地利用可再生能源去滿足人的舒適要求及工業(yè)生產(chǎn)要求,能極大地節(jié)約能源,同時(shí)能保護(hù)環(huán)境。設(shè)計(jì)人員在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)施工中要充分利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、空氣能、土壤能、水能等新型可再生能源,推動(dòng)可再生能源在建筑行業(yè)的發(fā)展,為世界為國(guó)家為當(dāng)代人和后代創(chuàng)造一個(gè)更好的生活環(huán)境。

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