空氣熱能納入可再生能源的技術(shù)路徑研究

孫曉琳，姚春妮，趙恒誼，代彥軍*

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心，北京100037；3-國際銅業(yè)協(xié)會(huì)，上海 20000）

空氣熱能納入可再生能源的技術(shù)路徑研究

孫曉琳*1，姚春妮2，趙恒誼3，代彥軍**1

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心，北京100037；3-國際銅業(yè)協(xié)會(huì)，上海 20000）

空氣熱能是儲(chǔ)存在環(huán)境空氣中的太陽能。空氣熱能具備符合國內(nèi)外對(duì)于可再生能源的定義的屬性：從自然界直接獲取，且具有可再生性。空氣熱能儲(chǔ)量豐富，開發(fā)利用技術(shù)相對(duì)成熟。將空氣熱能納入可再生能源范疇，既有利于我國節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。本文介紹了空氣熱能的屬性及特點(diǎn)，并討論了空氣熱能利用的技術(shù)路徑及空氣源熱泵系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的方法及指標(biāo)，以期為空氣熱能納入可再生能源范疇提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)參考。

可再生能源；空氣熱能；技術(shù)路徑；熱泵；一次能源效率

0　引言

對(duì)于可再生能源的定義，不同的組織和研究者有著不同的表述，但總體而言，對(duì)于可再生能源的定義表達(dá)中大都包括以下兩個(gè)要點(diǎn)：1）從自然界直接獲取；2）被消耗的能源能夠在短時(shí)間內(nèi)得到補(bǔ)充（再生）。自2006年1月1日起施行的《中華人民共和國可再生能源法》［1］（以下簡稱可再生能源法）采用列舉式給出的可再生能源定義是“風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿确腔茉础薄６凇蛾P(guān)于<中華人民共和國可再生能源法>（草案征求意見稿）的說明》中，對(duì)該定義進(jìn)行了詳細(xì)闡述：“本法所稱可再生能源是指下列從自然界直接獲取的、可再生的非化石能源：1）風(fēng)能；2）太陽能；3）水能（利用水力發(fā)電的，電站總裝機(jī)容量超過 5萬千瓦的除外）；4）生物質(zhì)能（通過傳統(tǒng)燃燒方式利用秸稈、薪柴、人畜糞便等除外）；5）地?zé)崮芎偷販責(zé)嵩吹臒崮埽?）海洋能；7）法律、法規(guī)規(guī)定的其他可再生能源”。

根據(jù)國內(nèi)外對(duì)于可再生能源的定義及可再生能源法的相關(guān)說明［2-3］，空氣熱能具有符合可再生能源的定義的屬性：1）空氣熱能是可以從環(huán)境空氣中直接獲取的非化石能源，其本質(zhì)是儲(chǔ)存在大氣中的太陽能；2）人類的主要活動(dòng)范圍都在大氣環(huán)境之中，因此空氣熱能無時(shí)無處不在。空氣熱能來源于太陽能，且不會(huì)因人類的開采利用而趨向衰竭，即具備可再生屬性。因此空氣熱能雖不在現(xiàn)行可再生能源法列舉條目之內(nèi)，但符合可再生能源學(xué)術(shù)及法律定義，且具有巨大的節(jié)能減排潛力，應(yīng)考慮將其納入可再生能源范疇。

1　空氣熱能的特性及其利用技術(shù)路徑

1.1空氣熱能特性

太陽能是地球所需能量的基本來源，也是空氣熱能的最終來源。如圖1所示，以短波輻射形式到達(dá)地球表面的太陽能，其中約31%被云層、大氣中各種分子、塵埃、微小水珠等質(zhì)點(diǎn)以及地表反射返回宇宙空間，稱為地球的星體反射率。剩下約69%中，19%被上層大氣（平流層）中的塵埃、臭氧、水蒸氣等直接吸收；約 4%被下層大氣（對(duì)流層）中的云層所吸收；約46%的太陽能最終到達(dá)地表并被吸收。被地表吸收這部分能量最終有 6%以地面（包括水面）長波輻射的形式被靠近地表的大氣層及云層吸收，約 9%以長波輻射的形式返回太空；剩余約30%則以潛熱或顯熱的形式通過對(duì)流、蒸發(fā)等方式進(jìn)入靠近地表的大氣層及云層中。被近地表大氣層吸收的這部分能量即為空氣熱能的來源。

圖1　地球總體能量平衡示意圖

常見的可再生能源形式，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿龋兄稍偕?chǔ)量豐富、綠色無碳（或低碳）等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在能源密度低、能源分布分散及間斷性供能等問題。而空氣熱能除了具有可再生能源的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有以下特點(diǎn)：

能量供應(yīng)的連續(xù)性。其他形式的可再生能源大多受分布空間（如地?zé)崮埽┗驎r(shí)間（如太陽能、風(fēng)能）的限制，無法連續(xù)穩(wěn)定供能。而空氣熱能儲(chǔ)存于環(huán)境空氣之中，無時(shí)無處不在，因此能量供應(yīng)在時(shí)間及空間上都是連續(xù)的。且空氣的流動(dòng)特性使得特定區(qū)域內(nèi)被消耗的空氣熱能能夠在很短的時(shí)間內(nèi)得到補(bǔ)充和恢復(fù)。

取之不盡，用之不竭。空氣熱能最終來源于太陽，而其直接來源則主要包括空氣吸收的地面長波輻射以及其他自然進(jìn)程和人類活動(dòng)中產(chǎn)生的熱耗散。在能量品位評(píng)價(jià)中，一般以環(huán)境空氣熱能為零點(diǎn)。通過逆卡諾循環(huán)，熱泵系統(tǒng)能夠以消耗少量高品位能源（多為電能）為代價(jià)，將空氣熱能的品位加以提升和利用。而根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱力過程中的能量衰減使得高品位的熱量最終會(huì)耗散到環(huán)境空氣（能量零點(diǎn)）中，因此熱泵系統(tǒng)將空氣熱能加以提升產(chǎn)生的高品位熱能最終也由于熱耗散重新回到空氣中（見圖 2）。因此，空氣熱能是真正意義上的取之不盡，用之不竭。

圖2　空氣熱能利用中的能量轉(zhuǎn)化/轉(zhuǎn)移過程

能源利用量受設(shè)備安裝面積影響小。可再生能源從儲(chǔ)量上來說雖是取之不盡、用之不竭，但在實(shí)際利用過程中，能源的可獲得量還與其轉(zhuǎn)換、利用的技術(shù)路線密切相關(guān)。如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿饶茉磳?shí)際獲得量是由能源密度（如太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)力、土壤或地下水溫度等）和能量接受、轉(zhuǎn)化設(shè)備（太陽能集熱器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、地埋管換熱器等）的安裝面積決定的。而由于安裝空間、投資成本等因素的限制，能量接受、轉(zhuǎn)化設(shè)備的安裝面積并不能隨意增加。而模塊化的空氣源熱泵機(jī)組安裝方便、運(yùn)行維護(hù)成本低廉，且空氣由于具有流動(dòng)性，可以在不增加或較小增加設(shè)備安裝面積的條件下，通過增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率的方法來提高空氣流量及空氣熱能利用量。

1.2空氣熱能利用技術(shù)路徑

空氣熱能利用的主要技術(shù)路徑是采用空氣源熱泵技術(shù)獲取空氣熱能并提供采暖和生活熱水（見圖4）。如圖3所示，空氣源熱泵（常見為蒸汽壓縮式）由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器等主要部件組成。根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，熱泵系統(tǒng)中工質(zhì)重復(fù)壓縮-冷凝-節(jié)流-蒸發(fā)-壓縮的相變循環(huán)：進(jìn)入壓縮機(jī)的低溫低壓工質(zhì)蒸汽經(jīng)壓縮產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，高溫高壓蒸汽在冷凝器中冷凝放熱成為高溫高壓液體，并將熱量傳遞到熱水，高溫高壓液體經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器處從環(huán)境空氣中吸熱并蒸發(fā)成為低溫低壓蒸汽并再次進(jìn)入壓縮機(jī)［2］。

圖3　蒸汽壓縮式熱泵循環(huán)示意圖

圖4　空氣熱能利用的技術(shù)路徑

簡言之，空氣源熱泵能夠以消耗部分少量電能（用以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)）為代價(jià)，將低溫的空氣熱能轉(zhuǎn)移到高溫?zé)崴小Ｓ捎跓岜脵C(jī)組所消耗的電能以及從環(huán)境中獲取的空氣熱能最終成為提供給熱水的熱量，因此與常規(guī)電熱或燃?xì)狻⑷济簾崴到y(tǒng)相比，從環(huán)境中獲取的空氣熱能（可再生能源）部分替代了等量的電能或化石燃料熱能（常規(guī)能源）。考慮到整個(gè)社會(huì)龐大的低溫?zé)崴ㄉ罴安膳療崴┬枨螅諝庠礋岜糜兄薮蟮某Ｒ?guī)能源替代及節(jié)能減排潛力。

目前市場(chǎng)上常見空氣源熱泵產(chǎn)品形式如表1所示。從功能角度講，“空氣-空氣”絕大部分是制冷空調(diào)產(chǎn)品，兼具有制熱功能，實(shí)際運(yùn)行中以制冷功能為主。“空氣-水”基本為制冷/制熱空調(diào)產(chǎn)品和熱水器。考慮空氣熱能納入可再生能源范疇，需要體現(xiàn)常規(guī)能源替代，如空氣源熱泵熱水器可替代常規(guī)電熱水器或燃?xì)鉄崴鳌⒖諝庠礋岜霉┡商娲婂仩t或燃煤（燃?xì)猓╁仩t等常規(guī)能源系統(tǒng)形式。而空氣源熱泵用于制冷的功能無法體現(xiàn)常規(guī)能源替代，空氣熱能納入可再生能源的技術(shù)路徑重點(diǎn)研究空氣源熱泵技術(shù)制熱（含生活熱水和供暖）功能，不考慮其用于制冷的功能。

2　空氣源熱泵的性能評(píng)價(jià)及節(jié)能潛力分析

根據(jù)國際通行方法，可依據(jù)一次能源利用率對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，并提出最低能效要求。空氣源熱泵技術(shù)在不同工況下或氣候區(qū)域具有不同的運(yùn)行能效（COP），能效的高低最終反映出一次能源利用率及可再生能源貢獻(xiàn)率的高低［4-6］。

空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效計(jì)算公式如下：

式中：

Q——熱泵機(jī)組供熱總量；

W——機(jī)組耗電總量。

而一次能源利用率（primary energy ratio，PER）是指供熱總量與機(jī)組耗電換算一次能源熱值的比例，其與機(jī)組COP關(guān)系如下：

其中，Qo為機(jī)組耗電量換算成的一次能源熱值；ee為火力發(fā)電效率；對(duì)于電驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組，上述COP為考慮壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)和輔助電加熱等系統(tǒng)總耗電量而得出的系統(tǒng)COP。

可再生能源貢獻(xiàn)率（Fa）是指機(jī)組從空氣中獲取的熱量占供熱總量比例，與機(jī)組COP關(guān)系如下：

其中，Qa為從空氣中獲得的熱量（可再生能源貢獻(xiàn)量）。

由以上公式可得出，一次能源利用率（PER）與可再生能源貢獻(xiàn)率（Fa）之間存在以下關(guān)系：

當(dāng)系統(tǒng)COP滿足COP＞1/ee時(shí)，即一次能源利用率超過1。根據(jù)中電聯(lián)規(guī)劃與統(tǒng)計(jì)信息部2014年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全國 6,000 kW 及以上電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗318 g/kWh，全國電網(wǎng)輸電線路損失率6.34%。折合電力用戶端煤耗318×（1+0.0634）=338 g/kWh，即到用戶端發(fā)電效率為36%。則當(dāng)空氣源熱泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行能效滿足COP＞2.78時(shí)，機(jī)組一次能源效率超過100%。

目前市場(chǎng)應(yīng)用的家用空氣源熱泵熱水器的能效現(xiàn)狀如圖5所示。該圖匯總了主要銷售品牌的家用空氣源熱泵熱水器（制熱量小于10 kW）能效分布狀況。從圖中可以看出，大部分能效在 3.5～4.2范圍內(nèi)。

圖5　家用空氣源熱泵熱水器能效分布

商用空氣源熱泵熱水器的能效現(xiàn)狀如圖6所示。該圖匯總了主要銷售品牌的商用空氣源熱泵熱水器（制熱量大于10 kW）的能效分布狀況。從圖中可以看出，大部分能效在3.7～4.4范圍內(nèi)。

圖6　商用空氣源熱泵熱水器能效分布

與常規(guī)能源熱水器（電阻式電熱水器、燃?xì)鉄崴鳌⑷济哄仩t等）相比，空氣源熱泵熱水器采用空氣能替代常規(guī)能源，具有較大的節(jié)能減排潛力。與常規(guī)能源熱水器相比，當(dāng)機(jī)組向熱水提供的總熱量為Q（單位kJ），空氣源熱泵節(jié)能量為：

式中，e0為常規(guī)能源熱水器的能效（電阻式電熱水器的電加熱效率或燃?xì)鉄崴鳌⑷济哄仩t的熱力效率）。

舉例計(jì)算，將水由15 ℃加熱至55 ℃，熱水機(jī)組每加熱一噸水需提供熱量：

當(dāng)空氣源熱泵熱水機(jī)組平均COP為3.7，則空氣源熱泵可再生能源貢獻(xiàn)率：

一次能源效率：

取電阻式電熱水器電加熱效率95%，則與電熱水器相比，每加熱一噸水，空氣源熱泵機(jī)組節(jié)電量為：

相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤：36.5×0.338=12.34 kg。

取燃?xì)鉄崴餍?5%，則與燃?xì)鉄崴飨啾龋考訜嵋粐嵥諝庠礋岜脵C(jī)組節(jié)能量為：

取天然氣低位熱值35,880 kJ/m3，相當(dāng)于節(jié)約天然氣體積152,242/35,880=4.24 m3。

目前我國城市居民生活熱水主要制取方式是電熱水器及燃?xì)鉄崴鳎紤]到我國龐大的人口基數(shù)產(chǎn)生的巨大的生活熱水需求量，采用空氣源熱泵取代常規(guī)的熱水器有著巨大的節(jié)能減排潛力。

同時(shí)，目前我國北方的集中供暖系統(tǒng)初投資高，管網(wǎng)熱損失大，分散的小型燃煤鍋爐更是存在能效低下、污染嚴(yán)重等問題。隨著我國節(jié)能減排政策的推進(jìn)，以及建設(shè)能源節(jié)約型社會(huì)和可持續(xù)發(fā)展的要求，我國傳統(tǒng)的燃煤、燃油鍋爐取暖方式越來越受到制約，使用熱泵產(chǎn)品取暖是備受鼓勵(lì)的應(yīng)對(duì)措施之一［6-11］。

3　結(jié)論與建議

空氣源熱泵目前多應(yīng)用于我國長江中下游的夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。通過技術(shù)不斷發(fā)展，針對(duì)面臨的主要技術(shù)難題：北方低溫適應(yīng)性和南方結(jié)霜及除霜問題，目前已有技術(shù)解決方案。因此，目前的技術(shù)能使空氣源熱泵在-25 ℃～43 ℃的環(huán)境溫度下正常使用，因此在我國絕大部分地區(qū)都適用.

根據(jù)國內(nèi)外上對(duì)可再生能源的屬性定義，結(jié)合我國對(duì)可再生能源定義的實(shí)際，空氣熱能與已被納入可再生能源范圍的淺層地?zé)崮芤粯樱捎脽岜眉夹g(shù)加以開發(fā)利用。由此可見，空氣熱能具備可再生能源的屬性，并且符合我國對(duì)“可再生能源”的法律定義。由此，建議將空氣熱能納入可再生能源范疇，其開發(fā)利用的具體技術(shù)路徑為制熱功能（采暖或生活熱水）的空氣源熱泵熱水機(jī)組。

［1］ 中國人民政府. 中華人民共和國可再生能源法［M/OL］.［2015-10-20］. http://www.gov.cn/ziliao/flfg/2005-06/21/ content_ 8275.htm.

［2］ 周峰, 馬國遠(yuǎn). 空氣能熱泵熱水器的現(xiàn)狀及展望［J］.節(jié)能, 2006, 25（7）: 13-16.

［3］ 李京京, 任東明, 莊幸, 等. 可再生能源資源的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法及實(shí)例［J］. 自然資源學(xué)報(bào), 2001, 16（4）: 373-380.

［4］ 馬一太, 代寶民. 空氣源熱泵熱水機(jī)（器）的出水溫度及能效標(biāo)準(zhǔn)討論［J］. 制冷與空調(diào), 2014, 14（8）: 123-127.

［5］ 吳靜怡, 江明旒, 王如竹, 等. 空氣源熱泵熱水機(jī)組全年綜合能效評(píng)定［J］. 制冷學(xué)報(bào), 2009, 30（5）: 14-18.

［6］ 張群力, 李印龍, 劉寶山, 等. 低溫空氣源熱泵供熱方式在北方供暖地區(qū)的適宜性研究［J］. 建筑科學(xué), 2015, 31（2）: 140-145.

［7］ 石文星, 田長青, 王森, 等. 寒冷地區(qū)用空氣源熱泵的技術(shù)進(jìn)展［J］. 流體機(jī)械, 2003, 31（S1）: 43-48.

［8］ 李素花, 代寶民, 馬一太. 空氣源熱泵的發(fā)展及現(xiàn)狀分析［J］. 制冷技術(shù), 2014, 34（1）: 42-48.

［9］ 尹暢昱, 付祥釗, 王勇. 公眾對(duì)供暖的觀念誤區(qū)及熱泵技術(shù)未來趨勢(shì)的分析［J］. 制冷技術(shù), 2014, 34（1）: 65-68.

［10］ 朱霞, 梁彩華, 張小松. 兩種太陽能熱泵采暖系統(tǒng)的性能模擬與對(duì)比［J］. 制冷技術(shù), 2010, 30（4）: 18-22.

［11］ 周岳, 趙曉玥, 唐貝茗, 等. 采用自然對(duì)流換熱的空氣源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)研究［J］. 制冷技術(shù), 2015, 35（2）: 13-17.

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

*孫曉琳（1985-），女，博士研究生。研究方向：熱泵及其節(jié)能技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市東川路800號(hào)，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34201561。E-mail：sxl0630@sjtu.edu.cn。

**代彥軍（1971-），男，教授，博導(dǎo)。研究方向：太陽能轉(zhuǎn)換利用與建筑節(jié)能和環(huán)境濕度控制傳熱傳質(zhì)。聯(lián)系地址：上海市東川路800號(hào)，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34204358。E-mail：yjdai@sjtu.edu.cn。