可再生能源在供熱制冷技術中的應用研究

岳 嵩

（山東建筑大學，山東 濟南 250101）

數十年來，我國采用粗放型方式發展經濟，始終存在著高污染、高能耗、浪費嚴重等問題。據統計，2017年，全國能源消費量達44.9 億噸標準煤，高居世界第二（僅排在美國之后），山西已經出現了地陷村，我國每年都必須從國外進口大量煤炭、石油、天然氣，但能源的缺口年年仍在擴大。

1999年，國家取消福利分房制度后，建筑業迎來發展的黃金時期。而建筑能耗在國內總能耗中所占比例也急速上升（專家估計：建筑能耗總量占國內總能耗的1/3）。建筑能耗包括照明、電梯、炊事、空調（供熱制冷）、通風等各方面，其中，又以供熱制冷耗能占比最大。據研究，供熱制冷能耗占建筑能耗的1/3左右。 因此，我們應當抓住矛盾的主要方面，努力嘗試在建筑供熱制冷技術中積極應用可再生能源。

1 可再生能源

能源可分為不可再生能源與可再生能源兩大類。不可再生能源包括石油、煤炭、天然氣等。這些能源都是經過億萬年地質演變形成的，經過燃燒消耗，會生成二氧化碳等氣體，在短期內無法恢復。可再生能源則包括風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能等非化石能源。可再生能源是取之不盡、用之不竭的，并不會因為人類的開發利用而減少，且分布廣泛，適宜就地開發。

長期以來，國內始終彌漫著“地大物博”的盲目樂觀情緒。但實際情況卻是：目前，國內石油可采儲量已不足30年，煤炭可采儲量不足100年，2018年石油對外依存度已經超過2/3，天然氣對外依存度接近40%，煤炭進口量高居世界第一（占全球煤炭貿易量的1/4）。在這種形勢下，開發利用可再生能源，可以實現我國發展方式轉型，推進中國經濟長期可持續發展。

2 可再生能源在供熱制冷技術中的應用

2.1 地熱能

地球內部存在著巨大的熱量，據測算，每深入地下1 000 m，溫度就上升3 ℃，地殼底部的溫度高達1 000 ℃。全球地熱能資源總量相當于4 948 萬億噸標準煤，而中國地熱資源約占全球地熱資源總量的1/6（相當于825 萬億噸標準煤）。

根據地熱溫度的高低，可分為高溫（超過150 ℃）、中溫（90～150 ℃）、低溫（90 ℃以下）3種。國內336個城市中，可開采利用的地熱能資源量相當于7 億噸標準煤，可保證320 億m2建筑面積的供熱制冷（而全國城區住房總面積僅為145.9 億m2）。

目前，應用地熱能的供熱制冷技術主要是地熱熱泵。地熱熱泵利用地下水、城市中水作為夏季制冷的冷源、冬季供熱的熱源。用戶只需向地熱熱泵輸入少量電能，便可將低溫位熱能轉移為高溫位熱能。地熱熱泵通過深埋在建筑四周的管道系統與建筑內部進行熱交換：冬季取代鍋爐，從淺表地層中取出地熱向建筑物室內供熱；夏季代替空調，把建筑物室內的熱量取出，釋放到地下水或土壤中。地熱熱泵高效節能，用戶每消耗1度電的能量，可得到4度以上的熱量或冷量，與電供暖相比可節約70%的能耗，與鍋爐相比則提高了75%的效率。而且在運行過程中不產生任何污染，應用范圍廣（可應用于寫字樓、居民區、賓館、學校）、使用壽命長（可長達50年，普通空調則只能使用35年）。

目前，瑞士、挪威、加拿大、日本等國都已廣泛應用地熱熱泵技術進行建筑物供熱制冷。我國地熱熱泵市場發展勢頭也非常迅猛，每年增長速度接近30%，每年發展總量相當于發達國家的總和。

2.2 太陽能

太陽每分每秒都在進行核聚變，釋放出大量的能量。據統計，太陽輻射到地球大氣層中的能量僅為其總輻射能量的二十二億分之一，但仍高達173 000 TW。換句話說，太陽每年照射到地球上的能量相當于130萬億噸標準煤。太陽光普照大地，不受任何地域的限制，人們可以直接采集太陽能，而不必進行開采、運輸。太陽能屬于最清潔的能源之一，而且可以維持上百億年，因此，太陽能利用前景巨大。

具體到供熱制冷技術中，則主要應用太陽能進行太陽能采暖與太陽能制冷。

2.2.1 太陽能采暖系統

太陽能采暖，是指通過太陽能集熱器（包括太陽能集熱板、真空太陽能管等）收集陽光中的熱量，利用這些熱量將管道中的水從低溫加熱到高溫（可達50 ℃），再將熱水輸送到地板采暖系統，向房間進行供熱。

目前，國內主要應用的是熱管式真空管太陽能熱水器。它由吸熱板、熱管、玻璃管、金屬端蓋、消氣劑等部件組成，綜合應用真空技術、玻璃-金屬封接技術、熱管技術、磁控濺射涂層技術，可保證全年運行，而且提高了承壓能力與水溫，安裝也較為方便。投入使用后短則3年，長則5年即可收回投資成本，而其使用壽命可長達20年，具有較高的經濟效益。使用太陽能采暖，需要考慮整個建筑的冬季所需的平均熱量，合理設計集熱面積，還要注意將它與地板采暖相結合。

2.2.2 太陽能制冷

太陽能制冷，即利用太陽能驅動空調系統進行制冷。從理論上說，太陽能制冷可采用光-電轉換與光-熱轉換兩種方式。但當前太陽能電池價格居高不下（太陽能電池以硅為原料，提煉多晶硅成本較高），繼而導致光-電轉換制冷缺乏性價比，因此，太陽能光-電轉換制冷在短時期內還難以推廣。

太陽能光-熱轉換制冷是將太陽能轉換成熱能，再利用熱能驅動制冷機制冷。太陽能光-熱轉換制冷又可分為太陽能吸附式制冷與太陽能吸收式制冷：太陽能吸附式制冷利用吸附床中的固體吸附劑對制冷劑進行周期性的吸附-解吸附，完成制冷循環，無噪音，無運動部件、運行費用低，但目前仍然處于試驗階段。而太陽能吸收式制冷空調則已進入商業應用階段。

太陽能吸收式制冷空調，由太陽能集熱器與吸收式制冷機組成。太陽能集熱器采集陽光中的熱量，為吸收式制冷機提供其發生器所需要的熱媒水，熱媒水溫度越高，則制冷機的性能系數越高，制冷效率相應也會上升。據測算，熱媒水溫度達到60 ℃，制冷機性能系數可達到0～40；熱媒水溫度上升到120 ℃，制冷機性能系數可上升超過110。

夏季陽光照射時間長，因此，太陽能吸收式空調具有良好的季節適應性。傳統空調以氟利昂為工質，對臭氧層有極大的破壞作用，而太陽能吸收式空調則以溴化鋰為工質，無毒、無害、保護環境。將太陽能吸收式空調與太陽能采暖系統結合起來，夏季可以制冷，冬季可以采暖供熱，還可以為用戶提供熱水。

雖然太陽能吸收式空調具有上述優點，但目前市場上銷售的溴化鋰制冷機都是大型產品，只適用于中央空調，因此，難以推廣進普通家庭。而且太陽能吸收式空調需要較大的采光面積，當前，難以在高層建筑上大規模應用，而只適用于樓層不多的建筑。

3 結語

目前，歐盟正在力爭到2020年實現所有新建筑物零能耗。反觀國內，在終端能源消費中，可再生能源僅占13%左右；在建筑供熱技術中，應用可再生能源的占比不足15%。由此可見，可再生能源供熱制冷技術在國內還有很大的成長空間。我們應當加快研發、推廣、應用可再生能源供熱制冷技術，以降低建筑能耗，促進建筑業綠色可持續發展。