電能替代中熱泵的節(jié)能環(huán)保效益分析

● 長(zhǎng)沙市雅禮中學(xué) 何浩龍 鄺威紅

近年來(lái)，隨著資源和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，在滿足人們健康、舒適要求的前提下，合理利用自然資源、保護(hù)環(huán)境、減少常規(guī)能源消耗，已成為全社會(huì)需要面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題。研究表明，我國(guó)PM2.5排放源中，超過(guò)一半來(lái)自煤炭和石油消費(fèi)。大力推廣電能替代有助于減少環(huán)境污染物排放，提高能源利用效率，節(jié)約能源。目前電能替代已上升為國(guó)家戰(zhàn)略，成為我國(guó)防治大氣污染、改善環(huán)境質(zhì)量、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重要抓手?！丁笆濉币?guī)劃綱要》明確提出，對(duì)中小型燃煤設(shè)施、城中村和城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域等實(shí)施清潔能源替代工程。

熱泵是利用吸熱介質(zhì)從環(huán)境中采集低品位熱能，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后提高冷媒的溫度，轉(zhuǎn)換成高品位熱能后，用于采暖或熱水供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高效配置能源。熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)電能替代具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果在建筑供暖中熱泵所占比例能增加到30%，在采用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)條件下，可以使全世界CO2排放量減少13.2億噸，占全世界CO2排放量的6%。

1 熱泵節(jié)能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

1.1 節(jié)能分析

熱泵將低溫?zé)嵩吹臒崃科肺惶岣撸枰囊欢ǖ母咂肺荒芰?。因此，熱泵的能量消耗是一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。熱泵供熱系統(tǒng)用高位能W推動(dòng)一臺(tái)動(dòng)力機(jī),然后再由動(dòng)力機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)(如制冷壓縮機(jī))運(yùn)轉(zhuǎn)，工作機(jī)像泵的作用一樣從低溫?zé)嵩?如水)攝取熱量Qe，并把Qe的溫度提高，向暖通空調(diào)系統(tǒng)供出熱量Qh=Qe+W，用熱泵的制熱性能系數(shù)β來(lái)衡量熱泵的能量效率。

式（1）說(shuō)明了熱泵的制熱性能系數(shù)β永遠(yuǎn)大于1。因此，用熱泵供熱比用熱泵驅(qū)動(dòng)能源直接供熱要節(jié)約高品位能。

以水源熱泵為例，水源熱泵運(yùn)行系統(tǒng)在夏天運(yùn)行時(shí)利用的水體溫度通常為18～29℃，水體溫度會(huì)低于環(huán)境空氣溫度，因此制冷過(guò)程中的冷凝溫度會(huì)隨之降低，其制冷效果明顯要高于傳統(tǒng)的冷卻塔式或風(fēng)冷式，并節(jié)省了除霜過(guò)程中消耗的能量。同時(shí)，制冷劑充灌量比常規(guī)空調(diào)減少25%,而且制冷劑泄漏概率大為減少，制冷時(shí)要比普通空調(diào)節(jié)能15%～20%，可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。水源熱泵系統(tǒng)在冬季運(yùn)行利用的水體溫度通常為12～22℃，水體溫度會(huì)高于環(huán)境空氣溫度，因此提高了熱泵循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，能源利用效率得到有效提高，制熱效率高達(dá)3以上，而燃煤（氣）鍋爐僅為0.7～0.9，可比鍋爐節(jié)省70%以上的能源。

1.2 經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)全面分析各種熱泵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，在壽命期內(nèi)節(jié)約總電費(fèi)空氣能熱泵達(dá)36萬(wàn)元，地源熱泵為27萬(wàn)元。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，水源熱泵系統(tǒng)與水冷冷水機(jī)組加燃?xì)忮仩t系統(tǒng)相比，其年運(yùn)行費(fèi)用能夠節(jié)省27%左右，在相同的制冷效果下，能夠?yàn)闃I(yè)主提供更低費(fèi)用的空調(diào)運(yùn)行系統(tǒng)；同時(shí)。水源熱泵系統(tǒng)在初始投資、建筑空間節(jié)約、施工周期等方面的經(jīng)濟(jì)消耗會(huì)明顯降低，并具有供熱、制冷、提供生活熱水等多種功能，因此其經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1.3 環(huán)保效益分析

我國(guó)因采暖鍋爐噸位小、效率低、燃燒點(diǎn)嚴(yán)重分散等造成了大氣的嚴(yán)重污染。燃煤產(chǎn)生的污染物主要有煙塵、CO2、SO2、NOx，這些污染物對(duì)人類產(chǎn)生的影響很大。其中SO2是形成酸雨主要原因，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境；CO2是使全球變暖的罪魁禍?zhǔn)?；煙塵則危害人類以及各種動(dòng)植物的健康。因此，在一些大城市和特殊地區(qū)，環(huán)保部門(mén)限制使用燃煤和燃油鍋爐，以保護(hù)大氣環(huán)境。為保護(hù)大氣環(huán)境，也應(yīng)積極開(kāi)展熱泵在暖通空調(diào)中的應(yīng)用研究工作。熱泵在暖通空調(diào)中的應(yīng)用將會(huì)帶來(lái)環(huán)境效益，對(duì)溫室效應(yīng)也起到積極作用。據(jù)有關(guān)資料介紹，與燃煤鍋爐相比，使用熱泵平均可減少30%的CO2排放量；與燃油鍋爐相比，CO2排放量可減少66%，排熱量也減少。

2 熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響因素分析

2.1 氣象條件對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響

湖南省雖地處夏熱冬冷地區(qū)，但各地氣象條件的差異還是比較明顯，同樣的建筑在不同的地區(qū)，由于在負(fù)荷情況等方面的差異，對(duì)空氣源熱泵和水源熱泵而言，同一熱泵系統(tǒng)在不同區(qū)域的能耗狀況以及能夠?qū)崿F(xiàn)的節(jié)能控制效益也是不同的。實(shí)踐證明，同一熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的能源消耗量呈現(xiàn)出由北向南逐漸遞增的規(guī)律。同時(shí)，不同季節(jié)的氣象條件對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行也有較大影響，湖南地區(qū)上半年低溫多雨，下半年空氣干燥，同等條件下，熱泵能耗隨空氣濕度增大而增加。

2.2 建筑物特點(diǎn)對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響

建筑物特點(diǎn)對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響是多方面的，如設(shè)備發(fā)熱量、建筑蓄熱特點(diǎn)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、人員密度、新風(fēng)量等。因此，在對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型時(shí)，一定要綜合考慮建筑物的規(guī)模與內(nèi)部負(fù)荷等因素，選擇真正符合建筑物特點(diǎn)的水源熱泵機(jī)組及其運(yùn)行系統(tǒng)。

3 熱泵節(jié)能運(yùn)行的控制措施

3.1 科學(xué)選擇熱泵的機(jī)型

根據(jù)區(qū)域地理位置的不同、制冷供熱需求大小的不同、建筑物的特點(diǎn)以及熱泵機(jī)組的使用范圍，業(yè)主和施工方必須堅(jiān)持從實(shí)際出發(fā)，對(duì)熱泵系統(tǒng)的機(jī)型進(jìn)行科學(xué)選擇，使用最優(yōu)的工質(zhì)，如對(duì)于高溫水源熱泵機(jī)組就應(yīng)使用高溫工質(zhì)。

3.2 重視對(duì)機(jī)組運(yùn)行系統(tǒng)的優(yōu)化

在對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，要在成本控制的有效范圍內(nèi)，堅(jiān)持機(jī)組運(yùn)行系統(tǒng)能效比的最大化和機(jī)組設(shè)計(jì)工況下COP的最大化為優(yōu)化目標(biāo)，有效處理好運(yùn)行成本、能源消耗、節(jié)能效果之間的關(guān)系，可以把機(jī)組穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型作為系統(tǒng)優(yōu)化的約束條件，計(jì)算出水源熱泵機(jī)組各部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化參數(shù)，如換熱器的面積、類型等幾何參數(shù)。

3.3 堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，熱泵系統(tǒng)的工作原理也在不斷進(jìn)步和發(fā)展，比如目前水源熱泵正在大范圍推廣的復(fù)疊型循環(huán)機(jī)組、多級(jí)壓縮循環(huán)機(jī)組和級(jí)聯(lián)型機(jī)組，其節(jié)能效果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很大的提升，并且新技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越成熟。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，社會(huì)購(gòu)買力大大增強(qiáng)，熱泵的高初投資對(duì)其應(yīng)用的影響將越來(lái)越小。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展，熱泵在技術(shù)上也趨向成熟。隨著科技的發(fā)展，地源熱泵的技術(shù)將更加成熟而其使用成本將下降。因此，熱泵因其節(jié)能性、環(huán)保性必將成為21世紀(jì)最有發(fā)展前途的供暖空調(diào)系統(tǒng)裝置之一。