可再生能源在供熱制冷技術(shù)中的應(yīng)用研究

岳 嵩

（山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101）

數(shù)十年來，我國采用粗放型方式發(fā)展經(jīng)濟(jì)，始終存在著高污染、高能耗、浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年，全國能源消費(fèi)量達(dá)44.9 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，高居世界第二（僅排在美國之后），山西已經(jīng)出現(xiàn)了地陷村，我國每年都必須從國外進(jìn)口大量煤炭、石油、天然氣，但能源的缺口年年仍在擴(kuò)大。

1999年，國家取消福利分房制度后，建筑業(yè)迎來發(fā)展的黃金時(shí)期。而建筑能耗在國內(nèi)總能耗中所占比例也急速上升（專家估計(jì)：建筑能耗總量占國內(nèi)總能耗的1/3）。建筑能耗包括照明、電梯、炊事、空調(diào)（供熱制冷）、通風(fēng)等各方面，其中，又以供熱制冷耗能占比最大。據(jù)研究，供熱制冷能耗占建筑能耗的1/3左右。 因此，我們應(yīng)當(dāng)抓住矛盾的主要方面，努力嘗試在建筑供熱制冷技術(shù)中積極應(yīng)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(jīng)過億萬年地質(zhì)演變形成的，經(jīng)過燃燒消耗，會(huì)生成二氧化碳等氣體，在短期內(nèi)無法恢復(fù)?？稍偕茉磩t包括風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿确腔茉础？稍偕茉词侨≈槐M、用之不竭的，并不會(huì)因?yàn)槿祟惖拈_發(fā)利用而減少，且分布廣泛，適宜就地開發(fā)。

長期以來，國內(nèi)始終彌漫著“地大物博”的盲目樂觀情緒。但實(shí)際情況卻是：目前，國內(nèi)石油可采儲(chǔ)量已不足30年，煤炭可采儲(chǔ)量不足100年，2018年石油對(duì)外依存度已經(jīng)超過2/3，天然氣對(duì)外依存度接近40%，煤炭進(jìn)口量高居世界第一（占全球煤炭貿(mào)易量的1/4）。在這種形勢(shì)下，開發(fā)利用可再生能源，可以實(shí)現(xiàn)我國發(fā)展方式轉(zhuǎn)型，推進(jìn)中國經(jīng)濟(jì)長期可持續(xù)發(fā)展。

2 可再生能源在供熱制冷技術(shù)中的應(yīng)用

2.1 地?zé)崮?/h3>

地球內(nèi)部存在著巨大的熱量，據(jù)測(cè)算，每深入地下1 000 m，溫度就上升3 ℃，地殼底部的溫度高達(dá)1 000 ℃。全球地?zé)崮苜Y源總量相當(dāng)于4 948 萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而中國地?zé)豳Y源約占全球地?zé)豳Y源總量的1/6（相當(dāng)于825 萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）。

根據(jù)地?zé)釡囟鹊母叩?，可分為高溫（超過150 ℃）、中溫（90～150 ℃）、低溫（90 ℃以下）3種。國內(nèi)336個(gè)城市中，可開采利用的地?zé)崮苜Y源量相當(dāng)于7 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可保證320 億m2建筑面積的供熱制冷（而全國城區(qū)住房總面積僅為145.9 億m2）。

目前，應(yīng)用地?zé)崮艿墓嶂评浼夹g(shù)主要是地?zé)釤岜?。地?zé)釤岜美玫叵滤⒊鞘兄兴鳛橄募局评涞睦湓?、冬季供熱的熱源。用戶只需向地?zé)釤岜幂斎肷倭侩娔埽憧蓪⒌蜏匚粺崮苻D(zhuǎn)移為高溫位熱能。地?zé)釤岜猛ㄟ^深埋在建筑四周的管道系統(tǒng)與建筑內(nèi)部進(jìn)行熱交換：冬季取代鍋爐，從淺表地層中取出地?zé)嵯蚪ㄖ锸覂?nèi)供熱；夏季代替空調(diào)，把建筑物室內(nèi)的熱量取出，釋放到地下水或土壤中。地?zé)釤岜酶咝Ч?jié)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(jié)約70%的能耗，與鍋爐相比則提高了75%的效率。而且在運(yùn)行過程中不產(chǎn)生任何污染，應(yīng)用范圍廣（可應(yīng)用于寫字樓、居民區(qū)、賓館、學(xué)校）、使用壽命長（可長達(dá)50年，普通空調(diào)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(yīng)用地?zé)釤岜眉夹g(shù)進(jìn)行建筑物供熱制冷。我國地?zé)釤岜檬袌?chǎng)發(fā)展勢(shì)頭也非常迅猛，每年增長速度接近30%，每年發(fā)展總量相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家的總和。

2.2 太陽能

太陽每分每秒都在進(jìn)行核聚變，釋放出大量的能量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dá)173 000 TW。換句話說，太陽每年照射到地球上的能量相當(dāng)于130萬億噸標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行開采、運(yùn)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(shù)中，則主要應(yīng)用太陽能進(jìn)行太陽能采暖與太陽能制冷。

2.2.1 太陽能采暖系統(tǒng)

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(dá)50 ℃），再將熱水輸送到地板采暖系統(tǒng)，向房間進(jìn)行供熱。

目前，國內(nèi)主要應(yīng)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(yīng)用真空技術(shù)、玻璃-金屬封接技術(shù)、熱管技術(shù)、磁控濺射涂層技術(shù)，可保證全年運(yùn)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(dá)20年，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。使用太陽能采暖，需要考慮整個(gè)建筑的冬季所需的平均熱量，合理設(shè)計(jì)集熱面積，還要注意將它與地板采暖相結(jié)合。

2.2.2 太陽能制冷

太陽能制冷，即利用太陽能驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷。從理論上說，太陽能制冷可采用光-電轉(zhuǎn)換與光-熱轉(zhuǎn)換兩種方式。但當(dāng)前太陽能電池價(jià)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(dǎo)致光-電轉(zhuǎn)換制冷缺乏性價(jià)比，因此，太陽能光-電轉(zhuǎn)換制冷在短時(shí)期內(nèi)還難以推廣。

太陽能光-熱轉(zhuǎn)換制冷是將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，再利用熱能驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)制冷。太陽能光-熱轉(zhuǎn)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(duì)制冷劑進(jìn)行周期性的吸附-解吸附，完成制冷循環(huán)，無噪音，無運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)行費(fèi)用低，但目前仍然處于試驗(yàn)階段。而太陽能吸收式制冷空調(diào)則已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。

太陽能吸收式制冷空調(diào)，由太陽能集熱器與吸收式制冷機(jī)組成。太陽能集熱器采集陽光中的熱量，為吸收式制冷機(jī)提供其發(fā)生器所需要的熱媒水，熱媒水溫度越高，則制冷機(jī)的性能系數(shù)越高，制冷效率相應(yīng)也會(huì)上升。據(jù)測(cè)算，熱媒水溫度達(dá)到60 ℃，制冷機(jī)性能系數(shù)可達(dá)到0～40；熱媒水溫度上升到120 ℃，制冷機(jī)性能系數(shù)可上升超過110。

夏季陽光照射時(shí)間長，因此，太陽能吸收式空調(diào)具有良好的季節(jié)適應(yīng)性。傳統(tǒng)空調(diào)以氟利昂為工質(zhì)，對(duì)臭氧層有極大的破壞作用，而太陽能吸收式空調(diào)則以溴化鋰為工質(zhì)，無毒、無害、保護(hù)環(huán)境。將太陽能吸收式空調(diào)與太陽能采暖系統(tǒng)結(jié)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(diào)具有上述優(yōu)點(diǎn)，但目前市場(chǎng)上銷售的溴化鋰制冷機(jī)都是大型產(chǎn)品，只適用于中央空調(diào)，因此，難以推廣進(jìn)普通家庭。而且太陽能吸收式空調(diào)需要較大的采光面積，當(dāng)前，難以在高層建筑上大規(guī)模應(yīng)用，而只適用于樓層不多的建筑。

3 結(jié)語

目前，歐盟正在力爭到2020年實(shí)現(xiàn)所有新建筑物零能耗。反觀國內(nèi)，在終端能源消費(fèi)中，可再生能源僅占13%左右；在建筑供熱技術(shù)中，應(yīng)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(shù)在國內(nèi)還有很大的成長空間。我們應(yīng)當(dāng)加快研發(fā)、推廣、應(yīng)用可再生能源供熱制冷技術(shù)，以降低建筑能耗，促進(jìn)建筑業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。