嚴(yán)寒地區(qū)低能耗建筑供熱方式應(yīng)用研究

閆月鵬

（忻州市建筑設(shè)計(jì)院 忻州市 034000）

0 引言

當(dāng)前我國最主要的供熱方式還是采用煤鍋爐和燃?xì)忮仩t等方式進(jìn)行，以煤炭為主的能源在開采過程中會(huì)造成水土流失、水資源污染等問題，導(dǎo)致生態(tài)失衡，還會(huì)對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，導(dǎo)致溫室效應(yīng)等。我國嚴(yán)寒地區(qū)的供暖面積大約占我國面積的1/3，造成的霧霾等問題同樣嚴(yán)重。因此，在這樣的背景下，研究低能耗建筑供熱方式是有社會(huì)意義的。低能耗建筑需要的能耗少，能夠達(dá)到節(jié)能減排的目的，在供熱方式的選擇中盡可能地選擇清潔能源，而且用一種或者多種清潔能源互補(bǔ)供熱，實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能減排目標(biāo)。

1 低能耗建筑供熱方式

1.1 太陽能供熱

太陽能是一種清潔可再生的能源，容易獲取、能量無盡。在太陽能的開發(fā)利用上具有無有害氣體、廢渣等影響環(huán)境的產(chǎn)物生成的優(yōu)勢。不過太陽能的缺點(diǎn)在于不確定、晝夜交替和氣候變換的影響大、需要蓄熱水箱儲存熱量、利用率低的特點(diǎn)。太陽能的輻射強(qiáng)度隨著緯度變化，根據(jù)輻射能力可以將我國劃分為五類地區(qū)。嚴(yán)寒地區(qū)屬于第三類地區(qū)，擁有較充足的太陽能資源利用條件。太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括集熱器、蓄熱水箱、水泵、控制系統(tǒng)、供回水管路以及散熱末端，嚴(yán)寒地區(qū)供熱適合使用集熱效率高的真空管型集熱器，有不錯(cuò)的利用效果。

1.2 空氣源熱泵供熱

空氣源熱泵是一種能夠高效、節(jié)能方式運(yùn)行的清潔能源，也是具有良好電熱轉(zhuǎn)換率的熱源。我國的南方已經(jīng)普遍使用空氣源熱泵作為供生活熱水循環(huán)的設(shè)備。嚴(yán)寒地區(qū)的室外溫度一般在-20℃~-26℃之間，而常規(guī)的空氣源熱泵最適合的運(yùn)行條件是-5℃左右，因此推廣應(yīng)用條件較為苛刻，為了提升嚴(yán)寒地區(qū)空氣源熱泵的制熱性能，空氣源熱泵開發(fā)出了雙級壓縮、噴氣增焓型的空氣熱泵，能夠提升熱泵的COP值，解決傳統(tǒng)泵機(jī)的制熱性能差的問題，為嚴(yán)寒地區(qū)的供熱提供可靠條件。空氣源熱泵系統(tǒng)包含空氣源熱泵、儲熱水箱、循環(huán)水泵、智能控制系統(tǒng)、末端輻射板和循環(huán)管路等。

1.3 電供熱系統(tǒng)

電能也是一種清潔的能源，供熱安全、便捷，能夠減少霧霾、保護(hù)大氣。由于當(dāng)前天然氣供應(yīng)的影響，嚴(yán)寒地區(qū)的電采暖增長速度不斷加快，很多省份都出臺了加大電采暖技術(shù)發(fā)展的技術(shù)措施，作為新興的前沿技術(shù)，電采暖可以利用電力的錯(cuò)峰填谷、科學(xué)調(diào)配使用電力能源等解決實(shí)際供熱問題。目前，主要的電供熱有電鍋爐、蓄熱電鍋爐等。嚴(yán)寒地區(qū)尤其是東北三省一致電力供應(yīng)大于需求，因此如果能夠有效利用電能，不僅僅可以消耗多余的電力，也能夠降低煤炭消耗，提升冬季的空氣質(zhì)量，提高電氣化水平。而且，電供熱便于操控也比較靈活，采暖耗能計(jì)量也準(zhǔn)確，從施工方面看，施工簡便有利于成本的節(jié)約，從電熱轉(zhuǎn)換的效率看，電加熱的效率在98%以上，而且無需專門的熱源。

1.4 末端散熱設(shè)備

傳統(tǒng)的末端散熱設(shè)備有散熱器、地板輻射和暖風(fēng)機(jī)等，這些設(shè)備能夠提供部分熱量，但是占據(jù)空間大，能源消耗也大，近年來，毛細(xì)管網(wǎng)由于其舒適、節(jié)能和占用空間小的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。毛細(xì)管輻射板利用水作為介質(zhì)來供熱或者只能，能夠高效節(jié)約能源、降低建筑的消耗，如果能夠與太陽能集熱器和空氣源熱泵配合使用，可以達(dá)到更好的節(jié)能效果。

2 低能耗建筑新型復(fù)合供熱系統(tǒng)研究

在某些實(shí)際的建筑工程中，比如公園的管理用房、邊防哨所以及公路服務(wù)區(qū)等，比較偏僻，沒有辦法接入市政供暖系統(tǒng)和供熱管道，使用太陽能無法滿足全天的供熱需求，而空氣源熱泵也由于投資費(fèi)用較高而且對安裝場地有要求難以應(yīng)用，電能的供熱方式資源消耗巨大，因此，通過對低能耗建筑用熱需求和供熱方式的研究，提出了多種供熱方式互補(bǔ)的清潔能源供熱方式，即聯(lián)合太陽能、空氣源熱泵、電輔助復(fù)合供熱，采用毛細(xì)管輻射板作為末端的智能供熱系統(tǒng)。

由于太陽能和空氣源熱泵各自的特點(diǎn)，可以進(jìn)行聯(lián)合?？諝庠礋岜媚軌驈浹a(bǔ)太陽能供熱不穩(wěn)定和季節(jié)性特點(diǎn)，聯(lián)合運(yùn)行能夠各自獨(dú)立運(yùn)行也能夠互相補(bǔ)充。當(dāng)太陽能足夠的時(shí)候太陽能供熱運(yùn)行，不足時(shí)由空氣源熱泵運(yùn)行，節(jié)能效果顯著；極寒氣候空氣源熱泵的能耗加大，則可以采用電輔助的方式來輔助供熱，補(bǔ)充太陽能和空氣源熱泵的不足。

復(fù)合供熱系統(tǒng)可以采用PLC智能控制，利用熱電偶溫度傳感器和光敏傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，通過集成芯片對太陽能、空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，完成自動(dòng)控制，再使用遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)來設(shè)定和監(jiān)控蓄熱水箱、太陽能集熱器、供回水管、室內(nèi)外溫度等參數(shù)。

當(dāng)日照充足、太陽輻射能大、集熱效率高時(shí)，熱電偶溫度傳感器檢測太陽能集熱器的供水出口與蓄熱水箱水溫的溫差，滿足室內(nèi)熱負(fù)荷就啟動(dòng)太陽能供熱系統(tǒng)，利用供水循環(huán)泵將熱水送入毛細(xì)管網(wǎng)，如果蓄熱水箱溫度達(dá)到35℃以上，關(guān)閉系統(tǒng)，此時(shí)熱能完全來源于太陽能；太陽輻射強(qiáng)度弱，供水出口與蓄熱水箱水溫的溫差不滿足設(shè)定要求時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)空氣源熱泵加熱水箱中的水，直到達(dá)到35℃。如果遇到陰天、雨雪天氣時(shí)，單一的供熱組難以達(dá)到需求的溫度，可以啟動(dòng)太陽能和熱源泵一起進(jìn)行供熱；每年的一月份屬于采暖季的極寒天氣，空氣源熱泵系統(tǒng)耗能巨大，如果太陽能供熱不能達(dá)到要求，根據(jù)監(jiān)測的溫度自動(dòng)開啟電供熱系統(tǒng)，由于此時(shí)太陽能供熱系統(tǒng)也已經(jīng)開啟，因此需要的電量較小；由于電輔助供熱系統(tǒng)的存在，因此即使太陽能供熱系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也可以直接采用電加熱的方式進(jìn)行供熱。

3 實(shí)際環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)性分析

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以得知，當(dāng)太陽能、空氣源熱泵以及電輔助系統(tǒng)使用的年限少于15年時(shí)，采用最強(qiáng)太陽輻射下的太陽能集熱面積和空氣源熱泵的配合最為經(jīng)濟(jì)，太陽能集熱負(fù)荷、超低溫空氣源熱泵和電加熱所占的負(fù)荷比例約為25：70：1，通過實(shí)際工程檢測，系統(tǒng)能夠在節(jié)能高效的環(huán)境下運(yùn)行。

太陽能供熱系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，且沒有有害氣體，因此環(huán)境效益很好，尤其是二氧化碳的排放量少，每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤大約300kg，每10m2的集熱面積全年可以減少2.84t二氧化碳；采用復(fù)合系統(tǒng)供熱，每10m2的集熱面積節(jié)約的成為為11元。通過分析可以得知：當(dāng)需熱量一定的條件下，太陽能和空氣源熱泵以及電輔助復(fù)合供熱系統(tǒng)在運(yùn)行的費(fèi)用上要小于電采暖、燃?xì)獠膳腿济簮叟捎趶?fù)合系統(tǒng)使用的能源屬于清潔能源，也能夠有效減少二氧化碳的排放，對環(huán)境有一定的保護(hù)作用。

4 結(jié)語

我國傳統(tǒng)的建筑供熱方式主要是煤炭鍋爐等供暖，對環(huán)境污染嚴(yán)重且資源消耗巨大。隨著社會(huì)技術(shù)水平的進(jìn)步，逐步提出了低能耗建筑來降低資源浪費(fèi)。新興的拱熱方式將技術(shù)集中到太陽能、空氣源熱泵和電供暖上來，結(jié)合毛細(xì)管散熱網(wǎng)構(gòu)成了新型的智能化供熱系統(tǒng)，通過實(shí)際監(jiān)測，系統(tǒng)運(yùn)行良好且能夠帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益，還能夠保護(hù)環(huán)境，有巨大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。