新型清潔能源

摘要：作為一種新型的清潔能源，空氣能具有良好的發(fā)展?jié)摿?，由于其在建筑中的?yīng)用仍處于起步階段，因此存在許多亟待解決的問(wèn)題。本文主要以空氣能熱泵技術(shù)為主要研究對(duì)象，依托某實(shí)際工況，討論了空氣能熱泵技術(shù)原理、一體化設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)選擇及施工工藝要求等方面問(wèn)題，確定了空氣能技術(shù)與建筑一體化應(yīng)用中主機(jī)安裝、主機(jī)基礎(chǔ)架高、水泵循環(huán)系統(tǒng)以及施工過(guò)程中工程準(zhǔn)備、設(shè)備安裝、控制系統(tǒng)和后續(xù)收尾等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)方面的技術(shù)要求，為空氣能與建筑一體化應(yīng)用技術(shù)的推廣提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：清潔能源；空氣能；建筑；一體化設(shè)計(jì)；空氣能熱泵

中圖分類(lèi)號(hào)：TU2"""" """""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""""" """""" """""文章編號(hào)：

New Clean Energy：Research on Application Technology about the Integration of Air Energy and Building

Abstract： As a new type of clean energy， air energy has good development potential， but the application of it in the building is still in the initial stage， and there are many urgent problems to be solved. This paper mainly with air energy heat pump technology as the main research object， relying on an actual condition， put forward the air energy heat pump technology principle， integrated design principle， system selection and construction technology requirements， they are determined that the key technical aspects such as main engine installation， main engine foundation frame height， water pump circulation system， engineering preparation， equipment installation， control system and subsequent ending in the integrated application of air energy technology and building， for the air and building integration technology to provide theoretical support.

Keywords： clean energy; air energy; building; integration design; air energy heat pump

1 概述

據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2060年，太陽(yáng)能和其他可再生能源將替代石油和煤炭，逐漸成為世界能源的主角，全球可再生能源的用量將發(fā)展到能源總用量的50%以上，成為未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的主要部分。采用新能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展道路的重要措施，也是當(dāng)今人類(lèi)朝向居住生活復(fù)合型能源供應(yīng)發(fā)展的主要趨勢(shì)[1]。2020年9月22日，中國(guó)在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上正式提出2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須以科技創(chuàng)新為先導(dǎo)。黨的二十大以來(lái)，把美麗中國(guó)建設(shè)，節(jié)約集約，綠色低碳發(fā)展，推進(jìn)生態(tài)優(yōu)先，作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色化、低碳化高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。發(fā)展綠色建筑，開(kāi)發(fā)清潔能源的有效利用已刻不容緩，要全面推行綠色建筑，除了需要政策上的支持和保障，還應(yīng)有完善的理論和技術(shù)作為支撐才能順利實(shí)現(xiàn)。

太陽(yáng)能、風(fēng)能、空氣能等清潔能源的有效利用是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要措施之一，也是當(dāng)今全球開(kāi)發(fā)新型清潔能源供應(yīng)的主要趨勢(shì)[2]。在建筑領(lǐng)域中，空氣能作為一種新型可再生清潔能源正在成為當(dāng)今前國(guó)內(nèi)外研究的主要方向之一[3]?？諝饽軕?yīng)用理論及應(yīng)用實(shí)踐方面存在諸如低溫下運(yùn)行的狀態(tài)差、持續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性不佳、市場(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊等亟待解決的問(wèn)題。因此，在推廣綠色低碳建筑過(guò)程中，如何有效地應(yīng)用空氣能成為關(guān)鍵問(wèn)題。本項(xiàng)目正是基于上述實(shí)際需要，并結(jié)合東北地區(qū)特有氣候條件、自然條件和民族特色，從空氣能與建筑一體化角度開(kāi)展研究，旨在實(shí)現(xiàn)空氣能在建筑中的有效應(yīng)用，并積極促進(jìn)改善低溫下運(yùn)行狀態(tài)、提升持續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性及優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量等方面效果。同時(shí)，該項(xiàng)目還將為清潔能源在綠色建筑領(lǐng)域地應(yīng)用提供必要的技術(shù)支撐[4-6]。

2 空氣能應(yīng)用技術(shù)原理

空氣能與建筑一體化應(yīng)用技術(shù)主要包括供熱水、供暖和制冷。目前本課題組已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了三聯(lián)供技術(shù)。本文重點(diǎn)闡述了建筑中空氣能熱泵技術(shù)的應(yīng)用，這是當(dāng)今最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉醇夹g(shù)之一，實(shí)現(xiàn)其與建筑一體化將節(jié)約大量能源。

空氣能熱泵技術(shù)基于逆卡諾循環(huán)原理，可以消耗更少的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作，從室外空氣中吸收大量的低品位熱能，以制冷劑（R410A環(huán)保制冷劑）為載體，把從室外空氣中吸收的大量低品位熱能及消耗的電能一起轉(zhuǎn)換成高品位的熱水中的熱能。該技術(shù)具有能耗較低，但效率較高的特點(diǎn)，且無(wú)廢氣排放。實(shí)際上，所吸收的大量低品位熱能來(lái)自太陽(yáng)能[7]，屬于可再生的清潔能源[8-9]，工作原理見(jiàn)圖1?？諝饽軣岜孟? kW·h電產(chǎn)生的熱量，相當(dāng)于傳統(tǒng)設(shè)備3 kW·h～4 kW·h電所產(chǎn)生的熱量 [10]。

3 空氣能熱泵系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)原則

在建筑設(shè)計(jì)階段，空氣能熱泵系統(tǒng)與建筑一體化設(shè)計(jì)應(yīng)從建筑、結(jié)構(gòu)、水暖、電氣等各個(gè)專(zhuān)業(yè)出發(fā)，協(xié)調(diào)考慮技術(shù)條件并提前進(jìn)行配合。主要涉及主機(jī)安裝位置、基礎(chǔ)、系統(tǒng)選擇等環(huán)節(jié)，尤其是主機(jī)位置設(shè)置和基礎(chǔ)形式對(duì)于實(shí)現(xiàn)最高效地空氣轉(zhuǎn)換成能量至關(guān)重要。本文以吉林省長(zhǎng)春市某高校的項(xiàng)目為例進(jìn)行分析，其基本情況見(jiàn)表1。

3.1主機(jī)安裝位置

為了滿足能量轉(zhuǎn)化和使用需求，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐和測(cè)試，主機(jī)安裝應(yīng)滿足以下要求：①提供足夠的安裝和維護(hù)空間；安裝位置應(yīng)便于安裝維修管道和電氣連接；若安裝在屋頂上，則需要增加防臺(tái)風(fēng)及防雷電措施；并設(shè)立冬季防雪棚；②確保進(jìn)出風(fēng)口暢通無(wú)障礙；機(jī)組安裝在通風(fēng)良好且能承受其重量的地方，可以水平安裝且不會(huì)產(chǎn)生額外噪聲或振動(dòng)；并確保運(yùn)行時(shí)排出的空氣不影響鄰居，避免可燃?xì)怏w泄漏；③周?chē)O(shè)置排水道以排除冷凝水；④避免控制面板安裝在浴室內(nèi)，以免潮濕影響機(jī)組正常工作；同時(shí)，在機(jī)組周?chē)鷳?yīng)預(yù)留足夠空間，如圖2所示。

3.2 主機(jī)基礎(chǔ)架高要求

空氣能熱泵主機(jī)基礎(chǔ)的形式及是否需要架高，需要進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)的模擬分析。不同的產(chǎn)品需結(jié)合地理位置進(jìn)行核算。依據(jù)工程實(shí)際工況經(jīng)測(cè)試分析，項(xiàng)目風(fēng)場(chǎng)見(jiàn)圖3，建筑物風(fēng)場(chǎng)見(jiàn)圖4。

從測(cè)試結(jié)果中提取無(wú)架高無(wú)風(fēng)和架高無(wú)風(fēng)時(shí)的陣列速度場(chǎng)，如圖5～圖6所示；架高無(wú)風(fēng)時(shí)氣流矢量圖和底部溫度圖分別見(jiàn)圖7～圖8。

從圖5～圖8的模擬結(jié)果中可以看出，架高后底部空域新風(fēng)得以補(bǔ)充到陣列流場(chǎng)中，有效緩解了陣列的氣流短路現(xiàn)象，使整個(gè)陣列流場(chǎng)更均勻。下方新風(fēng)補(bǔ)充進(jìn)陣列，也有效改善了陣列中心冷島現(xiàn)象。根據(jù)測(cè)算表明，當(dāng)空氣流速控制在2.5 m/s以內(nèi)，并且保持空氣能熱泵間距≥1.2 m的條件下，架空高度僅需考慮排水要求（600 mm～800 mm）。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)及荷載情況進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用混凝土或者工字鋼（或槽鋼）作為基礎(chǔ)材料（見(jiàn)圖9～圖10）。如果安裝在屋頂上，則需充分考慮屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的荷載和支座構(gòu)件處的防水處理。

3.3 系統(tǒng)選擇

不同的系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)，可以根據(jù)項(xiàng)目的具體特點(diǎn)和使用要求選擇最適合的系統(tǒng)。主要系統(tǒng)名稱(chēng)及特點(diǎn)見(jiàn)表2。

循環(huán)水泵根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版），依據(jù)實(shí)際造價(jià)情況選取，但水泵流量需滿足計(jì)算要求。緩沖水箱具有緩沖、儲(chǔ)存、高效除霜、自動(dòng)排氣、清潔、多能源互補(bǔ)等功能。在安裝緩沖水箱的系統(tǒng)中，熱泵加熱的水儲(chǔ)存在水箱內(nèi)，通過(guò)感溫探頭控制系統(tǒng)啟停，減少機(jī)組的工作負(fù)荷及開(kāi)啟頻率，以延長(zhǎng)機(jī)組壽命并滿足不同時(shí)段的供熱需求，而在冬季除霜時(shí)，因水箱內(nèi)已有一定溫度，可短時(shí)間內(nèi)完成化霜工作，同時(shí)避免了因?yàn)橹鳈C(jī)除霜造成的室內(nèi)溫度波動(dòng)，對(duì)于穩(wěn)定系統(tǒng)終端，效果明顯；緩沖水箱同時(shí)可以釋放冷凍水的運(yùn)行壓力，可避免系統(tǒng)啟動(dòng)壓力保護(hù)，使機(jī)組頻繁啟停導(dǎo)致末端忽冷忽熱。根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）計(jì)算系統(tǒng)化霜維持舒適度所需最小水容量VC，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

水系統(tǒng)中管內(nèi)水流速、流量按表4中的推薦值選用，經(jīng)試算來(lái)確定其管徑。最終確定的空氣能熱泵冷暖機(jī)系統(tǒng)，如圖11所示，空氣能熱泵主機(jī)及設(shè)備房布置如圖12所示。

4 設(shè)備施工安裝工藝

整體的設(shè)備施工安裝工藝主要包括4大主要部分，詳見(jiàn)圖13。

空氣能體系的現(xiàn)場(chǎng)施工安裝工藝應(yīng)符合如下要求：①安裝場(chǎng)地應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)規(guī)定要求，并有良好的空氣通風(fēng)條件。②空氣能熱泵安裝位置：在空氣能熱泵正常運(yùn)行情況下，其周邊應(yīng)當(dāng)有足夠的空間。安裝地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)平整，且可承受空氣能熱泵的重量。③空氣能熱泵運(yùn)行噪音控制：空氣能熱泵的安裝位置應(yīng)當(dāng)考慮降低噪音和振動(dòng)的影響。④設(shè)備安裝：安裝前必須仔細(xì)檢查空氣能熱泵各個(gè)部件的完好性和緊固性，且符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。⑤應(yīng)在空氣能熱泵進(jìn)水口、出水口和水系統(tǒng)相連處安裝閥門(mén)，以便于日后設(shè)備的常規(guī)維護(hù)，并防止拆卸設(shè)備時(shí)因水流引起的問(wèn)題。⑥閥門(mén)在搬運(yùn)時(shí)不允許隨手拋擲，以免損壞。批量閥門(mén)堆放時(shí)，應(yīng)根據(jù)規(guī)格和型號(hào)進(jìn)行分類(lèi)堆放。禁止碳鋼閥門(mén)、不銹鋼閥門(mén)和有色金屬閥門(mén)混合堆放。⑦閥門(mén)吊裝時(shí)，鋼絲繩應(yīng)拴在閥體的法蘭處，切勿拴在手輪或閥桿上，以防閥桿和手輪扭曲或變形。⑧對(duì)于空氣能熱泵的線路和電氣系統(tǒng)，應(yīng)確保良好的接地連接，以保護(hù)電氣設(shè)備的安全性等。

5 結(jié)論

根據(jù)本文所進(jìn)行的項(xiàng)目分析，可以得出如下結(jié)論。

1） 空氣能是把從室外空氣中吸收的大量低品位熱能以及消耗的電能一起轉(zhuǎn)換成高品位的熱水中

的熱能。且具有能耗低、效率高及無(wú)廢氣排放的特點(diǎn)，其所吸收的大量低品位熱能實(shí)際上來(lái)自太陽(yáng)能，屬于一種可再生的清潔能源。

2） 空氣能在建筑中的有效利用需要進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，考慮風(fēng)場(chǎng)情況，選擇最適合的主機(jī)位置、

基礎(chǔ)形式及系統(tǒng)，并且進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，方可實(shí)現(xiàn)預(yù)期效率。

3） 在施工過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵守各項(xiàng)規(guī)定，以確保設(shè)備安全運(yùn)行，并取得最佳效果。

總之，空氣能是近年來(lái)新興的新型清潔能源，在市場(chǎng)潛能和發(fā)展前景方面具有較好的優(yōu)勢(shì)?？紤]到東北地區(qū)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與不同建筑風(fēng)格的融合，真正實(shí)現(xiàn)空氣能與建筑一體化，大幅提高體系低溫運(yùn)行穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量，必將推動(dòng)空氣能的廣泛應(yīng)用。此外，可替代傳統(tǒng)能源，減少污染物的對(duì)外排放，起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。因此，空氣能的開(kāi)發(fā)和利用具有更加廣闊的前景和意義。

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