1.  热泵技术

       热泵技术是一种热能回收技术。使用热泵技术,利用空气、水或土壤中所藏的趋于无限的能量,一年四季都可以取出其中的热量来制造热水,或者将热量排放到空气、水、土壤中利用热泵原理制造的空调冷热水机组或者热热水机组都是一种制冷供热效率都大于1的设备。无论是水源泵或者空气源热泵,都是可以吸取温水源或空气源的热量,再将这些热量连同本身所消耗的一部分电能所转化的热量,转送到常温环境条件下去应用。就拿空气源热泵热水机组而言,利用了制冷工质循环过程的“泵”热原理,完全可以做到“1+2=”甚至“1+3=4”公式中“1”是热泵所消耗的一份能量(电能),而“2”、“3”是从空气中所吸取的热量,“”或“4”就是用来制取热水的热量即使在冬季日平均气温下,空气源热泵机组的能效比(COP)也可以达到2.5。

       应该说,热泵机组(水源或空气源)是当前最为节能、最为环保的空调采暖设备,也是最为安全、最为可靠、最为简便的热水设备。当前,燃油、燃气、燃煤的价格受国际市场的影响不断攀升,人们又转向于用电来供暖和制取热水。采用电锅炉加上蓄热技术的方案已得

到国家电力部门的认可。采用热泵机组加上蓄热技术来制取热水虽然也是用电,但用热泵机组不仅可以比电锅炉大大节约用电,而且还完全以利用低价电来大大降低运行的成本。

       热泵技术可以充分利用空调的余热,制造出空调和生热水同时产生的“两用机组”或者称之为“热回收机组”。在夏季,利用空调用的冷水机组的冷凝热回收,可以很方便地得到生活热水;在冬季,仍需要部分空调降温的场合,也能比较容易利用空调余热来制取生

活热水例如,酒店的大型中央空调系统,利用部分空调冷回水为热源,加装一台水源热泵热水机组,达到了为酒店全年供应生活热水的目的。冬季水源热泵的蒸发产生的冷水(7)则可以供应部分需要空调降温的房间(KTV包间、餐厅、歌舞厅、迪斯科舞厅等),而大型空调冷水机组可以关闭不用。

      利用水路切换的水源(地源)热泵冷热暖三联供系统,利用地下水为热源的部分热回收的制冷、供暖、热水供应的三联供系统,水源泵机组内的氟利昂介质在循环过程中的流向不改变(无论冬夏,不用四通阀切换,也没有除霜措施),仅用机外空调冷热水管路上的阀门切换,来达到夏季供冷、冬季供吸,其生活热水仅用过热氟利气体加热。

      通过热泵技术提升低品位热能的温度,为建筑物提供热量,是建筑能源供应系统提高效率降低能耗的重要途径,也是建筑设备节能技术发展的重点之一。目前,常用的热泵类型有以下几种类型:

      (1)热泵型家庭热水机组。从室外空气中提取热量制备生活热水,由电到热的转换效率可达34日本推出采用二氧化碳为工质的热泵型热水机,并开始大范围推广。当没有热、废热可利用时,这种方式应是提供家庭生活热水的最佳方式。

      (2)空气源热泵。冬季从室外空气中提取热量为建筑供热,应是住宅和其他小规模民用建筑供热的最佳方式在我国华北大部分地区,这方式冬季平均电热转换率有可能达到3以上目前的技术难点是外温在0C左右时蒸发器的结问题和为适应外温在5~-10℃范围内的变化,需要压缩机在很大的压缩比范围内都具有良好的性能。前者通过优化的化霜循环、智能化霜控制、特殊的空气换热器形式设计以及不结表面材料的研制等正在陆续得到解决。后者则通过改变热泵循环方式,如中向补气、压机联和并联转换等来尝试解决。目前,我国此领域的技术水平与研究现状与外接近。值得注意的另一个技术方向是采用大型离心压缩机配盐水冷却塔的热泵方式,通过改变压缩级数高效率地改变了压缩比,而采用盐水冷却塔则避免了蒸发器结霜。目前,日本正在研发的样机全冬季平均电热转换率已接近4,这将成为大型建筑或区域供热供冷的最佳冷热源方案。

      (3)地下水水源热泵。从地下抽水经过热泵提取其热量后再把水回灌到地下,这种方式用于建筑供热,其电热转换率可达到3~4。这种技术在国内外已广泛推广。但取水和回受到地下水文地质条件的限制,并非处处适用。研究更有效地取水和回灌方式,可能会使此技术的可应用范围进一步扩大。

      (4)污水水源热泵。直接从城市污水中提取热量,是污水综合利用的组成部分。据测算,城市污水充当热源可解决城市20%建筑的采暖。目前的方式是从处理后的中水中提取热量,这限制了其应用范围,并且不能充分利用污水中的热能。哈尔滨工业大学最近研制成功污水换热器,可直接大规模从污水中提取热量,目前处于世界领先水平。如果进一步完善和大规模推广,则将成为我国北方大型城市建筑采暖的主要构成方式之一。

      (5)地埋管式土壤源热泵。通过在地下垂直地或水平地埋入塑料管,通入循环工质,成为循环工质与土壤间的换热器。在冬季通过这一换热器从地下取热,成为热泵的热源;在夏季从地下取冷,使其成为热泵的冷源。这就实现了冬存夏用或夏存冬用。目前,采用这种方式的缺点是初投资较高,并且由于需要大量从地下取热、储热,仅适宜低密度建筑。与建筑基础有机结合,从而进一步降低初投资,提高传热管与土壤间的传热能力,将是今后低密度建筑采用热泵解决采暖空调冷热源的一种有效方式。

      如前分析,采暖用能占我国北方地区建筑能耗约50%,通过热泵技术如果能解决1/3建筑的采暖,将大大缓解目前采暖与能源消耗、采暖与环境保护间的矛盾,实现高效的电驱动采暖。

      2.输配系统能效技术

      在大型公共建筑采吸空调能耗中,60%~70%的能耗被输送和分配冷量热量的风机水泵消耗。这是导致此类建筑能源消耗过高的主要原因之一。对大规模集中供热系统,负责输配热量的各级水泵的能源消耗也在供热系统运行成本中很大比例。分析表明,这部分能量消耗可以降低50%~70%,因此降低输配系统能源消耗应是建筑节能中尤其是大型公共建筑节能中潜力最大的部分。

      由于设计和设备选择的粗糙,我国建筑内的风机水泵绝大多数的运行效率都仅为30%~50%,而实际这些风机水泵的最高效率大多可达75%~5%。如何通过调节改变风机水泵工作状况,使其与已有管网相配,从而在高效工作点工作,是对风机水泵和管网技术的挑战。仅这一技术的突破,就可使输配系统能耗降低一半,因此是具有巨大节能效益的挑战。目前,国内外都有此方面的努力,但尚无创新性突破。

      变频器的质量已很可靠,且成本足够低。采用变频风机、变频水泵对流量进行调节已很普及。但大多数采暖空调的输配系统的结构设计还是基本上沿用传统的基于阀门调节的输配系统,未能真正发挥变频调速的作用。水泵的能耗一半消耗在各种阀门上,风机的能耗25%~40%消耗在各种阀门上。彻底改变输配系统结构,去掉调节阀,用分布的风机水泵充当调节装置,即不是用阀门消耗多余能量,而是用风机泵补充不足能量,这可以使输配系统能耗比目前降低50%~70%(这还不包括提高风水泵效率)。目前,国内外都在此方面进行尝试,并有一些成功的工程实例。但需要大的研究与推广工作,包括满足这种调节性能的恒流量特性的风机水泵的研究,新的输配系统结构与设计方法,新的调节理论与调节方法等,可能更重要的还有,改变工程技术人员的传统观点和设计运行方法,才能使这一方式最终得以广泛应用。

      为降低输配系统能耗,目前已认识到应尽可能用水代替空气作为传输媒介,从而可以较小的能耗为代价输送更多的热量、冷量。而通过管道输送水所需要的能耗还可进一步通过在水中添加减阻剂来降低。国内外的研究都表明,采用某些减阻剂可使管道阻力降低到20%这将极大地降低输配系统能耗。但需进一步研究解决如提高这种方式的稳定性,消除其对传热过程的不利影响,并降低其造价,避免减阻剂本身可能造成的环境污染等技术问题。

      与减阻剂方法相对应的是采用功能热流体方法。将相变温度在系统工作范围内的相变材料微粒掺混于水中,制成“功能型热流体”,可以通过相变吸收和释放热量,从而可在小温差下输送大量热量。这就可以大大减少循环水量,从而使输送能耗降低到原来的15%30%。这一方向的研究中,清华大学已研制成这种流体,大量的传热和阻力特性试验表明这种流体具有良好的动力特性和传热特性。但最终在工程中全面推广,还要解决稳定性、成本问题等。

       3.湿度、温度独立控制技术

      目前,空调都使用5~7℃冷水或更低的低温水作为冷媒,对空气进行处理。这是因为空气除湿的需要。如果仅为了降温,采用18~20℃的冷源即可满足要求。然而一般除湿负荷仅占空调负荷的30%~50%。结果,大量的显热负荷也用这样的低温冷媒处理,就导致冷源效率低下。近年来,此领域的一个重要方向是采用温度湿度独立控制的空调方式。将室外新风除湿后送入室内,可用于消除室内产湿,并满足新鲜空气要求;用独立的水系统使18~20℃温度的冷水循环,通过辐射或对流型末端来消除室内显热。这一方面可避免采用冷凝式除湿时,为了调节相对湿度进行再热而导致的冷热抵消,还可用高温冷源吸收显热,使冷源效率大幅度提高。同时,这种方式还可有效改善室内空气质量,因此被普遍认为是未来的主流空调方式。目前,世界各国都积极开展大量的相关研究和工程尝试。

      这一方式的主要难点是新风的高效大幅度除湿,也是国内外研究的热点。我国华南理工大学近年来研究开发的除湿转轮有多项创新,可以进一步发展成为湿度独立控制系统的新风处理方式。清华大学近年研究的溶液除湿方式,利用低温源(60~0℃)驱动,可实现较高的能源利用率,并能同时实现排风的全热回收。目,这一技术也已用于实际的温度湿度独立控制的空调系统。与世界上近百个转轮除湿与溶液除湿研究小组的目前研究进展相比国内这两项空气除湿技术都处于领先的或先进的地位。进一步完善这两项技术并使其产品化,将对改变中央空调现有形式并大幅度降低中央空调能耗起重大作用。

      这种新的空调方式的实现还包括对现有末端方式的革新。采用高温冷水(18~20℃)吸收显热,应使用不同于目前方式的末端装置。国外已研发出多种辐射型末端和干式风机管,以及自然对流型冷却器等,国内也需要相应的跟踪或开发新的高效显热型末端装置。

     4.热电冷三联供技术

      当天然气为城市中主要的一次能源时,与简单的直接燃烧方式相比,采用动力装置先由燃气发电,再由发电后的余热向建筑供热或作为空调制冷的动力,可获得更高的燃料利用率。这就是所谓热电冷三联供(BCHP)。这种方式通过让大型建筑自行发电,解决了大部分用电负荷,提高了用电的可靠性,同时还降低了输配电网的输配电负荷,并减少了长途输电的输电损失(在我国此损失约为输电量的8%~10%)。

      美国为解决其电力输配和供电安全问题,近年来大力推广这一方式,并支持一大批研究单位和企业研究相关技术、政策,并开发相关产品。美国能源部预测到2020年新建建筑的5%,现有建筑的20%都将采用这种方式解决建筑物内的能源供应。我国长沙远大公司由于其在燃气直燃式吸收机方面的技术领先地位,也属于美国能源部组织的关键设备研究单位之一,其产品已用于美国的几个主要的BCHP示范项目中。

     5.太阳能辅助热源的空气源机组

      在空气为热源的热泵中,可开发利用非矿物燃料辅助热源的家用/商用制冷一采暖热水供应“三用”机组。利用一般太阳能真空玻璃管集热器作为辅助热源是一个途径,但是,太阳能真空玻璃管集热板的集热效率受天气、日照、昼夜的影响,而且1m2的真空玻璃管太阳能集热器,每日平均仅能产生65~70L的热水,而且到了冬季产热水量会更小另一种可用引进的技术中间安装有制冷剂蒸发管的太阳能蒸发面板。这种面板不同于般真空玻璃管集热器,不仅依赖太阳光的照射来吸收热量,而且可以吸取空气或自然环境中的各种热量,不受晴天、下雨的影响,也不受昼夜的影响,只要外界气温不低于一20C,即可蒸发吸热(在有太阳辐射时,每平方米面板日产热水量425L,没有太阳辐射时约300L显然比一般太阳能集热板的效率高)。该集热面板可以与建筑配合,放置于屋顶、墙面、阳台,甚至地下车库里。住宅或商业服务建筑中,能用上一套三用中央空调系统,充分利用空

调余热和大自然中热量太阳能、空气,简化流程、降低造价,达到供冷、采暖和全年热水供应的效果,可以提高生活质量,大大减少建筑耗能。

     6.蓄能空调技术

     蓄能空调技术是在蓄冷、蓄热技术的基础上发展起来的新技术,它利用蓄能设备在空调系统不需要能量的时间内将能量储存起来,在空调系统需要的时间将这部分能量释放出来将蓄能空调和电力系统的分时电价相结合,从宏观上可以平衡电网,微观上可以为空调用户节省大量运行费用。主要包括潜热蓄能,冰蓄冷,显热蓄能、水蓄冷、蓄热等相关技术。

     7.太阳能利用技术

     太阳能利用技术主要包括太阳能光电技术和太阳能光热技术,太阳能光电技术主要是将太阳能的辐射能直接转化为电能;太阳能光热技术是指在不采用特殊机械设备的情况下,利用辐射、对流和导热使热能自然流经建筑物,并经过建筑物木身的性能控制热能流向,从而得到采暖和制冷的效果。目前,太阳能光热技术的主要应用包括太阳能生活热水太阳能采暖;太阳能制冷、太阳能幕墙等。