可再生能源在供热制冷技术中的应用研究

岳 嵩

（山东建筑大学，山东 济南 250101）

数十年来，我国采用粗放型方式发展经济，始终存在着高污染、高能耗、浪费严重等问题。据统计，2017年，全国能源消费量达44.9 亿吨标准煤，高居世界第二（仅排在美国之后），山西已经出现了地陷村，我国每年都必须从国外进口大量煤炭、石油、天然气，但能源的缺口年年仍在扩大。

1999年，国家取消福利分房制度后，建筑业迎来发展的黄金时期。而建筑能耗在国内总能耗中所占比例也急速上升（专家估计：建筑能耗总量占国内总能耗的1/3）。建筑能耗包括照明、电梯、炊事、空调（供热制冷）、通风等各方面，其中，又以供热制冷耗能占比最大。据研究，供热制冷能耗占建筑能耗的1/3左右。 因此，我们应当抓住矛盾的主要方面，努力尝试在建筑供热制冷技术中积极应用可再生能源。

1 可再生能源

能源可分为不可再生能源与可再生能源两大类。不可再生能源包括石油、煤炭、天然气等。这些能源都是经过亿万年地质演变形成的，经过燃烧消耗，会生成二氧化碳等气体，在短期内无法恢复。可再生能源则包括风能、太阳能、水能、生物质能、地热能等非化石能源。可再生能源是取之不尽、用之不竭的，并不会因为人类的开发利用而减少，且分布广泛，适宜就地开发。

长期以来，国内始终弥漫着“地大物博”的盲目乐观情绪。但实际情况却是：目前，国内石油可采储量已不足30年，煤炭可采储量不足100年，2018年石油对外依存度已经超过2/3，天然气对外依存度接近40%，煤炭进口量高居世界第一（占全球煤炭贸易量的1/4）。在这种形势下，开发利用可再生能源，可以实现我国发展方式转型，推进中国经济长期可持续发展。

2 可再生能源在供热制冷技术中的应用

2.1 地热能

地球内部存在着巨大的热量，据测算，每深入地下1 000 m，温度就上升3 ℃，地壳底部的温度高达1 000 ℃。全球地热能资源总量相当于4 948 万亿吨标准煤，而中国地热资源约占全球地热资源总量的1/6（相当于825 万亿吨标准煤）。

根据地热温度的高低，可分为高温（超过150 ℃）、中温（90～150 ℃）、低温（90 ℃以下）3种。国内336个城市中，可开采利用的地热能资源量相当于7 亿吨标准煤，可保证320 亿m2建筑面积的供热制冷（而全国城区住房总面积仅为145.9 亿m2）。

目前，应用地热能的供热制冷技术主要是地热热泵。地热热泵利用地下水、城市中水作为夏季制冷的冷源、冬季供热的热源。用户只需向地热热泵输入少量电能，便可将低温位热能转移为高温位热能。地热热泵通过深埋在建筑四周的管道系统与建筑内部进行热交换：冬季取代锅炉，从浅表地层中取出地热向建筑物室内供热；夏季代替空调，把建筑物室内的热量取出，释放到地下水或土壤中。地热热泵高效节能，用户每消耗1度电的能量，可得到4度以上的热量或冷量，与电供暖相比可节约70%的能耗，与锅炉相比则提高了75%的效率。而且在运行过程中不产生任何污染，应用范围广（可应用于写字楼、居民区、宾馆、学校）、使用寿命长（可长达50年，普通空调则只能使用35年）。

目前，瑞士、挪威、加拿大、日本等国都已广泛应用地热热泵技术进行建筑物供热制冷。我国地热热泵市场发展势头也非常迅猛，每年增长速度接近30%，每年发展总量相当于发达国家的总和。

2.2 太阳能

太阳每分每秒都在进行核聚变，释放出大量的能量。据统计，太阳辐射到地球大气层中的能量仅为其总辐射能量的二十二亿分之一，但仍高达173 000 TW。换句话说，太阳每年照射到地球上的能量相当于130万亿吨标准煤。太阳光普照大地，不受任何地域的限制，人们可以直接采集太阳能，而不必进行开采、运输。太阳能属于最清洁的能源之一，而且可以维持上百亿年，因此，太阳能利用前景巨大。

具体到供热制冷技术中，则主要应用太阳能进行太阳能采暖与太阳能制冷。

2.2.1 太阳能采暖系统

太阳能采暖，是指通过太阳能集热器（包括太阳能集热板、真空太阳能管等）收集阳光中的热量，利用这些热量将管道中的水从低温加热到高温（可达50 ℃），再将热水输送到地板采暖系统，向房间进行供热。

目前，国内主要应用的是热管式真空管太阳能热水器。它由吸热板、热管、玻璃管、金属端盖、消气剂等部件组成，综合应用真空技术、玻璃-金属封接技术、热管技术、磁控溅射涂层技术，可保证全年运行，而且提高了承压能力与水温，安装也较为方便。投入使用后短则3年，长则5年即可收回投资成本，而其使用寿命可长达20年，具有较高的经济效益。使用太阳能采暖，需要考虑整个建筑的冬季所需的平均热量，合理设计集热面积，还要注意将它与地板采暖相结合。

2.2.2 太阳能制冷

太阳能制冷，即利用太阳能驱动空调系统进行制冷。从理论上说，太阳能制冷可采用光-电转换与光-热转换两种方式。但当前太阳能电池价格居高不下（太阳能电池以硅为原料，提炼多晶硅成本较高），继而导致光-电转换制冷缺乏性价比，因此，太阳能光-电转换制冷在短时期内还难以推广。

太阳能光-热转换制冷是将太阳能转换成热能，再利用热能驱动制冷机制冷。太阳能光-热转换制冷又可分为太阳能吸附式制冷与太阳能吸收式制冷：太阳能吸附式制冷利用吸附床中的固体吸附剂对制冷剂进行周期性的吸附-解吸附，完成制冷循环，无噪音，无运动部件、运行费用低，但目前仍然处于试验阶段。而太阳能吸收式制冷空调则已进入商业应用阶段。

太阳能吸收式制冷空调，由太阳能集热器与吸收式制冷机组成。太阳能集热器采集阳光中的热量，为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水，热媒水温度越高，则制冷机的性能系数越高，制冷效率相应也会上升。据测算，热媒水温度达到60 ℃，制冷机性能系数可达到0～40；热媒水温度上升到120 ℃，制冷机性能系数可上升超过110。

夏季阳光照射时间长，因此，太阳能吸收式空调具有良好的季节适应性。传统空调以氟利昂为工质，对臭氧层有极大的破坏作用，而太阳能吸收式空调则以溴化锂为工质，无毒、无害、保护环境。将太阳能吸收式空调与太阳能采暖系统结合起来，夏季可以制冷，冬季可以采暖供热，还可以为用户提供热水。

虽然太阳能吸收式空调具有上述优点，但目前市场上销售的溴化锂制冷机都是大型产品，只适用于中央空调，因此，难以推广进普通家庭。而且太阳能吸收式空调需要较大的采光面积，当前，难以在高层建筑上大规模应用，而只适用于楼层不多的建筑。

3 结语

目前，欧盟正在力争到2020年实现所有新建筑物零能耗。反观国内，在终端能源消费中，可再生能源仅占13%左右；在建筑供热技术中，应用可再生能源的占比不足15%。由此可见，可再生能源供热制冷技术在国内还有很大的成长空间。我们应当加快研发、推广、应用可再生能源供热制冷技术，以降低建筑能耗，促进建筑业绿色可持续发展。