严寒地区低能耗建筑供热方式应用研究

闫月鹏

（忻州市建筑设计院 忻州市 034000）

0 引言

当前我国最主要的供热方式还是采用煤锅炉和燃气锅炉等方式进行，以煤炭为主的能源在开采过程中会造成水土流失、水资源污染等问题，导致生态失衡，还会对周围环境造成严重的污染，导致温室效应等。我国严寒地区的供暖面积大约占我国面积的1/3，造成的雾霾等问题同样严重。因此，在这样的背景下，研究低能耗建筑供热方式是有社会意义的。低能耗建筑需要的能耗少，能够达到节能减排的目的，在供热方式的选择中尽可能地选择清洁能源，而且用一种或者多种清洁能源互补供热，实现建筑的节能减排目标。

1 低能耗建筑供热方式

1.1 太阳能供热

太阳能是一种清洁可再生的能源，容易获取、能量无尽。在太阳能的开发利用上具有无有害气体、废渣等影响环境的产物生成的优势。不过太阳能的缺点在于不确定、昼夜交替和气候变换的影响大、需要蓄热水箱储存热量、利用率低的特点。太阳能的辐射强度随着纬度变化，根据辐射能力可以将我国划分为五类地区。严寒地区属于第三类地区，拥有较充足的太阳能资源利用条件。太阳能转换系统包括集热器、蓄热水箱、水泵、控制系统、供回水管路以及散热末端，严寒地区供热适合使用集热效率高的真空管型集热器，有不错的利用效果。

1.2 空气源热泵供热

空气源热泵是一种能够高效、节能方式运行的清洁能源，也是具有良好电热转换率的热源。我国的南方已经普遍使用空气源热泵作为供生活热水循环的设备。严寒地区的室外温度一般在-20℃~-26℃之间，而常规的空气源热泵最适合的运行条件是-5℃左右，因此推广应用条件较为苛刻，为了提升严寒地区空气源热泵的制热性能，空气源热泵开发出了双级压缩、喷气增焓型的空气热泵，能够提升热泵的COP值，解决传统泵机的制热性能差的问题，为严寒地区的供热提供可靠条件。空气源热泵系统包含空气源热泵、储热水箱、循环水泵、智能控制系统、末端辐射板和循环管路等。

1.3 电供热系统

电能也是一种清洁的能源，供热安全、便捷，能够减少雾霾、保护大气。由于当前天然气供应的影响，严寒地区的电采暖增长速度不断加快，很多省份都出台了加大电采暖技术发展的技术措施，作为新兴的前沿技术，电采暖可以利用电力的错峰填谷、科学调配使用电力能源等解决实际供热问题。目前，主要的电供热有电锅炉、蓄热电锅炉等。严寒地区尤其是东北三省一致电力供应大于需求，因此如果能够有效利用电能，不仅仅可以消耗多余的电力，也能够降低煤炭消耗，提升冬季的空气质量，提高电气化水平。而且，电供热便于操控也比较灵活，采暖耗能计量也准确，从施工方面看，施工简便有利于成本的节约，从电热转换的效率看，电加热的效率在98%以上，而且无需专门的热源。

1.4 末端散热设备

传统的末端散热设备有散热器、地板辐射和暖风机等，这些设备能够提供部分热量，但是占据空间大，能源消耗也大，近年来，毛细管网由于其舒适、节能和占用空间小的特点得到了广泛应用。毛细管辐射板利用水作为介质来供热或者只能，能够高效节约能源、降低建筑的消耗，如果能够与太阳能集热器和空气源热泵配合使用，可以达到更好的节能效果。

2 低能耗建筑新型复合供热系统研究

在某些实际的建筑工程中，比如公园的管理用房、边防哨所以及公路服务区等，比较偏僻，没有办法接入市政供暖系统和供热管道，使用太阳能无法满足全天的供热需求，而空气源热泵也由于投资费用较高而且对安装场地有要求难以应用，电能的供热方式资源消耗巨大，因此，通过对低能耗建筑用热需求和供热方式的研究，提出了多种供热方式互补的清洁能源供热方式，即联合太阳能、空气源热泵、电辅助复合供热，采用毛细管辐射板作为末端的智能供热系统。

由于太阳能和空气源热泵各自的特点，可以进行联合。空气源热泵能够弥补太阳能供热不稳定和季节性特点，联合运行能够各自独立运行也能够互相补充。当太阳能足够的时候太阳能供热运行，不足时由空气源热泵运行，节能效果显著；极寒气候空气源热泵的能耗加大，则可以采用电辅助的方式来辅助供热，补充太阳能和空气源热泵的不足。

复合供热系统可以采用PLC智能控制，利用热电偶温度传感器和光敏传感器进行数据测试，通过集成芯片对太阳能、空气源热泵系统进行数据采集，完成自动控制，再使用远程操控系统来设定和监控蓄热水箱、太阳能集热器、供回水管、室内外温度等参数。

当日照充足、太阳辐射能大、集热效率高时，热电偶温度传感器检测太阳能集热器的供水出口与蓄热水箱水温的温差，满足室内热负荷就启动太阳能供热系统，利用供水循环泵将热水送入毛细管网，如果蓄热水箱温度达到35℃以上，关闭系统，此时热能完全来源于太阳能；太阳辐射强度弱，供水出口与蓄热水箱水温的温差不满足设定要求时，自动启动空气源热泵加热水箱中的水，直到达到35℃。如果遇到阴天、雨雪天气时，单一的供热组难以达到需求的温度，可以启动太阳能和热源泵一起进行供热；每年的一月份属于采暖季的极寒天气，空气源热泵系统耗能巨大，如果太阳能供热不能达到要求，根据监测的温度自动开启电供热系统，由于此时太阳能供热系统也已经开启，因此需要的电量较小；由于电辅助供热系统的存在，因此即使太阳能供热系统与空气源热泵系统出现故障，也可以直接采用电加热的方式进行供热。

3 实际环境效益与经济性分析

通过数据统计可以得知，当太阳能、空气源热泵以及电辅助系统使用的年限少于15年时，采用最强太阳辐射下的太阳能集热面积和空气源热泵的配合最为经济，太阳能集热负荷、超低温空气源热泵和电加热所占的负荷比例约为25：70：1，通过实际工程检测，系统能够在节能高效的环境下运行。

太阳能供热系统节能效果明显，且没有有害气体，因此环境效益很好，尤其是二氧化碳的排放量少，每年可以节约标准煤大约300kg，每10m2的集热面积全年可以减少2.84t二氧化碳；采用复合系统供热，每10m2的集热面积节约的成为为11元。通过分析可以得知：当需热量一定的条件下，太阳能和空气源热泵以及电辅助复合供热系统在运行的费用上要小于电采暖、燃气采暖和燃煤爱暖，由于复合系统使用的能源属于清洁能源，也能够有效减少二氧化碳的排放，对环境有一定的保护作用。

4 结语

我国传统的建筑供热方式主要是煤炭锅炉等供暖，对环境污染严重且资源消耗巨大。随着社会技术水平的进步，逐步提出了低能耗建筑来降低资源浪费。新兴的拱热方式将技术集中到太阳能、空气源热泵和电供暖上来，结合毛细管散热网构成了新型的智能化供热系统，通过实际监测，系统运行良好且能够带来很好的经济效益，还能够保护环境，有巨大的应用和推广价值。