清洁能源在制冷、采暖中的发展现状及前景

摘要：通过对目前所用各种清洁能源及其制冷、供热形式的分析得出热泵利用具用良好的节能效果，有巨大的发展潜力。同时进一步分析了与热泵有关的各种问题，为全面了解热泵的应用及热泵的开发、利用作了初步探讨。

关键词：清洁能源 热泵 cop 节能效果

0 引言

随着人们对环保观念的加强，同时也为了适应可持续发展战略的要求，如何有效地选取清洁能源及在此基础上有效地组织制冷、供热方式成为众多专业人士关心的话题，下面就这些问题进行分析以供大家参考。

目前在制冷供热中常采用的清洁能源形式有：（1）电能；这是目前的主要利用能源；（2）各种工业余、废热、太阳能、热电联产热及环境热（空气、江、河、湖、泊水中储存热能）；（3）天燃气、石油等产生的燃烧热。

从能源有效利用角度看，须遵循能量梯级利用原则，尽可能利用低品位的能源及各种可再生的能源制冷、供热。对于需要燃烧产生热能的情况则应先做功发电后再用余热制冷、供热即热电联产。因此上述的第二种能源方式无疑是最理想的，但受自身温度的限制需借助上述第一种或第三种能源方能加以充分利用。

目前常用的制冷、供热方式可分为三类：（一）以氟立昂为冷媒的压缩式制冷；（二）锅炉供热、热电联产供热；（三）利用低品位能的空气源热泵及水源热泵、利用天燃气、废热的吸收式热泵。

1 各种方式的工作原理及发展现状：

第一类的工作原理：以电能消耗驱动压缩机运转改变制冷剂的相变吸收室内热量降低室温。这是目前最常用的制冷形式，此种方式在

发展中存在两大隐患：（1）该方式将消耗大量电能，而从我国未来若干年的发展看，电能的供给量将不能满足需求，而制冷耗电量约占总耗电量的 30%；（2）氟立昂作为臭氧层破坏的主要物质，将在 2030全部停止使用，因此必须尽快寻找新的制冷剂。

第二类的工作原理：用电能或天燃气、石油的燃烧加热水来提高室温。这是冬季供热的主要方式。其中以天燃气为燃料最具有发展潜力，但这种方式的最大缺陷在于仅能供热不可制冷，并不能减轻夏季高峰期的用电量。

第三类的工作原理：空气源热泵及水源热泵均为靠消耗高位能拖动低位能向高位的转化。吸收式空调机也是利用热泵原理工作的。由于这种方式既可制冷又可供热实现了一机两用，低位能在全年得到了很好的利用所以近年来得到了广泛使用，也将是今后制冷、供热中的主导方式。

2 热泵的基本特性分析： 2.1 热泵的性能系数及影响因素：

cop=

热泵循环近似于逆卡诺循环，则对夏季制冷用热泵有：

cop=

Q1－－吸收的热量

W－－驱动热泵消耗的能量

同时兼有制冷机与热泵功能的联合循环机有：

cop s===1+2 cop

Q2－－向高温处放出的热量

影响热泵cop因素有：高低温热源温度及二者的差值。Cop随着低温源温度的降低而降低，随着高温源温度的升高而降低。同时低温源温度变化带来的影响超过了高温源温度的影响，因此尽可能选用较高的低温热源。对于兼有制冷与热泵功能的联合循环机，可同时向用户提供热水和冷水，能够获得最高的能量效果。

2.2 热泵系统的能源利用率：

人门往往认为cop高的热泵其能效比就高，其实对采用不同高位能源的热泵而言cop不具有可比性，因为电能、液体燃料、气体燃料均可作为低品位能向高品位转换的附加能量，但其价值不一样，电能通常由其它初级能源转变而来，转变中必然存在损失，即使cop值相同所消耗的初级能源也未必相同。为此提出热泵的能源利用率来评价热泵的节能结果。

PER(primary energy ratio)=

PER－－能源利用率

下面分析不同能源驱动时热泵的PER：

2.2.1 电能驱动热泵：设发电机发电效率为y1，输配电效率为y2，则这种热泵的能源利用率为：PER=cop*y1*y2。目前凝汽式火力发电站的发电效率y1=0.25～0.35，输配电效率y2=0.9，若取y1*y2=0.27，cop=3，则：PER=0.81。其能流过程见图（1）。

2.2.2 内燃机驱动热泵：设内燃机的热机效率为y=0.37，热泵cop=3.0，则内燃机驱动热泵的能源利用率为：PER=cop*y=1.11。其能流过程见图（2）。

通过以上运行比较，不难发现内燃机驱动热泵与电能驱动热泵相比具有能量利用优势。若用锅炉采暖一般中小型锅炉房的供热系统其能量利用率PER =0.5～0.7。因此热泵供暖能源利用方面总要优于锅炉。

3 热泵使用中应注意的问题： 3.1 热泵供热量与建筑物耗热量间的矛盾：

通过对性能系数cop的分析得知，低温热源的温度高低直接影响着热泵冬季供暖的效果及运行的可靠性。对建筑物而言采暖耗热量在建筑热工特性固定时仅取决于室内外温差的大小。不防把房间的传热过程近似为一维稳态传热，则建筑耗热量公式可表示为：

Q d= Qc

式中：Qc－－建筑设计耗热量（KW）

Qd－－建筑实际耗热量（KW）

tn－－室内空气温度 （℃）

tsj－－设计室外温度 （℃）

to －－实际室外温度 （℃）

Qd=KwAw（tn-to）

式中：Kw－－围护结构传热系数（KW/m2 ℃）

Aw －－围护结构传热面积 (m2)

上式中 Q—to关系在图（3）中表示一条直线，即图（3）中的 AB线热泵循环近似于逆卡诺循环 令ε= 则：

QL=ε QZ

QL －－热泵制热量 （KW）

QZ －－热泵制冷量 （KW）

其中ε是tL(冷凝温度) 、tZ（蒸发温度）的函数，设tL不变，QZ仅与tZ有关则有以下方程： QZ= a+btZ

另外蒸发器的制冷量与蒸发器自身的热性能参数有关，则有下式成立 QZ=M(to- tz)

式中： M=

K－－蒸发器传热系数

F－－蒸发器传热面积

Cp －－空气的比热

m －－通过蒸发器的流量

设 k、 F、 m固定，则可绘出不同时的QZ to 曲线如图（3）

由 QZ= a+btZ

QZ=M(to- tz)

可得出热泵制冷与室外温度to时的关系：QZ=

这种关系在图（3）中可用 CD线表示。

图（3）

在交点处热泵供热量等与建筑耗热量，O点为平衡点。在平衡点左表示热泵供热不足，必须补充加热量。因此要充分考虑补充加热量后引起的设备投资和运行费用的增加，经济有效地选择平衡点。

3.2.1 对空气热泵还应考虑室温过低时要解决空气源热泵的结霜和除霜问题。

3.2.2在水源热泵中应充分考虑所用水源的温度及水源品质如：生活废水应考虑措施保证其清洁度及解决水的腐蚀；地下水应考虑水的回灌问题及考虑回灌后对地下水的污染问题。

辐射吊顶方式，其具体优点如下：

（1）热辐射表面积很大，与散热器采暖相比在达到同样供暖水平下，可大幅度降低表面温度，能充分利用各种废热及地下热源充分体现了热泵的节能效果。

（2）由于热辐射表面积很大。辐射面温度为时即可达到室内空气为供暖效果，这样将可增加冬季室内空气的相对湿度（因为随着温度降低，空气相对湿度将增加）避免了空气过于干燥下使用加湿器引起室内墙面结露的可能性。

5.结论：

5.1 通过对各种清洁能源及使用方法的分析得出：利用热泵及地下热源的方法将是今后制冷供热中最具潜力的形式。

5.2 引入一次能源利用率分析得出：内燃机驱动热泵与电能驱动热泵相比具用更大的结能效果。

5.3 分析了性能系数与一次能源利用率的区别得出的大小决定能效比的大小。

5.4 引入热泵平衡点的由来，如何经济有效地选择平衡点将最终决初投资与辅助加热器的投资。

5.5 采用一户一机形式的热泵制冷供热与中央空调相比具有更大的节能效果。同时在此方式下采用辐射吊顶的方式将使温度与舒适完美的结合起来。

参考文献：

1.徐邦裕 陆压俊 马最良。热泵。中国建筑工业出版社。

2.徐伟 邹瑜。供暖系统温控与热计量技术。中国计划出版社。