可再生能源與采暖空調(diào)技術(shù)

[摘要]文章介紹可再生能源的定義和優(yōu)點，簡速可再生能源在采暖空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用方式。

[關(guān)鍵詞]采暖空調(diào)；可再生能源；太陽能；地熱能；熟泵

[作者簡介]單宇鈞，柳州市建筑設(shè)計科學(xué)研究院信息中心，廣西柳州，545001

[中圖分類號]TU832

[文獻標識碼]A

[文章編號]1007-7723(2009)06-0063-0002

一、引言

可再生能源是指風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能等非化石能源?？稍偕茉春突茉聪啾染哂星鍧崱h(huán)保、資源豐富和可再生的優(yōu)點。環(huán)境污染和能源緊張是我國目前面臨的兩大難題，大力開發(fā)和利用可再生能源對我國經(jīng)濟保持高速發(fā)展具有重要意義。

我國的建筑總能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空調(diào)等)約占全社會總能耗的32％，其中采暖空調(diào)的能耗占社會總能耗的比例大于20％。在采暖空調(diào)中利用可再生能源可以提高能源利用率，降低化石能源的消耗。

可再生能源在采暖空調(diào)中的應(yīng)用形式有很多種，例如：太陽能的應(yīng)用、風(fēng)能的應(yīng)用、海洋能的應(yīng)用、地熱能的應(yīng)用等。

二、太陽能在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

太陽能是無窮無盡無公害的潔凈能源，每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當于130萬億頓標準煤，開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，可以說太陽能是21世紀人類最有希望的能源。我國是太陽能資源相當豐富的國家，年日照時間大于2000小時的地區(qū)約占全國國土面積的2／3，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4kWh／m2以上，處于利用太陽能較有利的區(qū)域內(nèi)。

太陽能空調(diào)是直接利用太陽能作為主要能源的空調(diào)技術(shù)，所以它是最有效、最經(jīng)濟、最節(jié)能、最環(huán)保的空調(diào)。太陽能的利用前景廣闊，具有巨大的發(fā)展空間，在建筑節(jié)能領(lǐng)域太陽能將會扮演更加重要的角色。

太陽能在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有以下幾種形式：

(一)太陽能熱泵系統(tǒng)

太陽能熱泵系統(tǒng)是以太陽能集熱器作為熱泵系統(tǒng)的低溫熱源。通過電能驅(qū)動壓縮機使制冷劑在系統(tǒng)中往復(fù)循環(huán)運動，制冷劑和太陽能集熱器進行熱交換，汽化吸熱，在冷凝器中液化放熱，從而達到供暖的目的。太陽能熱泵的不足在于。它無法同時實現(xiàn)有效制冷循環(huán)而成為實際上的單用系統(tǒng)。此外，如果太陽能熱泵同時提供生活用熱水的話，需要考慮兩個系統(tǒng)的分配與轉(zhuǎn)換問題。

太陽能熱泵在實際應(yīng)用中通常和其他的制冷系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，從而滿足建筑供熱、制冷的要求。

(二)光電式太陽能制冷系統(tǒng)

1，太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)

太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)是利用太陽能電池產(chǎn)生的電能來驅(qū)動半導(dǎo)體制冷裝置。其工作原理是：廣伏效應(yīng)產(chǎn)生電能，再利用帕爾貼效應(yīng)達到制冷效果。這種空調(diào)技術(shù)具有使用維護簡單、無污染、儲能方便、可分散供電的特點。同時，由于是利用帕爾貼效應(yīng)的制冷技術(shù)，其不需要制冷劑、泵和壓縮機等機械，無復(fù)雜的管路系統(tǒng)，只要簡單地切換電流方向就可以使系統(tǒng)由制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)為制熱狀態(tài)。在陰雨天、夜間可利用存儲在蓄電池中的電能工作，解決了太陽能供應(yīng)的間歇性和不可靠性的問題。

太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的缺點是制冷效率較低(cOP一般約0.2—0.3)、成本高，但是由于其突出的優(yōu)點，使太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)仍具有廣闊的發(fā)展前景。

2，光-電-壓縮機式制冷系統(tǒng)

這種系統(tǒng)實質(zhì)上仍是壓縮式制冷，其通過光伏轉(zhuǎn)換裝置將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，經(jīng)過逆變(高頻或者工頻)后驅(qū)動一般的壓縮式制冷機。該系統(tǒng)的缺點是：成本高、總效率低。但是，光伏轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生的電能不僅可以用于壓縮機，還可以用于其他電器或并入電網(wǎng)。

(三)太陽能吸收式制冷

吸收式制冷是利用某些具有特殊性質(zhì)的工質(zhì)對，通過一種物質(zhì)對另一種物質(zhì)的吸收和釋放，使溶液濃度發(fā)生變化，從而伴隨吸熱和放熱過程。

吸收式制冷過程和壓縮式制冷過程相類似，只是用發(fā)生器和吸收器取代壓縮機。它的制冷過程是利用太陽能聚熱器加熱發(fā)生器中高濃度的溶液，并便溶液中的大部分低沸點制冷劑蒸發(fā)，而發(fā)生器中產(chǎn)生的低濃度溶液經(jīng)減壓閥進入吸收器。制冷劑蒸氣進入冷凝器中釋放熱量，冷凝成制冷劑液體，再經(jīng)節(jié)流閥降壓到蒸發(fā)壓力進入蒸發(fā)器中，蒸發(fā)吸收熱量而轉(zhuǎn)化為制冷劑蒸氣。制冷劑蒸氣進入吸收器被低濃度溶液吸收形成高濃度溶液。通過泵將吸收器中高濃度溶液輸送至發(fā)生器中完成一個制冷循環(huán)。

太陽能吸收式制冷技術(shù)相對成熟，由于系統(tǒng)成本比壓縮式制冷系統(tǒng)高，系統(tǒng)主要用于大型空調(diào)。

(四)輻射制冷技術(shù)

輻射制冷是一種被動式降溫的新方法。輻射制冷原理是將熱能傳到輻射體上，以特定的波長向天空輻射出去，輻射體由于釋放了能量而得到降溫。但并不是所有輻射都能自由地穿過大氣層，進入外太空這一天然冷庫，只有某些波長段的輻射穿透大氣層的能力比較強，氣象學(xué)上稱為“大氣窗口”。因此，輻射制冷要求輻射體要有嚴格的光譜選擇特性，在對應(yīng)“大氣窗口”的波長段上有很強的輻射率，同時在這以外有極高的反射率。

三、地熱能在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

地熱源分為高溫地熱源和低溫地熱源。高溫地熱源的利用主要表現(xiàn)形式為：地熱供暖；低溫地熱源的利用主要表現(xiàn)形式為：地源熱泵系統(tǒng)。我國的高溫地熱源不多，在空調(diào)系統(tǒng)中多利用低溫地熱源。

地源熱泵系統(tǒng)，是一種以地表水、地下水、巖土體為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)具有高效節(jié)能、無污染、低運行成本，既可采暖又可制冷，并可提供衛(wèi)生熱水的優(yōu)點，是可再生能源的主要應(yīng)用方向之一。

地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)地熱能交換系統(tǒng)形式的不同分為三類：地表水地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)、土壤地源熱泵系統(tǒng)(地埋管地源熱泵系統(tǒng))。

(一)地表水地源熱泵系統(tǒng)

地表水地源熱泵系統(tǒng)是指以地表水(河水、湖水、水庫水、海水和城市污水等)作為系統(tǒng)的冷熱源的熱泵系統(tǒng)。系統(tǒng)利用水或防凍溶液在由多重并聯(lián)的塑料管組成熱交換器中循環(huán)，而熱交換器放入地表水中，從而完成熱交換。

地表水系統(tǒng)的優(yōu)勢是沒有鉆井或挖掘費用，與其他類型相比投資較低。缺點是水體溫度隨空氣溫度變化較大，從而影響熱泵的性能效率。

(二)地下水地源熱泵系統(tǒng)

地下水地源熱泵系統(tǒng)就是指以地下水作為系統(tǒng)冷熱源的熱泵系統(tǒng)。通過建造抽水井和回灌井，將地下水從抽水井中抽出，經(jīng)過二次換熱或直接進入熱泵機組中，提取熱量或釋放熱量后由回灌井回灌地下。

由于地層具有良好的隔熱作用，深井水的水溫基本常年不變，對熱泵系統(tǒng)的運行十分有利。

(三)土壤地源熱泵系統(tǒng)

土壤地源熱泵系統(tǒng)也稱地下耦合熱泵系統(tǒng)或地埋管地源熱泵系統(tǒng)，它的冷熱源是淺層土壤。利用傳熱介質(zhì)(通常是水或加入防凍液的水)在土壤耦合熱交換器的閉環(huán)回路中流動，從而達到與土壤進行熱交換的目的。土壤源地源熱泵系統(tǒng)一般按其室外埋管形式分為：水平埋管地源熱泵系統(tǒng)和垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)。

水平埋管前期投資少，但占地面積大；豎直埋管占地面積小，換熱性能好于水平埋管，但前期投資大。豎直埋管的埋管深度由巖土的傳熱性能和可用埋管面積確定。埋管深度超過60m時。鉆井成本大幅提高，埋管間距過小則影響換熱效果。

四、其他的應(yīng)用形式

(一)風(fēng)能(潮汐能)-電-壓縮機式制冷方式

風(fēng)能(潮汐能)通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，再由電能驅(qū)動壓縮式制冷系統(tǒng)。這種方式實質(zhì)上是風(fēng)能(潮汐能)發(fā)電的一種應(yīng)用方法。

(二)地道(地下)冷源制冷

將新鮮空氣或室內(nèi)空氣送入地道(地下埋管)，放熱冷卻后送回室內(nèi)。這種降溫技術(shù)系統(tǒng)簡單、造價低廉，只需消耗少量電力驅(qū)動風(fēng)機，不需耗能制冷。

(三)空氣源熱泵系統(tǒng)

空氣源熱泵系統(tǒng)是以空氣能作為冷熱源的熱泵系統(tǒng)。具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的優(yōu)點，使之得到了廣泛的應(yīng)用。但是它的缺點同樣非常突出，在冬季寒冷天氣和夏季高溫天氣時其效率大大降低，甚至停止工作。

(四)生物質(zhì)能

生物質(zhì)是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物。生物質(zhì)能就是以生物質(zhì)為載體的能量，包括林業(yè)和農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)品及加工殘余物、生活污水和工業(yè)有機廢水、城市固體廢物和畜禽糞便等。

目前生物質(zhì)能在采暖空調(diào)中的應(yīng)用，主要是沼氣采暖和生產(chǎn)熱水。

五、結(jié)語

我國人口眾多，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源需求的壓力日愈加大。多渠道地開發(fā)、利用可再生能源。是建設(shè)資源節(jié)約型社會的要求。在采暖空調(diào)中充分利用可再生能源，可以減少初級能源的消耗和室溫氣體的排放。

可再生能源的多樣性，決定其應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中的多樣化。每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中應(yīng)因地制宜，根據(jù)當?shù)厮幍牡赜蚝铜h(huán)境選擇最佳的應(yīng)用方案，如：太陽能充足的地區(qū)可選擇太陽能空調(diào)系統(tǒng)，江、河、湖、海邊可選地表水地源熱泵系統(tǒng)等。