空氣源熱泵在霧霾防治工作中的作用

康 磊，么 旭，陳 瑞

（1.天津市環(huán)境保護科學(xué)研究院，天津300191；2.天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，天津300191）

空氣源熱泵在霧霾防治工作中的作用

康 磊1，么 旭2，陳 瑞1

（1.天津市環(huán)境保護科學(xué)研究院，天津300191；2.天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，天津300191）

在我國大氣污染防治的嚴(yán)峻形勢下，各地均將散煤采暖的主要大氣污染物排放作為主要貢獻源之一進行防控。由于空氣源熱泵僅以電能進行驅(qū)動，吸收空氣熱焓出功，大幅度削減燃煤污染物的直接排放，且在制熱過程中，對緩解城市熱島效應(yīng)具有一定的正效益，可作為采暖熱源替代的有效實施方案之一。由于空氣源熱泵的技術(shù)特性，該技術(shù)仍存在明顯的地域限制。

空氣源；熱泵；霧霾；環(huán)境效益；地域限制

當(dāng)前，我國大氣污染形勢嚴(yán)峻，以可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）為特征污染物的區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出，損害人民群眾身體健康，影響社會和諧穩(wěn)定。為切實改善空氣質(zhì)量，2013年國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》（國發(fā)〔2013〕37號），要求到2017年全國地級及以上城市可吸入顆粒物濃度比2012年下降10%以上，優(yōu)良天數(shù)逐年提高；京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域細顆粒物濃度分別下降25%、20%、15%左右。為加大京津冀及周邊地區(qū)大氣污染防治工作力度，環(huán)保部、國家發(fā)改委、工信部、財政部、住建部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于印發(fā)京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細則的通知》（環(huán)發(fā)〔2013〕104號），要求經(jīng)過五年努力，京津冀及周邊地區(qū)空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，重污染天氣較大幅度減少。力爭再用五年或更長時間，逐步消除重污染天氣，空氣質(zhì)量全面改善。研究顯示，從用煤途徑上分析，建筑采暖用煤約占75%以上，是最主要的用煤方向[1]。居民采暖清潔能源替代，是解決城市大氣污染問題的途徑之一。熱泵技術(shù)因其自身的高效節(jié)能效果，在清潔能源替代中備受青睞。

熱泵作為可再生能源和清潔能源的代表，通過消耗少量高品位能源，把低品位熱量上升為高品質(zhì)熱量，能最大限度地減少常規(guī)能源消耗。該技術(shù)目前主要分為空氣源熱泵和地源熱泵（包含地下水源和土壤源），二者各有利弊?？諝庠礋岜秒m然使用方便，安裝費用較低，但在嚴(yán)寒地區(qū)，并不能高效、可靠地運行，熱穩(wěn)定性較差。地源熱泵具有良好的熱穩(wěn)定性，但存在初投資較大、地下水污染等問題。

1 空氣源熱泵的工作原理

空氣源熱泵是依照逆卡諾原理的壓縮循環(huán)工作過程，以消耗部分高位能量作為補償條件，使熱量從低位熱能轉(zhuǎn)移到高位熱能的能量利用裝置。即在制熱工況下，四通閥將冷媒流動方向改變，通過高位能源電能的帶動，將低溫空氣中的部分熱焓進行提取、壓縮，以形成可直接利用的高位熱能，用于采暖、熱水等，其工作原理如圖1所示：

圖1 熱泵制熱流程

依照天津市空氣源熱泵示范項目一期工程的實際運行數(shù)據(jù)，該項目所采用的空氣源熱泵機組的實際運行制熱能效比（COP）均值為3.44，整體供暖系統(tǒng)的實際運行能效比（COP）均值為2.79[2]，節(jié)能效果較為顯著。

2 空氣源熱泵的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

熱泵這項技術(shù)的概念最先于1912年由瑞士的專家提出，1946年第一臺地源熱泵系統(tǒng)在美國俄勒岡州波蘭特市中心區(qū)建成，并成功運行[3]。中國空氣源熱泵的生產(chǎn)與應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代。20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)開始大量引進國外空氣源熱泵技術(shù)，很多熱泵空調(diào)器都是進口組裝或照搬國外技術(shù)，考慮到這些技術(shù)是否適合我國的氣象條件，在我國的氣象條件下能否高效運行等諸多問題，國內(nèi)專家學(xué)者在1980—1990年對空氣源熱泵技術(shù)進行了實驗研究。20世紀(jì)90年代初期我國開始研究制冷空調(diào)設(shè)備的變頻能量調(diào)節(jié)技術(shù)。在吸收國外技術(shù)的同時，積極開發(fā)研究適應(yīng)中國環(huán)境的熱泵技術(shù)。綜上所述，我國空氣源熱泵經(jīng)歷了進口組裝、引進國外先進技術(shù)、消化吸收與研究發(fā)展三個發(fā)展階段。

3 空氣源熱泵的環(huán)境效益分析

從目前霧霾發(fā)生頻次來看，京津冀區(qū)域的霧霾天氣多集中在采暖季[4]。在空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱過程中，通過冷凝器冷凝、壓縮，提取空氣中的地位熱焓，可有效降低區(qū)域環(huán)境溫度，對減緩城市熱島效應(yīng)具有一定的正效益。同時，由于空氣源熱泵系統(tǒng)僅以電能進行驅(qū)動，以空氣熱焓出功，故較傳統(tǒng)采暖方式可有效減少直接燃燒煙氣排放，同時較土壤源熱泵及水源熱泵（地表水和地下水）可帶來其他綜合環(huán)境效益。

3.1 與空氣源熱泵相比，土壤源熱泵及水源熱泵（地表水和地下水）存在的環(huán)境影響隱患

3.1.1 造成水體熱污染

地表水源熱泵利用江水、河水、湖水、海水等地表水作為冷熱源與熱泵系統(tǒng)進行熱交換，隨后再回灌入地表水中。在系統(tǒng)運行過程中會有大量的冷量和熱量隨著回灌排入地表水體中，造成水體熱污染隱患。例如：狹溫種水生物對熱污染的適應(yīng)性較差，隨著水溫的升高，自身酶系統(tǒng)失活，代謝功能紊亂導(dǎo)致死亡；隨著水體升溫，溶解氧的含量降低，加快微生物對有機物的分解，溶解氧量消耗增加且水生物的代謝加快，需要更多的溶解氧，造成部分水生物缺氧死亡；水體熱污染還可引起藍藻暴發(fā)、水體病毒滋生等，嚴(yán)重危害到水生動植物和水體質(zhì)量[5]。

3.1.2 造成地下水浪費，破壞水質(zhì)

地下水源熱泵利用地下水作為冷熱源，通過抽水井將地下水抽出與熱泵系統(tǒng)進行換熱后，根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件、系統(tǒng)運行參數(shù)等情況采用適宜的回灌方式。在實際的取水回灌過程中，暴露出了很多問題。回灌井運行一段時間后，須對回灌井進行回揚，否則回灌井容易堵塞，回揚排出的水不能進行二次利用，造成地下水的浪費；且人工填礫、管道管材都對地下水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致回揚水中硫酸根離子、金屬離子含量增加，破壞水質(zhì)[1]；實際情況中，地下水很難達到100%回灌，長期的抽灌流量不平衡埋下地面沉降、地層變形、海水倒灌的隱患，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在潛在的破壞性[6]。

3.1.3 破壞生態(tài)環(huán)境

土壤源熱泵利用土壤的熱穩(wěn)定性，冬季從土壤中吸取熱量，夏季向土壤釋放熱量。我國北方地區(qū)，建筑熱負荷大于冷負荷，南方地區(qū)與之相反，導(dǎo)致冬季吸取熱量與夏季釋放熱量不相等[6]。長期如此，土壤溫度發(fā)生變化，影響熱泵能效，且破壞生態(tài)環(huán)境。

3.2 空氣源熱泵采暖的直接大氣污染物減排效果

根據(jù)天津市熱泵采暖示范項目實際運行數(shù)據(jù)（如圖2），在單純考慮用能終端的條件下，空氣源熱泵機組大氣污染物排放量為零。即使在考慮發(fā)電過程污染物排放的前提下，空氣源熱泵機組較原柴油熱水鍋爐，每采暖季主要污染物減排率分別為：SO2減排率85.55%，NOx減排率83.97%，煙塵減排率79.28%[2]；同時，還可有效減少因直接燃燒而排放的有機碳及脫硫處理而排放的無機鹽。

圖2 項目主要大氣污染物排放量對比

此外，以100 m2普通農(nóng)村平房為模擬計算對象，分別就散煤燃燒、電暖氣采暖及熱泵采暖三種供暖類型進行估算，具體情況見下表：

表1 100m2普通農(nóng)村平房采暖主要污染物排放量

從上表數(shù)據(jù)可見，在考慮發(fā)電過程主要污染物排放的前提下，空氣源熱泵機組每采暖季較散煤采暖可實現(xiàn)SO2減排率96.17%，NOx減排率91.25%，煙塵減排率99.73%。

同時，根據(jù)2015年天津市摸底調(diào)查，天津市共需治理散煤約153萬t，其中城市22.5萬戶，30.5萬t，農(nóng)村88.6萬戶，122.6萬t，且存在著煤質(zhì)差、灰分硫份高的問題。污染物排放方面，天津市采暖散燒原煤占全社會耗煤量的4.1%，三項主要污染物的貢獻率分別為煙塵25.3%，二氧化硫7.1%，氮氧化物1.5%。

綜合上述兩組數(shù)據(jù)，假設(shè)天津市散煤采暖全部采用空氣源熱泵替代，且所用電力全部為本市自發(fā)電的前提下，三項主要污染物的減排率較全社會占比約為：煙塵25.23%、二氧化硫6.83%和氮氧化物1.37%。從該直接減排數(shù)據(jù)上可看出空氣源熱泵對區(qū)域霧霾減緩的環(huán)境正效益。

4 空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用地域限制

中國領(lǐng)土面積約為960萬km2，地域遼闊，氣候存在差異。為了明確氣候和建筑兩者的科學(xué)關(guān)系，中國《民用建筑設(shè)計通則》（GB 50352—2005）將中國劃分為了嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)等7個主氣候區(qū)，20個子氣候區(qū)。蒸發(fā)溫度直接影響了空氣源熱泵的應(yīng)用效果，在溫度過低的地區(qū)應(yīng)用時，易造成以下問題：（1）環(huán)境溫度過低，系統(tǒng)運行不佳，能效比過低，且蒸發(fā)器表面易結(jié)霜。（2）排氣溫度升高，壓縮機在過熱的工況下運行，縮短壓縮機壽命[7]，排氣溫度達到一定限值后，壓縮機自動停機保護，無法正常工作。（3）熱泵系統(tǒng)制熱量減少，達不到室內(nèi)最大采暖熱負荷值，影響舒適性。

地源熱泵由于利用的地源能溫度相對穩(wěn)定，不受氣候、資源、地域、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的限制，所以可應(yīng)用于所有建筑氣候區(qū)域，但易造成環(huán)境污染與生態(tài)破壞?？諝庠礋岜糜捎谑艿綒夂虻南拗疲饕m用于冬冷夏熱地區(qū)及無集中供熱的華北、華東、華中等寒冷地區(qū)[8]。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段各地政府在控霾防霾的拉鋸戰(zhàn)中，空氣源熱泵技術(shù)可作為有效武器之一，在不考慮市政電網(wǎng)建設(shè)的前提下，具備施工簡單，節(jié)能、減排效果顯著等特點，且較其他熱泵系統(tǒng)，存在較低潛在環(huán)境影響隱患的特點。除主要污染物的直接減排效果外，由于局部區(qū)域環(huán)境溫度的降低，可在一定程度上減輕城市熱島效應(yīng)的影響。

當(dāng)然，對于空氣源熱泵技術(shù)存在的一些技術(shù)難點，如：低溫工況下運行不佳，嚴(yán)寒地區(qū)不適用及蒸發(fā)器表面結(jié)霜等，仍需進一步尋求技術(shù)突破以保證該技術(shù)的大范圍應(yīng)用。

[1]楊愛，劉圣春.我國地源熱泵的研究現(xiàn)狀及展望[J].制冷與空調(diào)，2009，9（4）：1-6，13.

[2]康磊.天津市和平區(qū)勸業(yè)場街兆豐路社區(qū)居委會辦公樓熱泵采暖示范項目數(shù)據(jù)分析報告[J].世界環(huán)境，2015（B10）：62-65.

[3]呂悅，楊立平，周沫，等.國內(nèi)地源熱泵應(yīng)用情況調(diào)查報告[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2005（6）：5-10.

[4]張劍飛.應(yīng)對霧霾天氣——低環(huán)境溫度空氣源熱泵采暖的機遇[J].制冷與空調(diào)，2015，15（7）：5-9.

[5]馬宏權(quán)，龍惟定.水源熱泵應(yīng)用與水體熱污染[J].暖通空調(diào)，2009，39（7）：66-70.

[6]張超，劉寅，周光輝.地源熱泵的應(yīng)用對環(huán)境的影響分析[J].低溫與超導(dǎo)，2008，36（4）：62-64.

[7]閆麗紅，王景剛，鮑玲玲，等.低溫空氣源熱泵研究新進展[J].建筑節(jié)能，2016，44（8）：22-24.

[8]郭景，郁銀泉，程懋堃，等.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施[M].中國計劃出版社，2015.

（編輯：程?。?/p>

The Role of Air Source Heat Pump in Haze Prevention

Kang Lei1，Yao Xu2，Chen Rui1
（1.Tianjin Academy of Environmental Sciences,Tianjin 300191,China；2.Tianjin Huanke Environmental Consulting Co.,Ltd.,Tianjin 300191,China）

Nowadays,every local government is controlling the atmospheric emissions from coal heating as one of the major step,under the current situation of air pollution prevention in China. Air Source Heat Pump(ASHP)can be one of the step for solving air pollution problems by heating source substitution,because of the advantages of ASHP,such as:ASHP only uses electrical energy for driving,it takes enthalpy by air,it may reduce atmospheric emissions directly,it may reduce the Urban Heat-island Effect during heating process,and etc.Of course,ASHP also has obvious geographical restriction because of the technical characteristics of ASHP.

air source,heat pump,haze,environmental benefit,geographical restrictions

X51

A

1008-813X（2017）03-0049-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.03.13

2017-04-10

康磊（1980-），男，天津人，畢業(yè)于荷蘭瓦格寧根大學(xué)環(huán)境學(xué)專業(yè)，碩士研究生，高級工程師，主要從事環(huán)境管理工作。