以生態(tài)理念構(gòu)建寒冷地區(qū)供暖模式

黑龍江省暖通專家委員會(huì)

1  問題提出的背景

    黨的十六大描繪了全面建設(shè)小康社會(huì)的宏偉藍(lán)圖。為十幾億人民創(chuàng)造健康、舒適和有效率的生活和工作環(huán)境必定是全面小康社會(huì)的目標(biāo)之一。數(shù)目如此龐大的人居和工作環(huán)境如何解決采暖與空調(diào)問題，值得暖通空調(diào)界很好地研究，應(yīng)積極尋求具有節(jié)能和環(huán)保意義的新型供暖方式與空調(diào)方式。長(zhǎng)期以來，我國習(xí)慣上將一年內(nèi)日平均溫度≤5℃超過90天的地區(qū)定為采暖地區(qū)，即主要是東北、華北、西北的“三北”地區(qū)。目前在“三北”地區(qū)的傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)是由熱源（如燃煤鍋爐、燃?xì)猓ㄓ停╁仩t、熱化電站等）、熱網(wǎng)和室內(nèi)供暖系統(tǒng)組成。眾所周知，我國的供暖系統(tǒng)多為在20世紀(jì)50年代初引進(jìn)的前蘇聯(lián)的集中供熱模式，長(zhǎng)期運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：

    1、我國采暖能耗過高，其指標(biāo)為同類氣候條件下發(fā)達(dá)國家的2～3倍；我國建筑物的供暖和空調(diào)的能源消耗占能源消耗總量的30～40％；而且供暖和空調(diào)效果又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家。傳統(tǒng)系統(tǒng)即滿足不了人們對(duì)人居環(huán)境和工作環(huán)境健康與舒適的要求，又無法面對(duì)能源對(duì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)出的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此，作為暖通空調(diào)工作者，如何解決好能耗占總能耗如此之大的供暖和空調(diào)的節(jié)能及環(huán)境問題是具有重要意義的。應(yīng)積極尋求具有節(jié)能和環(huán)保意義的新型供暖方式和空調(diào)方式，這具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

    2、高位能（如煤、燃?xì)?、油、電等）的使用不合理。因?yàn)閷?shí)際的能量利用過程具有兩個(gè)特性：量的守恒性和質(zhì)的貶值性。要使熱能合理利用，必須做到按質(zhì)用能。傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)由燃料直接提供供暖所需的低溫?zé)崃?，即使在不損失熱量的條件下，室內(nèi)所得到的熱量最多為燃料發(fā)熱量的100％，也應(yīng)該認(rèn)為是一種巨大的浪費(fèi)。因?yàn)樵谶@種情況下，貯存在燃料中的化學(xué)能所具有的做功能力未加合理利用而被貶值了。

    3、傳統(tǒng)供暖的熱源排出大量的CO₂、SO₂和粉塵等有害物，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞（如全球溫暖化、酸雨等）。特別是我國能源的生產(chǎn)和消費(fèi)中煤的比例占70％以上，在以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)的條件下，建筑供暖用能更是造成城市大氣污染的主要因素之一。據(jù)估計(jì)，北京市冬季采暖年用煤量600～700萬噸，約占全年總能耗3000萬噸的20～25％。大量直接燃煤，造成北京市冬季空氣污染十分嚴(yán)重，市區(qū)內(nèi)采暖期空氣中的TSP（總懸浮顆粒物）、CO₂、SO₂、NO₂等超標(biāo)。而資料也表明70％的TSP，90％的SO₂，60％的NO_x和85％的礦物燃料生成的CO₂來自燃煤。由SO₂排放引起的酸雨污染已擴(kuò)展到全國整個(gè)面積的30～40％。根據(jù)有關(guān)研究的結(jié)果表明，酸雨造成的經(jīng)濟(jì)損失已接近當(dāng)年國民生產(chǎn)總值的2％。另外，CO₂、NO_x、CH₄等燃燒產(chǎn)生的氣體會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)造成的全球溫暖化給人類帶來了重大的損失。據(jù)估算，全球溫暖化的經(jīng)濟(jì)成本將是全球經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值（GWP）的1～2％，是發(fā)展中國家GWP的2～6％。

    4、傳統(tǒng)的供暖模式是一種“熱源消耗高位能源、向建筑物室內(nèi)提供低溫的熱量、向環(huán)境排放廢物（如廢熱、廢氣、廢渣等）”的單向性的供暖模式。這種傳統(tǒng)的供暖模式把能源（煤、燃?xì)狻⒂偷龋┏掷m(xù)不斷地變成大氣中的廢熱、污染來實(shí)現(xiàn)建筑物的供暖，而導(dǎo)致大量能源的消耗，釀成了環(huán)境污染的后果。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)建筑供暖的要求愈來愈高，建筑能耗急劇增長(zhǎng)，也愈來愈嚴(yán)重地造成了對(duì)環(huán)境的污染。

    因此，人們開始認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有的這種單向性供暖模式在21世紀(jì)已無法持續(xù)下去，而應(yīng)建立利用可再生能源的供暖模式。以生態(tài)理念構(gòu)建寒冷地區(qū)供暖新模式，以實(shí)現(xiàn)能源、供暖和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。目前，世界公認(rèn)熱泵技術(shù)是解決采暖空調(diào)的能源與環(huán)境問題的有效途徑之一。我們?cè)跓岜没A(chǔ)上，設(shè)想使暖通空調(diào)系統(tǒng)和諧納入到自然生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)中去，建立起一種“能源加再生能源－供暖供冷－再生能源－能源加再生能源－供暖供冷－再生能源”的熱能如此反復(fù)流動(dòng)的新型系統(tǒng)。這是建立在對(duì)熱能不斷循環(huán)利用的基礎(chǔ)上，按照生態(tài)規(guī)律，利用再生能源和環(huán)境容量實(shí)現(xiàn)供暖技術(shù)的生態(tài)化和綠色化。

    黑龍江省地處寒冷地區(qū)，采暖是人居環(huán)境和工作環(huán)境必不可缺少的設(shè)施。以生態(tài)理念構(gòu)建供暖新模式，利用再生能源、新能源，替代傳統(tǒng)的高位能（煤、油、燃?xì)獾龋?，用低能耗環(huán)保型的熱泵供暖技術(shù)替代傳統(tǒng)供暖方式，將是我省供暖可持續(xù)發(fā)展的基本出發(fā)點(diǎn)之一，將是21世紀(jì)的新型供暖模式。

   以生態(tài)理念構(gòu)建寒冷地區(qū)供暖新模式的基礎(chǔ)研究的目的在于：

    a、利用自然能和再生能源為建筑節(jié)能闖一條新路，實(shí)現(xiàn)寒冷地區(qū)低能耗環(huán)保供暖模式；

    b、隨著生態(tài)供暖系統(tǒng)的建設(shè)，推動(dòng)熱泵技術(shù)領(lǐng)域機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)與發(fā)展；

    c、為21世紀(jì)寒冷地區(qū)人居環(huán)境和工作環(huán)境的供暖提出新思路和新系統(tǒng)。

2  生態(tài)供暖系統(tǒng)形式與可行性分析

2.1生態(tài)供暖系統(tǒng)形式

    以熱泵理論作為研究的理論基礎(chǔ)，針對(duì)傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)存在的問題，尋求一種新的技術(shù)途徑，按照自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)規(guī)律，重新構(gòu)建一種“能源加再生能源－供暖－再生能源”以能量閉路循環(huán)使用為特征的新型供暖方式，如圖所示。這是建筑用能領(lǐng)域中的新思路。在寒冷地區(qū)，用水／空氣熱泵組成水環(huán)熱泵供暖系統(tǒng)，以生態(tài)理念尋找外部熱源，替代傳統(tǒng)的鍋爐等熱源。其主要外部熱源和技術(shù)措施為：

    建筑物的熱損失散失到室外大氣中，通過空氣／水熱泵制備10～20℃的溫水，送入室內(nèi)作水／空氣熱泵的低位熱源。這樣，可使部分熱量循環(huán)使用。

    1、太陽能作為一種豐富而清潔的新能源，直接作為水／空氣熱泵的外部能源。

    2、長(zhǎng)期蓄熱。夏季（或采暖初期）日照大，而嚴(yán)冬需要大量熱量時(shí)，日照卻小，因此，利用長(zhǎng)期蓄熱的技術(shù)擴(kuò)大利用太陽能。

    3、短期蓄熱。一天或周為時(shí)間周期的蓄熱。目的是為了調(diào)整一天（幾天）或一周的熱生產(chǎn)和熱消耗之間的不平衡。在冬季太陽能作外部能源時(shí)，白天除了滿足室內(nèi)供熱需求外，還可以把部分熱儲(chǔ)存起來，留待夜間或云雪無太陽時(shí)使用。

2.2可行性分析

    為了初步評(píng)價(jià)應(yīng)用生態(tài)供暖系統(tǒng)的可行性，我們做了如下工作：

    1、現(xiàn)已收集了大量的國內(nèi)外關(guān)于熱泵供暖及供暖系統(tǒng)的蓄熱技術(shù)方面的資料，經(jīng)初步分析、綜合，提出較為完整技術(shù)方案和實(shí)驗(yàn)方案。

    2、對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組作一些簡(jiǎn)單的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，在我國寒冷地區(qū)（如哈爾濱、長(zhǎng)春、沈陽、北京、銀川、蘭州、烏魯木齊等城市）使用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組制備10～20℃水是可行的，其新系統(tǒng)的季節(jié)性能系數(shù)將會(huì)大于2。

    3、對(duì)以回收建筑物熱損失為低位熱源的雙極耦合熱泵的供暖系統(tǒng)作了初步的實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果表明，該系統(tǒng)是可行的。

3  以生態(tài)理念構(gòu)建寒冷地區(qū)供暖實(shí)施的前景

   以生態(tài)理念構(gòu)建寒冷地區(qū)供暖的預(yù)期應(yīng)用前景主要取決于中國城市化程度和城市居民的人均居住面積。1995年中國城市人口總數(shù)為3.8億人，占全國總?cè)丝诘?1.4％，即中國的城市化水平已達(dá)到31.4％。城市化水平是隨著人均GDP的增長(zhǎng)而提高的。2050年中國人均GDP將達(dá)到1萬美元以上，中國城市化也應(yīng)達(dá)到70％以上。

    1995年中國城市居民的人均居住面積為11.8m²，處于較低的住房水準(zhǔn)。從1985年到1998年間人均居住面積以每年4％的速度增長(zhǎng)，到1998年達(dá)到了人均居住面積12.4m²。假設(shè)中國城市居民人均居住面積平均每人每年增長(zhǎng)0.5m²，到2050年，中國城市居民的人均居住面積將達(dá)到35m²。這相當(dāng)于20世紀(jì)80年代工業(yè)發(fā)達(dá)國家的平均水平。

    基于上述背景，可見以生態(tài)理念構(gòu)建寒冷地區(qū)供暖的應(yīng)用前景的廣泛性。它具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，必定要帶動(dòng)生態(tài)供暖設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，可開發(fā)的產(chǎn)品主要有：

    a、適應(yīng)寒冷地區(qū)應(yīng)用的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組；

    b、小型水／空氣熱泵機(jī)組；

    c、水／水熱泵機(jī)組；

    d、供熱泵用的太陽能集熱器。

    而我省又具有實(shí)現(xiàn)熱泵產(chǎn)業(yè)化的工業(yè)基礎(chǔ)。

4  結(jié)論

   以生態(tài)理念構(gòu)建寒冷地區(qū)供暖模式具有如下特點(diǎn)：

    a、首次將傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)視為單向性供暖模式，提出適合于寒冷地區(qū)使用的生態(tài)供暖的新理念。

    b、針對(duì)寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)和傳統(tǒng)供暖方式存在的問題，提出適合于寒冷地區(qū)使用的空氣源熱泵與水源熱泵相耦合的雙級(jí)熱泵供暖系統(tǒng)。它的基本趨勢(shì)是按照生態(tài)規(guī)律，利用自然資源和環(huán)境容量實(shí)現(xiàn)供暖技術(shù)的生態(tài)化和綠色化，這是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。既是保護(hù)日益稀缺的能源，提高能源利用率的有效途徑，也是保護(hù)環(huán)境和削減環(huán)境污染的重要途徑。

    c、空氣源熱泵冷熱水機(jī)組當(dāng)外界氣溫低于-5℃時(shí)，壓縮比過高、供熱能力大大下降，故不適合于寒冷地區(qū)使用。通過本課題的研究，提出機(jī)組分體結(jié)構(gòu)形式、供10～20℃溫水等技術(shù)措施使機(jī)組能在寒冷地區(qū)中正常運(yùn)行，這是對(duì)空氣源熱泵的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了在寒冷地區(qū)使用空氣作為熱泵的低位熱源的設(shè)想，通過空氣源熱泵提供10～20℃的水，為水環(huán)熱泵和水源熱泵的應(yīng)用創(chuàng)出一條新路。

    該創(chuàng)新成果對(duì)寒冷地區(qū)的供暖技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展將會(huì)起到積極地促進(jìn)作用。實(shí)施以生態(tài)理念構(gòu)件寒冷地區(qū)供暖新模式，將會(huì)獲得如下具有長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義的效果：

    a、利用自然能源和再生能源為建筑節(jié)能闖一條新路，實(shí)現(xiàn)寒冷地區(qū)低能耗環(huán)保供暖模式。

    b、隨著生態(tài)供暖系統(tǒng)的建設(shè)，推動(dòng)熱泵技術(shù)領(lǐng)域機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)與發(fā)展；

    c、為21世紀(jì)寒冷地區(qū)人居環(huán)境和工作環(huán)境的供暖提出新思路和新系統(tǒng)。

執(zhí)筆人：馬最良