北京建筑大学      冯硕   李德英

摘   要：随着人类社会的发展和人民生活水平的提高，环境污染和能源短缺的问题也愈发严重。具有实现节能减排效果的热泵技术和低能耗建筑在这种大背景下备受关注。本文对低能耗建筑以及热泵技术进行简单介绍，对空气源热泵、地源热泵和水源热泵对建筑节能的作用进行分析，并总结和分析了国内外专家学者的研究现状，为完善热泵技术在低能耗建筑中的应用打下了坚实的基础，以期促进热泵技术的发展。

关键词：热泵；低能耗建筑；节能减排

       0   引言

       我国目前是世界上经济发展最快的国家之一，能源消耗和环境污染已成为制约国民经济发展的瓶颈。在能源消耗的众多形式中，建筑能耗在我国能源总消费量中所占比例逐年上升，已经从20世纪70年代末10%上升到现在的27.6%，而采暖、空调、通风的能源消耗又占其中的60%左右^[1]。如何降低建筑能耗，实现节能减排，已成为建筑行业不可避免要面对的问题。

       低能耗建筑作为一种新型建筑，它可以通过最优化的建筑节能设计，采用先进的节能材料和节能技术使得建筑物的建筑能耗降到最低水平，再采用可再生能源补充所需能量，以实现建筑物采暖，而不用常规能源即“零能耗”的目标。显然，零能耗是降低建筑能耗的理想状态。低能耗建筑设计的实现是通过建筑物理的全系统优化设计来实现的，它包括以下几个子系统：外墙子系统、屋面子系统、外窗及遮阳子系统和低能耗采暖制冷及健康新风子系统。在西方国家，低能耗建筑已经非常普遍，并正在向零能耗住宅努力，发达国家各国政府都在致力于这方面的工作。在欧洲，目前普遍使用的是高舒适低能耗住宅，某些品质卓越的住宅，甚至不用暖气和空调设施，就能让房间中保持20℃~26℃的舒适温度^[2]。

       同时，热泵技术作为一种能有效降低常规能源能耗，提高电能利用率的建筑节能新技术也备受关注。热泵技术的本质与制冷机原理相同，其工作原理是通过电能驱动压缩机，使工质循环反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热或制冷功能^[3]。与其他常规方式相比，热泵系统具有节能、环保、经济、运行可靠的优势，其经济效益和社会效益显著，适用于同时具有供热和制冷需求的用户，能有力地促进建筑节能工作的开展，有效解决建筑物供热、采暖、制冷空调等能耗问题。

       1   空气源热泵

       1.1   空气源热泵系统

       空气源热泵，作为热泵技术的一种，有“大自然能量的搬运工”的美誉，有着使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干净等多重优势。以无处不在的空气中的能量作为主要动力，通过少量电能驱动压缩机运转，实现能量的转移，无需复杂的配置、昂贵的取水、回灌或者土壤换热系统和专用机房，能够逐步减少传统采暖给大气环境带来的大量污染物排放，保证采暖功效的同时实现节能环保的目的。

       空气源热泵是由电动机驱动的，利用蒸汽压缩制冷循环工作原理，以环境空气为冷（热）源制取冷（热）风或者冷（热）水的设备，主要零部件包括用热侧换热设备、热源侧换热设备及压缩机等。空气能（源）热泵利用空气中的热量作为低温热源，经过传统空调器中的冷凝器或蒸发器进行热交换，然后通过循环系统，提取或释放热能，利用机组循环系统将能量转移到建筑物内，满足用户对生活热水、地暖或空调等需求。 空气源热泵系统原理图如图1所示。

图1   空气源热泵系统原理图

       1.2   空气源热泵系统的优点

     （1）用途广泛、四季无忧

       空气源热泵既能在冬季制热，又能在夏季制冷，能满足冬夏两种季节需求，而其他采暖设备往往只能冬季制热，夏季制冷时还需要加装空调设备。

     （2）安全运行、保护环境

       空气源热泵采用热泵加热的形式，水、电完全分离，无需燃煤或天然气，因此可以实现一年四季全天24小时安全运行，不会对环境造成污染。

     （3）使用灵活、没有限制

       相比太阳能、燃气、水地源热泵等形式，空气源热泵不受夜晚、阴天、下雨及下雪等恶劣天气的影响，也不受地质、燃气供应的限制。

     （4）节能科技、省电省心

       空气源热泵使用1份电能，同时从室外空气中获取2份以上免费的空气源，能生产3份以上的热能，高效环保，相比电采暖每月节省75%的电费，为用户省下如此可观的电费，很快就能收回机器成本。

       1.3   国内外专家学者的研究现状

       颜浩[4]通过对空调、采暖、生活热水的需求性分析，指出空气源热泵在运用了热回收、数码涡旋等技术后，其节能、环保和经济性能有了显著的改善，不仅可广泛用于长江流域，即使在我国寒冷地区也具备了应用这种先进的节能技术和设备的可能性。空气源热泵在建筑节能中完全是可以大有作为的。建议适宜地区的各级政府积极宣传、推广、应用空气源热泵，促进我国的节能减排目标早日实现。

       苏海智、冯竹建^[5]将义乌大酒店热泵暖通及热水改造工程与其他几种常规能源的系统做了对比，详细分析空气源热泵应用的节能效益和环保效益。经分析研究得出：采用空气源热泵系统后，整个系统运行费用最低，各种污染物排放量最少。热泵空调系统应用对于推动既有建筑节能改造具有重要意义，值得大范围推广。

       2   地源热泵

       2.1   地源热泵系统

       地源热泵技术是一种利用地下浅层地热资源，实现向建筑物提供采暖、制冷和生活热水的高效节能环保型技术。其基本思路就是通过少量高品位能源，将浅层热能转移为高位热能，在冬天供暖、夏天制冷。

       地源热泵系统主要由室外地源换热系统、热泵机组和室内空调末端系统3部分组成^[6]。冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低， 即蓄存了冷量，供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了系统全年的能源利用效率^[7]。

       地源热泵系统原理图如图2所示。

图2   地源热泵系统原理图

       2.2   地源热泵系统的优点

     （1）属可再生能源利用技术

       太阳能是取之不尽的可再生绿色能源，地表浅层相当于一个巨大的太阳能集热器，它收集了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。地源热泵在冬季就是利用这种储存于地表浅层的无限的能源作为热源；在夏季则以地表浅层恒定的地能温度作冷源，只需小功率的压缩机就可实现能量转换的空调系统。
调研结果表明，使用地源热泵技术比风冷热泵节能40%，比电采暖节能70%，比燃气炉效率提高48%，所需制冷剂比一般空调减少50%是真正意义上的高效节能^[8]。

     （2）属经济可靠的节能技术

       地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定， 冬季比环境空气温度高， 夏季比环境空气温度低， 是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40% ，同时可以节省运行费用40 %左右^[7]。此外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机地源热泵系统一机多用、系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑物的美观。如上所述， 地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率，地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%~60%。另外，地源温度有恒定的特性， 使得热泵机组运行更可靠、稳定， 整个系统的维护费用也较锅炉制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。在建筑供热空调中采用热泵技术，可以有效地提高一次能源利用率， 减少温室效应气体CO₂和其他燃烧产生的污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技。

     （3）运行稳定可靠且使用寿命长

       传统的空调系统不论是水冷还是风冷，换热环境均为大气，由于它的换热器必须置于暴露的空气中，故不可避免地受到环境条件变化的影响，降低换热效率和使用寿命，并且影响了建筑物的外观；而地源热泵以土壤作为热源的主要优点在于土壤温度的相对稳定，基本不受外界环境的影响；埋管热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗；热泵系统设计简单，运动部件比常规系统少，且安装在室内，自动控制程度高，可无人值守；系统安全无燃烧设备，不存在爆炸、燃烧的隐患；由于系统不暴露在风雨中，因而维护简便；地源热泵系统的供冷、供热平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值；把地源热泵换热器埋于地下，也不会破坏建筑物的外观。

       2.3   国内外专家学者的研究现状

       涂锋华、赵军^[9]等在提供同样供热量的情况下，将研制成功的一种开环地源热泵系统与燃油锅炉系统对比，由经济参数分析得出地源热泵与燃油锅炉和燃气锅炉相比，在建筑节能和环保中的效果非常明显，但是初投资比较高。怎样降低机组的初投资以及怎样改进地源热泵机组的性能，将是建筑行业需要努力的方向。

       刁乃仁、方肇洪[^10]对地源热泵的技术特征、适用范围和经济性进行了详细的介绍，把热泵供热与锅炉直接燃烧供热进行对比分析，得出在建筑供热空调中采用热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO₂和其他燃烧产生的污染物的排放。

       罗迎宾、梁路军^[11]等通过对常州地区某办公楼地源热泵项目的设计与运行分析，将地源热泵系统与传统风冷热泵系统、冷水机组+ 燃气锅炉系统2种模式进行经济性比较，地源热泵系统初投资比风冷热泵系统、冷水机组+ 燃气锅炉系统分别高出20%和7.15%，但每年节约运行成本分别为49.4%和34.5%；今后每年节约运行费用约41万元和20万元，减少折合标媒量约180t和90t，相当于减少CO₂的排放量约472t和236t。因此，在建筑中使用地源热泵系统，不仅具有极大的经济性价值，同时还具有重大环保、减排的社会意义。

       3   水源热泵

       3.1   水源热泵系统

       水源热泵机组是以水为热源的可进行制冷或者制热循环的一种热泵型整体式水–空气式或水–水式空调装置，制热时以水为热源而在制冷时以水为排热源。其采用循环流动于共用管路中的水、从水井、湖泊或河流中抽取的水或在地下盘管中循环流动的水为冷（热）源，制取冷（热）风或冷（热）水的设备，包括一个使用侧换热设备、压缩机、热源侧换热设备，具有单制冷或制冷兼制热功能。

       水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源，实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖^[12]。

       3.2   水源热泵系统的优点

       水源热泵与常规空调技术相比，有以下优点：

     （1）高效节能

       水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12℃~22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。夏季水体为18℃~35℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高^[13]。

     （2）运行稳定可靠

       水体的温度一年四季相对稳定，其波动范围远远小于空气变动，是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵冬季除霜等问题。

     （3）环保效益显著

       水源热泵机组供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，无燃烧过程，避免了排烟、排污等污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以，水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。

     （4）应用范围广

       水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。其总投资额仅为传统空调系统的60%，并且安装容易，安装工作量比传统空调系统少，安装工期短，更改安装也容易。

       3.3   国内外专家学者的研究现状

       白雪莲、刘宁毅^[14]等以实际工程为例，研究了地表水水源热泵空调系统设计中的具体问题。结合工程具体情况，探讨了在应用水源热泵技术的同时，将集中供冷供热技术、二次泵技术、变流量技术等其他多项节能技术综合应用，不但能更有效地发挥水源热泵技术的优点，并能大大提高空调系统的能效。对常规空调系统形式与水源热泵空调系统形式进行了技术经济比较，结果表明该工程水源热泵技术与其他节能技术综合应用可减少全年运行能耗约46%。

       郑峰^[12]通过对水源热泵系统与燃气锅炉系统进行经济比较，结果表明，水源热泵系统的设备投资和运行费用均较低且运行良好。在实际使用过程中，夏季蓄热水箱设定温度为46℃，冬季和过渡季节设定温度为54℃，系统在制备生活热水的同时，空调供冷或供热的运行情况良好。对于宾馆、学校、办公楼等既需要空调又需要供应热水的场所，在具备水源的条件下提倡使用水源热泵系统，该系统环保、节能且无污染。

       4   结语

       建筑节能是解决我国今后能源紧缺问题的有效途径之一，包括建筑本身的节能和供暖系统的节能。建筑本身的节能要求我们必须发展低能耗建筑技术，我国应该立足国情加以选择， 采用关键技术设备引进， 加速我国的节能建筑产业的发展。热泵技术可以有效地实现供暖系统的节能，在实际运用中要根据各地的气候特点和环境条件考虑到容易取得、投资少、无腐蚀、热容量大、热泵安装使用方便、运行时工况稳定等条件因地制宜来选择热泵的热源并确定热泵类型。将热泵技术应用到低能耗建筑中，这在建筑节能领域，必将发挥越来越大的作用。

参考文献

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       [12] 郑峰.水源热泵技术在节能建筑中的应用[J].建筑节能,2007,(06):10–12.

       [13] 薛岷.水源热泵在建筑节能中的应用与分析[J].供热制冷,2014,(02):64–66.

       [14] 白雪莲,刘宁毅,林真国.水源热泵综合节能技术的工程应用分析[J].制冷与空调,2012,(01):12–17.

备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年2月刊总第2期。
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