摘要：為了緩解近年來日益嚴(yán)重的空氣霧霾現(xiàn)狀，介紹了近年來我國空氣霧霾天氣的情況及影響。并探討了低溫空氣源熱泵對緩解霧霾的作用。將空氣源熱泵采暖與常規(guī)采暖方式在能耗和污染物排放量方面進(jìn)行定量比較，結(jié)果表明，在相同的制熱量下，空氣源熱泵消耗的能源***少，排放的污染物也***少?？諝庠礋岜貌膳到y(tǒng)的推廣應(yīng)用，對我國的節(jié)能減排意義重大，也必然在很大程度上緩解我國空氣霧霾的現(xiàn)狀。
0 引言
近年來，我國空氣霧霾天氣頻發(fā)，空氣污染嚴(yán)重，這已經(jīng)成為了我國***嚴(yán)重、***亟需解決的環(huán)境問題之一。為了減輕北方城鎮(zhèn)的供熱采暖對空氣霧霾天氣的影響，可采用高效環(huán)保的采暖方式替代傳統(tǒng)的燃煤采暖。空氣源熱泵的出現(xiàn)，在節(jié)約能源的同時，更避免了污染物的直接排放，它的推廣和應(yīng)用將緩解空氣霧霾天氣的現(xiàn)狀。本文將從節(jié)能減排角度對空氣源熱泵削減空氣霧霾的原理進(jìn)行探討。
1 空氣霧霾天氣現(xiàn)狀
2012 年秋冬以來，我國北方地區(qū)大范圍出現(xiàn)了嚴(yán)重的空氣霧霾天氣，空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降。據(jù)環(huán)保部統(tǒng)計：2013 年，我國空氣霧霾面積已經(jīng)達(dá)到143 萬km2[1]，約占國土面積的15%，而且空氣霧霾波及的范圍呈現(xiàn)擴(kuò)大化趨勢。此外，根據(jù)中國社科院、中國氣象局聯(lián)合發(fā)布的中國氣候變化綠皮書———《應(yīng)對氣候變化報告·2013》[2]顯示，自2013 年以來，全國平均空氣霧霾日數(shù)為29.9 d，為52 年來的******值，同時，我國空氣霧霾天氣呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性，冬季空氣霧霾的天數(shù)占全年空氣霧霾天總數(shù)的42.3%。上述事實(shí)無可辯駁地證明，我國部分地區(qū)供暖式空氣霧霾污染已經(jīng)到了非常嚴(yán)重的地步。
眾所周知，我國北方地區(qū)冬季的采暖主要依靠燃煤，平均每平方米每年要消耗20 kgce，占全國建筑能耗的40%以上[3]。目前的供熱采暖方式不僅消耗了大量的能源，還直接或間接地排放了大量廢氣、粉塵、固體小顆粒等大氣污染物，這無疑對空氣霧霾的出現(xiàn)起到了推動作用。同時，人們生活水平的日益提高，使得我們對采暖舒適性的要求也越來越高。我國的采暖范圍也擴(kuò)展到了長江以南地區(qū)，而如果南方地區(qū)也采取同北方一樣的采暖方式，這必然將進(jìn)一步加劇環(huán)境污染。
綜上所述，亟需新的高效環(huán)保的供暖方式來替代傳統(tǒng)的污染嚴(yán)重的燃煤鍋爐供暖，從而有效地緩解供暖式空氣霧霾現(xiàn)狀。
2 空氣源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能減排原理
針對空氣霧霾現(xiàn)狀，我國眾多專家學(xué)者和行業(yè)企業(yè)也一直在尋求高效節(jié)能環(huán)保的采暖方式和措施：
(1)嘗試“煤改氣”遇尷尬[4]。有的城市早已啟動“煤改氣”等能源工程，但進(jìn)展不及預(yù)期，迫于氣源不足，部分“煤改氣”改造工程擱淺。此外，天然氣的成本高昂也是不得不面對的問題。
(2)太陽能供暖不穩(wěn)定，需有輔助系統(tǒng)。之前，由于我國北方地區(qū)冬季太陽光照資源豐富，不少專家和行業(yè)企業(yè)提出利用太陽能供熱，但受技術(shù)的限制，單獨(dú)依靠太陽能解決采暖問題不能滿足采暖需求，而要采用電鍋爐等輔助熱源。因此，大面積推廣太陽能供暖與燃煤或燃?xì)庀到y(tǒng)相比并沒有太大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
(3)日漸成熟的熱泵技術(shù)開始受到暖通行業(yè)的推崇。熱泵技術(shù)可大量利用自然資源和余熱資源中的熱量，從而有效地減少采暖所需的一次能源。熱泵采暖系統(tǒng)可采用地?zé)?、水、空氣等能源作為熱源，其中，空氣源熱泵因其具有高效?jié)能、綠色環(huán)保、設(shè)備利用率高、節(jié)約空間資源和水資源等特點(diǎn)備受關(guān)注。
空氣源熱泵機(jī)組的主要組成部件有：壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、四通換向閥等。當(dāng)機(jī)組在制熱工況運(yùn)行時，通過輸入少量電能驅(qū)動壓縮機(jī)做功，把來自蒸發(fā)器的低溫低壓制冷劑壓縮成高溫高壓氣體，被壓縮后的高溫高壓制冷劑進(jìn)入冷凝器，放熱后凝結(jié)成高壓低溫的液體，再經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，此時的低溫低壓液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中吸收環(huán)境中的熱量氣化為低壓氣體，繼而再次進(jìn)入壓縮機(jī)中，完成一個制熱循環(huán)。圖1 為供熱工況時的流程。
從圖1 可看出，制熱工況下，空氣源熱泵機(jī)組工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收周圍環(huán)境介質(zhì)中的能量為Qa，通過壓縮機(jī)做功消耗的能量為Qb，工質(zhì)在冷凝器中放出熱量為Qc，而Qc=Qa+Qb。可見，機(jī)組的節(jié)能原理就在于它輸出的能量Qc 為從環(huán)境中吸收的熱量Qa 和壓縮機(jī)做功Qb 之和，遠(yuǎn)大于它所消耗的量為Qb 的能源。
因此，空氣源熱泵能夠緩解我國空氣霧霾天氣，主要是指其用于冬季供暖時相對于其他的采暖方式具有較高的供熱效率。即消耗少量的電能便可獲取大量空氣中的熱量，不但節(jié)約了電能，而且減少了污染物的排放，控制了污染源的產(chǎn)生。
3 供熱系統(tǒng)污染物排放量分析
供熱系統(tǒng)的能源消耗是造成大氣污染的主要來源之一，它對環(huán)境和大氣的污染主要有直接污染和間接污染2 種形式。直接污染是指各種燃料燃燒所排放的污染物，主要有煙塵、SO2、NOx 和CO2 等。另外，電力采暖雖然沒有直接的污染，但由于我國70%以上的電力為燃煤發(fā)電[5]，故仍存在著間接污染。
我國采暖方式和技術(shù)形式種類繁多。其中，按照熱源燃料的不同，可以分為燃煤、燃油、燃?xì)饧半妱硬膳绞?。本文將對燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、電鍋爐、太陽能電采暖、空氣源熱泵等幾種采暖方式在制熱量相同時消耗的能源以及產(chǎn)生污染物的排放量進(jìn)行比較。
3.1 單位能源消耗的污染物排放量
表1 為各種燃料消耗時的污染物排放量。
各種燃料消耗時的污染物排放量取值依據(jù)：
(1)標(biāo)煤：以鏈條爐為例，煙塵占灰分的25%，平均灰分為20%，除塵率按85%計算，煙塵中的可燃物取20%，則1 tce 可排放7.5 kg 煙塵；國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)煤的含硫量為1%，則1 tce 可排放16 kg SO2；氮的含量取1.5%，氮的轉(zhuǎn)化率取25%，則替代1 tce 可排放7.6 kg NOx；1 tce 完全燃燒產(chǎn)生CO2 量為2.62 t。
(2)輕柴油和天然氣的粉塵、SO2 和NOx 的排放指標(biāo)是根據(jù)GB13271—2001《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的達(dá)標(biāo)值計算，CO2 排放指標(biāo)是燃料一般利用技術(shù)條件下的統(tǒng)計平均值。
(3)電的間接污染物排放指標(biāo)參考文獻(xiàn)[6-7]。由表1 分析可見，發(fā)電廠的污染物排放量遠(yuǎn)小于直接的煤炭燃燒的排放量。究其原因，則是利用大型和特大型鍋爐發(fā)電一般都會進(jìn)行脫塵、脫硫和脫氮等處理后再排放，而這些措施在自備鍋爐房和區(qū)域鍋爐房等中小型鍋爐中燃燒就很難做到，或者成本很高。
同時，我國廣大農(nóng)村地區(qū)散煤燃燒所造成的污染更為嚴(yán)重。就我國現(xiàn)狀而言，電力是***能清潔利用煤炭的部門。因此，將煤炭用于大型、特大型鍋爐中燃燒發(fā)電，并在工程中推廣空氣源熱泵這種高效的間接電采暖技術(shù)的應(yīng)用，能有效地改善由于冬季燃料燃燒所產(chǎn)生的空氣霧霾現(xiàn)狀。
3.2 供熱狀態(tài)下污染物排放量分析
表2 列出了制備1 000 kW 熱量時各種熱源的能耗情況和環(huán)境污染情況。為了方便比較各方案運(yùn)行能耗，將各能源轉(zhuǎn)換成等價標(biāo)煤。各方案的能源熱值、設(shè)備熱效率以及各能源的折標(biāo)煤系數(shù)見表2。其中，當(dāng)量折標(biāo)系數(shù)是按照燃料的當(dāng)量熱值(理論發(fā)熱量)與標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量之比；等價折標(biāo)系數(shù)是指二次能源的等價熱值與標(biāo)準(zhǔn)熱值之比。
圖2 是各種方案的量化比較結(jié)果。由表2、圖2 可以看出，在制取相同熱量時，6 種采暖方式中空氣源熱泵方式的能耗***少。若換算成等價標(biāo)煤，空氣源熱泵比燃煤鍋爐節(jié)省標(biāo)煤69.04 kg，約36.5%。
根據(jù)表2 計算出的制熱量下各燃料能耗量以及表1 中單位能耗污染物排放量得出表3，即各種供熱方式在制取相同熱量是產(chǎn)生的污染物總量。
由表3 可以看出，空氣源熱泵的污染排放總量與燃?xì)忮仩t相差不大，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于以電能為能源的其他幾個供熱方案。同樣制取1 000 kW 熱量，空氣源熱泵的污染物排放，與燃煤鍋爐相比，減少90.6%的煙塵、29.5%的SO2、46.2%的NOx、53.2%的CO2；與電鍋爐相比，相當(dāng)于減少68.3%的煙塵、SO2、NOx、CO2 的排放。
如果電能不采用燃煤電，而采用清潔能源發(fā)電，如核電、水力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電或者風(fēng)力發(fā)電，空氣源熱泵采暖必定為環(huán)保效益******的方案。
4 低溫空氣源熱泵對緩解空氣霧霾的分析
目前，我國北方地區(qū)冬季采暖的燃料仍然是以煤炭為主，主要通過集中鍋爐供暖或熱電聯(lián)產(chǎn)(城鎮(zhèn))和分戶鍋爐供暖(農(nóng)村)等方式，這樣的供熱采暖方式不僅消耗了大量的能源，能源利用率低，還帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。近年來空氣霧霾天氣的頻發(fā)正是向我們發(fā)出的警告。
通過前文對空氣源熱泵采暖的工作原理闡述以及空氣源熱泵采暖與其他采暖方式能耗和污染物排放量的對比分析可知，空氣源熱泵能夠有效地緩解我國空氣霧霾天氣，具有節(jié)能環(huán)保效益。
同時，住建部開展的“空氣源熱泵、太陽能與低溫?zé)崴?a href="http://zfxinxi.cn" target="_blank" class="keylink">地暖組合建筑采暖系統(tǒng)的節(jié)能能效研究”[8]，也計算了不同供熱方式的污染物排放量，結(jié)果顯示：空氣源熱泵是污染物排放量***少的供熱方式之一。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，北京郊區(qū)農(nóng)村110 萬戶家庭的采暖季用煤炭量約347萬t，共排放900萬t CO2、8559 t NOx、8675 t SO2、8443t 煙塵。如果有1/3 的家庭采用空氣源熱泵采暖技術(shù)，則每年可節(jié)約煤炭110 t 左右，減少排放296 萬t CO2、2720 t NOx、2775 t SO2、2664 t 煙塵。因此，空氣源熱泵采暖技術(shù)的推廣應(yīng)用，將為我國的節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)和緩解空氣霧霾做出重要貢獻(xiàn)。
然而，在室外環(huán)境較低的北方地區(qū)，空氣源熱泵的應(yīng)用存在一定的局限性：
(1)當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時，制冷劑吸氣比容增大，機(jī)組的吸氣量迅速下降，從而使系統(tǒng)的制熱量減少，性能系數(shù)(COP)急劇下降；
(2)隨著室外溫度的降低，蒸發(fā)溫度降低，壓縮比增大，引起排氣溫度過高，當(dāng)排氣溫度超過壓縮機(jī)工作范圍時，會使壓縮機(jī)頻繁啟停，系統(tǒng)無法正常工作；
(3)機(jī)組在低溫高濕環(huán)境下工作，室外換熱器翅片容易結(jié)霜以致影響換熱，使功耗增大，而除霜過程也會帶來能量的損耗，且除霜時間越長能量損耗越大。
因此，近年來，眾多專家學(xué)者針對空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性進(jìn)行了大量研究，提出了不同的解決方案。其中包括補(bǔ)氣增焓熱泵系統(tǒng)，雙級壓縮變頻空氣源熱泵[9]，帶中間冷卻器或經(jīng)濟(jì)器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)，帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)[10]，以提高潤滑油流量來冷卻壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)，采用變頻技術(shù)、輔助加熱器、復(fù)疊式蒸汽壓縮的熱泵系統(tǒng)，以及雙級耦合熱泵系統(tǒng)[11]等。
針對除霜問題，目前常用的除霜方法有：空氣除霜法、電加熱除霜法、顯熱除霜法、水力除霜法、逆循環(huán)除霜法、蓄能除霜法等。這些研究促進(jìn)了我國空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展，拓寬了空氣源熱泵的應(yīng)用范圍，為低溫空氣源熱泵采暖緩解空氣霧霾提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
5 結(jié)論
通過對比不同供熱方式的供熱效率、計算污染物排放量，我們發(fā)現(xiàn)，在相同的制熱量下，空氣源熱泵消耗的能源***少，排放的污染物也***少。隨著研究的不斷深入，低溫空氣源熱泵在緩解空氣霧霾方面也發(fā)揮著重要作用，推廣空氣源熱泵采暖系統(tǒng)在我國北方地區(qū)的應(yīng)用，減少的煤炭資源的消耗和污染物的排放，這對我國的節(jié)能減排工作具有重大意義，也必然在很大程度上緩解我國空氣霧霾的現(xiàn)狀。
