采暖节能的新途径及方式

根据热源的来源不同，建筑采暖节能新途径主要有太阳能采暖技术、热泵采暖技术、生物质能采暖技术，区别于传统采暖的采暖方式有地面辐射采暖，顶棚、墙壁辐射板采暖。

1.采暖节能新途径

（1）太阳能采暖技术。太阳能采暖是取之不尽、用之不竭、安全、经济、无污染的采暖方式，可以有效节省建筑能源，是比较节能的采暖方式。目前，节能建筑建设和改造工程正在我国各大城市大刀阔斧地展开，我国研发出一种复合式太阳能采暖房，专门用于农村地区建设，使冬天做到温暖如春，夏天可以自动制冷。复合式太阳能采暖房可以依不同建筑面积选取相应保温类型，墙中增加保温材料，双窗、屋面内置聚苯保温。屋面安装真空管集热系统，地板采暖可提供大量生活用热水，用户可以自动控制使用过程。图5-3所示为太阳能采暖房。

图5-3　太阳能采暖房

若太阳能采暖房设计合理，基本不用增加建筑成本，集热墙的建造与粘瓷砖费用基本一样，无运行费用，与建筑一体化、同寿命。管道、泵设备、自动控制系统组成完整的太阳能热水采暖系统，采暖同时可提供洗浴和生活用热水。太阳能采暖房具有经济、高效、方便、耐用等特点，设备成本低，运行不用电辅助，价格低廉。到目前为止，太阳能采暖房已经获得大面积推广。目前，太阳能采暖工程已在内蒙古、辽宁、山西、山东等地广泛应用。

（2）热泵采暖技术。热泵是通过动力驱动做功，从低温热源中取热，将其温度提升，送到高温处放热，夏季可为空调提供冷源，冬季可为采暖提供热源。与冬季直接燃烧燃料获取热量相比，热泵在某些条件下可降低能源消耗。热泵方式的关键问题是从哪种低温热源中有效地在冬季提取热量和在夏季向其排放热量。可利用的低温热源（室外空气、地表水、地下水、城市污水、海水及地下土壤）构成不同的热泵技术。热泵技术是直接燃烧一次能源而获得热量的主要替代方式，其减少了能源消耗，有利于环保。

传统电采暖的加热原理是将电能直接转化成热能，热转换效率会低于100％，一份电能不可能完全转化成一份热能，而空气源热泵采暖设备，同样也是利用电，它是以空气中的热量作为热源制取热风供暖，却不是直接用电作为能源进行转换。因此，它耗电量极小，核心原理是搬运原理。利用电能对热泵压缩机做功，热泵压缩机通过介质吸收大量空气中的热量，它的热转换效率远远大于100％。从原理上已经决定空气源热泵采暖比传统的电采暖更节能。

1）空气源热泵采暖。空气源热泵使空气一侧温度降低，将其热量转送至另一侧的空气或水中，使其温度升至采暖所要求的温度。由于此时电用来实现热量从低温向高温的提升，因此，当外温为0℃时，1度电可产生约为3.5kW/h的热量，效率为350％。考虑发电的热电效率为33％，空气源热泵的总体效率为110％，高于直接燃煤或燃气的效率。该技术目前已经很成熟，实际上现在的窗式和分体式空调器中相当一部分（通常的冷暖空调器）都已具有此功能。图5-4所示为空气源热泵机组。

图5-4　空气源热泵机组

与其他热泵相比，空气源热泵的主要优点在于其热源获取的便利性。只要有适当的安装空间，并且该空间具有良好的获取室外空气的能力，该建筑便具备了安装空气源热泵的基本条件。空气源热泵采暖的主要缺点和解决途径如下：

①热泵性能随室外温度降低而降低，当外温降至－10℃以下时，一般就需要辅助采暖设备蒸发器结霜的除霜处理，这一过程较复杂且耗能较大；但通过优化的化霜循环、智能化霜控制、智能化探测结霜厚度传感器，特殊的空气换热器形式设计及不结霜表面材料的研究，会使这一问题得到陆续解决。

②为适应外温在－10℃～5℃范围内的变化，需要压缩机在很大的压缩比范围内都具有良好的性能要求。这一问题的解决需要通过改变热泵循环方式，如中间补气、压缩机串联和并联转换等，在未来10～20年内有望解决。

③房间空调器的末端是热风而不是一般的采暖器，对于习惯常规采暖方式的人感觉不太舒适，这可以通过采用户式中央空调与地板采暖结合等措施来改进，但初始投资会增加。

2）地源热泵采暖。地源热泵系统是指以岩土体（土壤源）、地下水、地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内管道系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统可分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统（图5-5）。作为可再生能源主要应用方向之一，地源热泵系统可利用浅层地能资源进行供热与空气调节，具有良好的节能与环境效益。近年来，其在国内得到了日益广泛的应用。《地源热泵系统工程技术规范（2009版）》（GB 50366—2005）的颁布，确保地源热泵系统可安全可靠地运行，以更好地发挥其节能效益。

①地埋管地源热泵系统（土壤源热泵、地下水环热泵）。这一系统也称为土壤源热泵或地下水环热泵，通过在地下竖直或水平地埋入塑料管道（换热器），利用水泵驱动，水经过塑料管道循环，与周围的土壤换热，从土壤中提取热量或释放热量。在冬季，通过这一换热器从地下取热，成为热泵的热源，为建筑物内部供热。在夏季，通过这一换热器从地下取冷，使其成为热泵的冷源，为建筑物内部降温。地源热泵系统实现能量的冬存夏用，或夏存冬用。

图5-5　地源热泵系统的分类

水平卧式地埋管地源热泵系统（图5-6）由于土方施工量小，是一种比较经济的埋放方式。竖式地埋管地源热泵系统（图5-7）是条件允许时的最佳选择。竖直管埋深宜大于20m（一般为30～150m），钻孔孔径不宜小于0.11m，管与管的间距为3～6m，每根管可以提供的冷量和热量为20～30W/m。当具备这样的埋管条件且初始投资许可时，此方式在很多情况下是一种运行可靠且节约能源的好方式。

图5-6　水平卧式地埋管地源热泵系统

设计使用这一系统时，必须注意全年的冷热平衡问题。因为地下埋管的体积巨大，每根管只对其周围有限的土壤发生作用。如果每年因热量不平衡而造成积累，则会导致土壤温度逐年升高或降低。为此应设置补充手段，如增设冷却塔以排出多余的热量或采用辅助锅炉补充热量的不足。地埋管地源热泵系统设备投资高，占地面积大，对于市政热网不能达到的独栋或别墅类住宅有较大优势。对于高层建筑，由于建筑容积率高，可埋的地面面积不足，所以一般不适用。

②地下水地源热泵系统。地下水地源热泵系统（图5-8）就是抽取浅层地下水（100m以内），经过热泵提取热量或冷量，再将其回灌到地下。冬季，抽取的地下水经换热器降温后，通过回灌井回灌到地下，换热器得到的热量经热泵提升温度后成为采暖热源；夏季，抽取的地下水经换热器升温后，通过回灌井回灌到地下，换热器另一侧降温后成为空调冷源。

图5-7　竖式地埋管地源热泵系统

图5-8　地下水地源热泵系统

由于取水和回水过程中仅通过中间换热器（蒸发器），属全封闭方式，因此，不会污染地下水源。由于地下水温常年稳定，采用这种方式，整个冬季气候条件都可实现1度电产生3.5kW/h以上的热量，运行成本低于燃煤锅炉房供热，夏季还可使空调效率提高，降低30％～40％的制冷电耗。同时，此方式在冬季可产生45℃的热水，仍可使用目前的采暖散热器。

目前，普遍采用异井回灌和同井回灌两种技术。异井回灌是在与取水井有一定距离处单独设回灌井，把提取热量（冷量）的水加压回灌，一般是回灌到同一层，以维持地下水状况；同井回灌是利用一口井，在深处含水层取水，在浅处的另一个含水层回灌。回灌的水依靠两个含水之间的压差，经过渗透，穿过两个含水层之间的固体介质返回到取水层。

同井回灌的主要问题是提取了热量（冷量）的水向地下的回灌，必须保证将水最终全部回灌到原来取水的地下含水层，才能不影响地下水资源状况。将用过的水从地表排掉或排到其他浅层，都将破坏地下水状况，造成对水资源的破坏。另外，还要设法避免灌到地下的水很快被重新抽回；否则，水温就会越来越低（冬季）或越来越高（夏季），使系统性能恶化。

③地表水地源热泵系统。地表水地源热泵系统采用湖水、河水、海水，以及污水处理厂处理后的中水作为水源热泵的热源，实现冬季供热和夏季供冷（图5-9）。这种方式从原理上看是可行的。在实际工程中，主要存在冬季供热的可行性、夏季供冷的经济性及长途取水的经济性三个问题，而在技术上则要解决水源导致换热装置结垢后引发换热性能恶化的问题。

冬季供热从水源中提取热量，就会使水温降低，这就必须防止水的冻结。如果冬季从温度仅为5℃左右的淡水中提取热量，则除非水量很大，温降很小，否则很容易出现冻结事故。当从湖水或流量很小的河水中提水时，还要正确估算水源的温度保持能力，防止由于连续取水和提取热量，导致温度逐渐下降，最终产生冻结。

图5-9　地表水地源热泵系统

图5-10　石墨烯地暖结构图

（3）石墨烯采暖技术。其发热原理是石墨烯地暖通电后，电热膜发热体中的碳分子团产生“布朗运动”，碳分子摩擦和撞击产生热量，以远红外辐射和对流的形式对外传递。通常，石墨烯地暖（图5-10）就是电能刺激内部的石墨烯分子在正负极作用下，使碳分子团之间相互摩擦、碰撞，产生大量热能，以远红外光线的形式向外发热，加热地面进行房间供暖。石墨烯电采暖可分为五种，分别是石墨烯地暖、石墨烯电暖、石墨烯墙暖、石墨烯壁暖、石墨烯床垫暖。

1）石墨烯地暖。石墨烯地暖是通过在地板下铺装石墨烯电热膜对房间进行供热的取暖方式。其利用通电发热，辐射升温，使热量从脚部开始上升，按照房间的空间大小，设计适合的功率密度，从而均匀分布整个房间空间的地面。其是通过点温控与家庭220V电源的连接，在通电之后，使热量通过它的远红外线渗透上来的一种“理疗”取暖。

2）石墨烯电暖。石墨烯电暖器功率有多种类型，又包括水暖型和普通发热体型。水暖电暖器可连接暖气片和散热器使用，带动多个房间供暖；普通电暖器则可灵活放置，适用范围广泛。

3）石墨烯墙暖。石墨烯墙暖是一个整块的取暖发热物体，发热升温的方式和石墨烯地暖的方式相同，都是通过石墨烯发热材料核心的远红外线散、升温。

4）石墨烯壁暖。石墨烯壁暖是科技与美学相结合的成功典范，将石墨烯复合材料置于壁画之中，既能供暖，又可作装饰用，占用空间小。(www.xing528.com)

5）石墨烯床垫暖。石墨烯床垫取暖与石墨烯电采暖的其余系列都有很大的不同，它是低电压（也是安全电压）范围的石墨烯床垫取暖。它的供电是36V电压的电源，功率不足100W，即可满足整张床的供暖，它更被人当作“定制化”的电采暖。

上述五种石墨烯采暖方式中以石墨烯地暖应用得最为广泛，其主要优点如下：

1）经济节能。采暖过程中热量以辐射传热为主，室内温度分布合理，无效热损失少；热媒低温输送，结构保温性好，输送过程热量损失少；在同样舒适感条件下，室内设计温度可比传统对流采暖室内设计温度低2～3℃，可节省15％～30％的能耗。

2）健康、卫生、环保。石墨烯地暖相比其他电器，不会产生污染，不像其他电器产生废气等污染物，且远红外线能改善人体血液循环，促进新陈代谢。

3）不占用使用区域。石墨烯地暖一般安装在地板下，因此，不占用室内空间，有利于居家的美观和增加使用空间。

4）成本低。以电热膜用电作为能源。与其他能源相比，电力是中国最便宜的资源。特别是近年来，石油和天然气价格飙升，电力消耗已经是首选。

5）使用寿命长。石墨烯发热芯片稳定不衰减，一般家庭使用寿命可以达50年以上，基本与建筑同寿命，不用像散热器等每隔8～10年需要更换。如果没有人为受损，可以节省大量的维护费用。

6）热稳定性好。石墨烯地暖因为地面层具有储热量大，热稳定性好，室内温度在间歇加热条件下变化缓慢，可有效保持室内温度稳定，避免温度波动引起的体感不适。

7）可应用于各种热量需求，一般来说，每个家庭由于年龄和身体健康都有不同的热量需求。石墨烯地暖可根据需要控制其温度和加热时间。

（4）生物质能采暖技术。生物质是植物光合作用直接或间接转化产生的所有产物。生物质能是利用生物质生产的能源。目前，作为能源的生物质主要是指农业、林业及其他废弃物，如各种农作物秸秆、糖类作物、淀粉作物、油料作物、林业及木材加工废弃物、城市和工业有机废弃物及动物粪便等。生物质能利用技术可分为气体、液体和固体三种。

1）生物质气体燃料。生物质气体燃料主要有两种技术：一种是利用动物粪便、工业有机废水和城市生活垃圾通过厌氧消化技术生产沼气，用作居民生活燃料或工业发电燃料，这既是一种重要的保护环境的技术，也是一种重要的能源供应技术。目前，沼气技术已非常成熟，并得到了广泛的应用。另一种是通过高温热解技术将秸秆或林木质转化为以一氧化碳为主的可燃气体，用作居民生活燃料或发电燃料。由于生物质热解气体的焦油问题还难以处理，致使目前生物质热解气化技术的应用还不够广泛。

2）生物质液体燃料。生物质液体燃料主要有两种技术：一种是通过种植能源作物生产乙醇和柴油，如利用甘蔗、木薯、甜高粱等生产乙醇，利用油菜籽或食用油等生产柴油。目前，这种利用能源作物生产液体燃料的技术已相当成熟，并得到了较好的应用，如巴西利用甘蔗生产的乙醇代替燃油的比例已达到25％。另一种是利用农作物秸秆或林木质生产油或乙醇。目前，这种技术还处于工业化试验阶段。总体来看，生物质液体燃料是一种优质的工业燃料，不含硫及灰分。其既可以直接代替汽油、柴油等石油燃料，也可以作为民用燃烧或内燃机燃料，展现了极好的发展前景。

3）生物质固体燃料。生物质固体燃料是指将农作物秸秆、薪柴、芦苇、农林产品加工剩余物等固体生物质原料，经粉碎、压缩成颗粒或块状燃料，在专门设计的炉具、锅炉中燃烧，代替煤炭、液化气、天然气等化石材料和传统的生物质材料进行发电或供热，也可以为农村和小城市的居民、工商业用户提供炊事、采暖用能及其他用途的热能。由于生物质成型燃料的密度和煤相当，形状规则，容易运输和储存，便于组织燃烧，故可作为商品燃料广泛应用于炊事、采暖。国内外研制了各种专用的燃烧生物质成型燃料的炊事和采暖设备，如一次装料的向下燃烧式炊事炉、炊事—采暖两用炉、上饲式热水锅炉、固定床层燃烧热水锅炉、热空气取暖壁炉等。生物质成型燃料户用炊事炉的热效率在30％以上；户用热水采暖炉的效率为75％～80％；50kW以上热水锅炉的效率为85％～90％；各种燃料污染物的排放浓度均很低。

生物质能是重要的可再生资源，预计在21世纪，世界能源消费的40％将会来自生物质能。生物质能作为可再生的洁净能源，无论从废弃资源回收或替代不可再生的矿物质能源，还是从环境的改善和保护等各方面均具有重要的意义。

2.建筑采暖方式

（1）地面辐射采暖。目前，地面辐射采暖应用主要有水暖和电暖两种方式。电暖又可分为普通地面采暖和相变地面采暖。

1）低温热水地板辐射采暖系统。该采暖系统起源于北美、北欧的发达国家，在欧洲已有多年的使用历史，是一项非常成熟且应用广泛的供热技术，也是目前国内、外暖通界公认的最为理想舒适的采暖方式之一。随着建筑保温程度的提高和管材的发展，我国近20年来低温热水地面辐射采暖发展较快。埋管式地面辐射采暖具有温度梯度小、温室温度均匀、垂直温度梯度小、脚感温度高等特点。在同样舒适的情况下，辐射采暖房间的设计温度可以比对流采暖房间低2～3℃，其实感温度比非地面的实感温度要高2℃，具有明显的节能效果。

低温热水地板辐射采暖是以温度不高于60℃的热水作为热源，在埋置于地板下的盘管系统内循环流动，从而加热整个地板，通过地面均匀向室内辐射散热的一种采暖方式。民用建筑供水温度宜采用35～60℃，供、回水设计温差不宜大于10℃，通过直接埋入建筑物地面的铝塑复合管或聚丁烯管、交联聚乙烯管、无规共聚聚丙烯管等盘管辐射散热（图5-11）。地板辐射采暖加热管的环路布置形式有平行盘管[图5-12（a）]、回形盘管[图5-12（b）]、S形盘管[图5-12（c）]等形式。图5-13所示为地板辐射采暖的地板构造示意。

图5-11　低温热水地面辐射采暖布置示意

图5-12　低温热水地板辐射采暖环路布置形式

（a）平行盘管；（b）回形盘管；（c）S形盘管

图5-13　地板辐射采暖的地板构造示意

低温热水地板辐射采暖的优点：较传统的采暖供水温度低，加热水消耗的能量少，热水传送过程中的热量消耗也小。由于进水温度低，便于使用热泵、太阳能、地热、低品位热能，可以进一步节省能耗，便于控制与调节。地面辐射采暖供、回水为双管系统，避免了传统采暖方式无法单户计量的弊端，可适用于分户采暖。只需要在每户的分水器前安装热量表，就可实现分户计量。用户各房间温度可通过分、集水器上的环路控制阀门方便地调节，有条件的可采用自动温控，这些都有利于能耗的降低。

低温热水地板辐射采暖设计要参照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736—2012）的规定，低温热水地面辐射供暖系统应具有室温控制功能；室温控制器宜设在被控温的房间或区域内；自动控制阀宜采用热电式控制阀或自力式恒温控制阀。自动控制阀的设置可采用分环路控制和总体控制两种方式，并应符合下列规定：

①采用分环路控制时，应在分水器或集水器处，分路设置自动控制阀，控制房间或区域保持各自的设定温度值。自动控制阀也可内置于集水器中。

②采用总体控制时，应在分水器总供水管或集水器回水管上设置一个自动控制阀，控制整个用户或区域的室内温度。

2）普通电热地面采暖系统。普通电热地面采暖（图5-14）以电为能源，发热电缆通电后开始发热并为地面层吸收，然后均匀加热室内空气，并将一部分热量以远红外线辐射的方式直接释放到室内。其可以根据人们自身的需要设定温控器的温度，当室温低于温控器设定的温度时，温控器接通电源，温度高于设定温度时温控器断开电源，以此保持室内最佳舒适温度。还可以根据不同情况自由设定加热温度，例如，在无人留守的室内可以设定较低的温度，缩小与室外的温差，减少传递热量，降低能耗。

图5-14　普通电热地面采暖系统

3）相变储能电热地面采暖系统。相变储能电热地面采暖系统是将相变储能技术应用于电热地面采暖，在普通电热地面采暖系统中加入相变材料，作为一种新的采暖方式，在低谷电价时段，利用电缆加热地板下面的PCM层使其发生相变，吸热融化，将电能转化成热能。在非低谷电价时段，地板下面的PCM再次发生相变，凝固放热，达到采暖目的。这不仅可以解决峰谷差的问题，达到节能的目的，将相变材料储存电热与地板采暖方式相结合，是洁净、节能、方便和舒适的选择；还可以缓解我国城市的环境污染问题，节约电力运行费用。

（2）顶棚、墙壁辐射采暖。安装于顶棚或墙壁的辐射板供热/供冷装置是一种可改善室内热舒适并节约能耗的新方式（图5-15）。这种装置供热时内部水温为23～30℃，供冷时水温为18～22℃，同时辅以置换式通风系统，采取下送风、侧送风，风速低于2m/s的方式，换气次数为0.5～1次/h，实现夏季除湿、冬季加湿的功能。

由于是辐射方式换热，使用这种装置时，夏季可以适当降低室温，冬季可以适当提高室温，在获得等效舒适度的同时可降低能耗。冬、夏共用同样的末端，可节约一次初始投资；提高夏季水温，降低冬季水温，有利于使用热泵而显著降低能耗。由于顶棚具有面积大、不会被家具遮挡等优点，因而是最佳辐射降温表面，同时还能进行对流降温。通过控制室内湿度和辐射板温度可防止顶棚结露。为了控制室内湿度，应对新风进行除湿，同时保证辐射板的表面温度高于空气的露点温度。这种装置可以消除吹风感的问题。同时，由于夏季水温较高，而且新风独立承担湿负荷，还可以避免采用风机盘管时由于水温较低容易在集水盘管产生霉菌而降低室内空气品质的问题。

图5-15　顶棚、墙壁辐射采暖方式

（a）顶棚辐射采暖；（b）墙壁辐射采暖