作者：李元哲、姜蓬勃、许杰 著
出版社：化学工业出版社
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太阳能与空气源热泵在建筑节能中的应用试读：
前言
节能减排是当今人类社会为实现可持续发展而奋斗的两大课题，PM2.5等细颗粒物对人类的困扰，也加快了人们清洁空气的行动。从建筑节能到可再生能源的利用，已列入国家法规，其中太阳能和空气能由于其唾手可得，取之不尽，免费索取，更成为大众首选的清洁能源。
建筑中的采暖空调占据社会能耗的较大份额，节能意义重大，而冬暖夏凉又关系到千家万户奔小康的幸福憧憬。尤其是在寒冷气候区，以空气源热泵为热源取代燃烧化石燃料，更是多年来人们期盼的，也是在探索与争议中被认可的成熟技术。几乎与此同时，建筑中辐射供冷暖的兴起，使人们找到了节能舒适、卫生健康、冷暖合一的末端装置。它更适合与太阳能和空气源热泵这类低品位热源配套使用，所以，本书的中心内容是围绕着空气源热泵和或太阳能低温热水辐射供暖，及供冷除湿的温湿度独立空调技术。
本书分为三章，第一章讲述建筑节能的重要性，建筑围护结构的传热理论及人体在室内与周围物体热湿交换的物理数学描述。又针对本书的中心内容——空气源热泵供暖、空调讲述了相关的传热与热力学的基础理论知识。
第二章讲述蒸汽压缩式热泵的原理、组件、制冷剂及替代物和热力循环在温熵图与压焓图上的表达方法。讲述了中小型压缩机的种类、特性及适应低温气候的热泵的研究进展，进一步讲述了如何选择、设计空气源热泵机组的主要参数，即蒸发温度（压力）、冷凝温度（压力）、过冷度、过热度、压缩机出口参数及与之相关的压缩机的效率、功率、能效比等确定方法，并举例说明。
第三章重点讲述建筑中的辐射供冷暖的结构、原理及特性，给出了空气源热泵辐射地板供暖的系统图示、设计参数，特别是针对北方寒冷地区气象条件、建筑能耗及常用的水盘管式辐射供暖地板结构给出单位供热量与供、回水温度的相关关系，使低温热水地板辐射供暖的推广有据可循。本部分提出一种冷、暖合一的顶板辐射管帘，对它进行了理论计算并示于图表中，可供参考；同时给出了与辐射供冷配套的“一种内源式固体吸附除湿”设备及实验研究结果。
在第三章中还举出多项工程示范实例验证理论的正确性，其中有主、被动太阳能与空气源热泵三项热源集成的辐射地板供暖工程，节电率高达80％。本部分示范工程的数据证实了在寒冷气候区空气源热泵地板辐射供暖的节能率高，舒适性与室温稳定性好。
本书第一、二章由李元哲执笔，第三章的示范工程实例由姜蓬勃、许杰负责完成了产品制造和工程施工，李元哲做了测试分析，并成文。
本书承方肇洪教授审定，使书的质量得到了保证，在此表示衷心感谢。
书中不妥之处，欢迎读者批评指正。李元哲2015年1月于北京清华园第一章 基础知识第一节 能源形势一、能源形势
人类社会的可持续发展面临着能源的挑战。我国是世界上能耗第二大国，且已有“富煤、贫油、少气”之称，所以，开发可再生能源与新能源、调整工业用能结构、提高能源利用率、节约用能等是我国长期的战略方针。在已制定的《中华人民共和国可再生能源法》及其修订版，以及《节能中长期专项规划》中已确立了上述方针的思想原则和行动目标，将太阳能热利用和热发电技术明确列入发展纲要，并提出到2020年实现非化石能源占一次能源消费比重达到15％。二、建筑用能
随着我国国民经济的发展，人民生活水平的提高，人群活动空间的扩展，建筑业对能源需求数量越来越多，标准越来越高。例如，2001年，我国出台了《冬冷夏热地区采暖、空调设计标准》，对原本不采暖的长江流域地区也规定了采暖标准；此外，北方农村采暖、炊事也多由原来自产的生物质简易用能方式改为煤炭、电等，使商品能耗（年）达几亿吨标煤之多。
统计表明，我国的建筑用能已占社会总能耗的20％左右，其中，仅北方城镇集中供暖能耗就占去了四分之一以上，可见北方采暖节能的重要性。
为此，我国于1995年至2013年以来，已陆续颁布民用住宅节能设计标准，即在20世纪80年代建筑能耗的基础上逐步节约50％、65％、75％。三、环境保护对能源利用提出的挑战
全球气候变化对现存能源利用提出了挑战。20世纪前，我国大部分地区采用的燃煤采暖，造成了严重的大气污染，在大城市好于二级以上的天气不足60％，引起我国政府高度重视。为应对气候变化与环境保护问题，在2009年的哥本哈根会议上我国的庄严承诺是，到2020年，单位GDP碳排放要在2005年的基础上减少40％～50％，并且在2010年停止一批破坏大气臭氧层的空调用制冷工质，如R12、R502和R114等。全面建成小康社会要求实现能源翻一番，保证GDP翻两番的目标，以及在治理空气中细微颗粒物方面，从工业、运输、建筑三个主要方面入手，加强治理力度，都涉及国民经济结构调整和能源结构调整的战略大局。四、加快推动绿色建筑发展
2012年，为贯彻国务院关于“十二五”节能减排综合性工作方案，有关部、委下发了加快发展绿色建筑、促进城乡建设模式转型升级的具体部署，目标是到2020年，绿色建筑比重超过30％。
绿色建筑是指在建筑的全寿命期内达到节能、节地、节水、节材、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的、使人与自然和谐共生的建筑。目标涉及建筑的全过程，即从建造过程到使用过程都要达到能源、资源利用的最大化和环境影响的最低化，不仅包括建造用能、建筑围护结构耗能，而且包括能源系统与设备耗能、生活方式对耗能的影响、行为节能、运行能耗等诸方面。
目标的达到要求全面集成建筑节能、节地、节水、保护环境的多种技术，而实现技术革新推动。
总之，绿色建筑的快速发展，提出了能源合理利用、综合利用的方针。五、能源的品位
能源的价值不仅有数量的多少之分，更有品位高低的区别。所谓品位的高低，通俗地说，就是“能”从一种状态或形式可以转化为另一种状态或形式，而后者不能逆转为前者，则前者的品位高于后者。例如，热可以从高温变成低温，但低温不能不付代价地转变为高温，认为温度越高品位越高。但要说明的是，所谓低温，下限不能超出环境温度，低于环境温度的能量品位也是高的，关于这个问题后面有所涉及。
此外，在上述的“能”的形式转化过程中，凡损失少的，或者说“效率”高的就是品位高的，反之，则是品位低的。
例如，天然气发电效率为55％以上，而煤的发电效率在30％左右，则认为天然气的品位高于煤，从这点可以看出，区别能源的品位，按“质”用能对节约能源的重要意义。
在这里，我们要特别提出“可用能”的概念，无论何种能源，只有能转化为人类可利用的“能”，才有评论它的价值和意义。
自然界里存在着大量的与环境状态相同的或区别不大的能源，如空气、地表水、土壤等，它们是清洁的，但不能轻易地转化为人类的“可用能”，但是，如果加以高科技的手段和输入少量高品位的能，则可以转化为“可用能”，因而，是很值得重视的。
建筑技术科学指出，建筑采暖、空调、生活热水一类的用能都属于有别于自然环境，但又是与之差别不大的热能。如采暖是要求比外界环境温度高，空调是要求比外界环境温（湿）度低的状态，因而，尽可能地使用少量高品位的能，来提升自然界中存在的能，使之合乎采暖、空调、生活热水的需求，而不是直接用高品位的电、天然气、石油等可用于工业、交通运输、国防事业的能源，对于节约能源、合理用能，乃至可持续发展是十分重要的。第二节 人体对室内环境热舒适度的要求一、人体的热平衡
人体在从食物中获取热量，并在工作时向外界做功的同时，与周围环境进行热、湿交换取得热平衡，则可以找到热舒适温度。当然，人体随时可以更换衣着调节维持体温，一般恒定体温在36.5℃左右。二、人体与周围环境的热、湿交换
在室内，人体与周围环境的热交换指：
①人体与周围空气的对流换热，它取决于周围空气的干球温度tr和人体与空气的相对运动速度或风速v。
②人体与包围他的所有建筑内表面（包括墙、顶、地、门、窗等）之间的辐射换热，取决于上述诸内表面的温度和这些表面的面积、物性及与人体的相对位置。
③人体与周围空气中的湿交换，即出汗与呼吸造成的蒸发散热；取决于空气的相对湿度。
第①、②项是显热交换，第③项则为潜热交换。三、作用温度
将上述的两项显热交换综合起来以一个温度表示，称为作用温度，它的意义是一个假想的封闭空间具有一个均匀的温度t，人体在0这个空间里的显热交换如同与实际环境的显热交换——对流与辐射热交换是等同的，由式（1.1）可以表述：（t-t）（α+α）=［α（t-t）+α（t-t）］ （1.1）y0fdfybdyr式中 t——作用温度，℃；0
t——人体表面温度，℃；y
t——包围人体所有表面的平均温度，℃；b
t——房间空气温度，℃；r2
α——辐射换热系数，W/（m·℃）；f2
α——对流换热系数，W/（m·℃）。d四、作用温度的测量及黑球温度tg
为了用一个指标（温度）给出人体与室内环境之间显热交换达到舒适的程度，可以采用一个可测量出的温度t替代上述的作用温度t，g0这就是所谓的黑球温度t。黑球温度仪按下述制作，即制造一个直径g150mm的黑色铜球模拟人体头部，在其空腔内密封一个温度传感探头，将黑球悬于人体头部的高度，则该黑球与周围环境进行显热交换，达到热平衡时在下述方程中，定量描述：α（t-t）=α（t-t） （1.2）fbgdgr （1.3） （1.4）
在测量出黑球温度t的同时，可以测试出人体的舒适感，并找出g不同衣着、不同工作情况下的热舒适温度。需要指出，黑球温度仅考虑了人体的显热交换，不包括空气湿度影响人体的潜热交换及风速的影响，所以，由它给出的温度指标仅针对一定气候区域、一定的人员习惯，或仅用于对冬季室内舒适度的评价方法。如，t=16℃可以作g为北方农村太阳房中的人体舒适度指标。图1.1所示为黑球温度测量示意图。图1.1 黑球温度测量示意图五、空气相对湿度ф和风速v的影响
在人体周围空气温度较低或较正常的情况下，空气的相对湿度对人体的热感觉起重要作用。例如，刚盖好的房子，因为潮湿，生了炉子，人也感觉很冷。这是因为空气中的水蒸气阻碍了人体与周围物体的辐射交换。相反，在闷热的夏天，空气温度已经接近体温，人体对体外的对流或辐射散热已不可能，但是，由于湿度很高，人靠出汗散热也不行，这时人会出现“中暑”的现象。可是，如果仅是周围空气温度高，而相对湿度不高，人体还会感到凉爽。在这种情况下，风速会起到使人更舒适的作用。
所以，使人健康的空气调节，并不是靠低温空气，更不能加上高风速，而应当对空气的相对湿度加以适当调节，使温度、湿度、风速三者起到恰当的综合作用。六、典型建筑室内热环境的标准
表1.1列出了舒适性室内气象参数。表1.1 舒适性室内气象参数①辐射地板采暖。第三节 建筑围护结构的传热
建筑围护结构的传热是因为室内、室外的空气温度不同，太阳照射以及人体在室内的活动和炊事、照明等产生的余热引起的。在民用建筑中，一般后者量少，且多为规律性的。表1.2给出了有关常用数值。表1.2 人体散热量及散湿量
冬季，室内温度高于室外，因而，就产生了由室内向室外的传热过程。大部分通过建筑物的外墙、屋顶、门窗和地面等部分散热，加上有人体所需新风换气量和（或）进入室内的冷风渗透量，扣除上述室内活动产生的热量，形成所谓采暖热负荷，它需要由供暖设备的热量来补偿。在一般民用建筑中多以供暖加热空气解决空气温度和湿度的问题。
夏季，在室外气温和太阳辐射的综合作用下，使得若要获得室内环境的舒适条件，则必须以空调设备去除这部分余热。
可见，无论是冬季还是夏季，要提供合格的供暖、空调设备，都涉及建筑围护结构的传热过程。一、建筑围护结构传热分析
围护结构是怎样进行传热的呢？让我们分析一下外墙的传热过程。图1.2所示是厚度为δ的外墙。当室内、室外空气温度分别为t和rt，且t>t时，由于温度差存在，产生了室内向室外的传热。它的传wrw热过程必然是室内的热量通过墙的内表面、经过墙体而由墙的外表面向室外空气和物体传递。因此，在t和t不变的情况下，在传热的过rw程中，温度是沿途下降的，若τ和τ分别代表墙的内、外表面温度，12则t>τ>τ>t。r12w图1.2 外墙的传热过程
在墙身中的传热是靠τ>τ的温度差而发生的。它是由墙体材料12的分子热运动所引起的，这种传热方式称为“导热”。
室内空气和物体与外墙内表面的换热可以分解为两种方式：一是由于室内空气温度t高于外墙内表面温度τ，接触外墙内表面的热空r1气被冷却后，失去了一部分热量，温度下降，容重增加而下沉，而另一部分离外墙远一些未被冷却的热空气便自上而下地不断向墙面补充，如图1.3所示。这种通过流体的流动把热量从一处带到另一处的传热方式称为“对流”。上述的空气流动是由于空气各部分温度不同而引起的，称为“自然对流”。二是由于室内的其他物体，如内墙、家具等的表面温度高于外墙内表面温度，两个物体虽然没有接触但也发生了传热。这种不是靠物体接触或流体流动，而是靠电磁波发射能量的传热方式称为“辐射”。太阳的热能传到地球上来就是依靠辐射的传热方式。图1.3 自然对流
墙外表面传给室外空气和物体的热量也同样是依靠对流和辐射两种传热方式进行。但是，室外的空气流动主要不是由于温差引起，而是由风力造成，这种在外力作用下发生的对流传热，称为“受迫对流”。
综上所述，围护结构的传热是由导热、对流和辐射三种基本传热方式组成的复杂传热现象。二、稳定导热
上述分析围护结构的传热过程时，认为墙壁内、外的空气温度是恒定的，不随时间而变化；墙壁内、外表面温度也是恒定的，不随时间而变化。所以，通过围护结构的传热量也不随时间而变化，这种不随时间变化的传热过程称为稳定传热过程。在这种条件下的导热就是稳定导热。
生活告诉我们，室外温度总是随着季节和时间而变化的，室内、室外的温度差是随时间而变化的，因而，通过围护结构的传热量也随时间而变化。这种随时间而改变的传热过程称为不稳定传热过程。
可见，稳定传热过程是有条件的、特殊的、暂时的传热情况；而不稳定传热过程是绝对的、普遍的传热情况，它是符合客观现实的。但是在计算上前者简单，后者复杂。在工程上通常选择以能满足实际需要的某一稳定传热过程来代替实际的不稳定传热过程。因此，研究稳定传热过程是重要的。
1.单层平壁导热2
设一单一材料砌成的外墙，其厚度为δ（m），面积为F（m），内表面温度为τ（℃），外表面温度为τ（℃），且τ>τ。如图1.4所nwnw示，因τ>τ，热量将从墙内表面传向墙外表面。nw图1.4 单层平壁
实践证明，每小时通过墙壁的热量Q（kJ）与壁面积F和两壁面的温度差（τ-τ）成正比，而与壁的厚度δ成反比。如用数学式表达nw即为： （1.5）
式（1.5）反映了导热的规律，故通常称它为平壁的导热公式。2式中，λ为比例系数，它随着壁体材料的不同而变化。当取F=1m，Δt=τ-τ=1（℃）和δ=1（m）时，则得λ=Q。这说明了比例系数λ的nw物理意义为：当沿着导热的方向每米长度上温度降落为1℃时，每小时、每平方米面积的平壁所能通过的热量。它表示了壁体材料的导热能力，故称λ为热导率。各种材料的热导率λ值的大小相差是很大的，如紫铜管λ=398W/（m·℃），砖砌体λ=0.81W/（m·℃），泡沫塑料λ=0.042W/（m·℃）。说明金属材料导热性好，而多孔材料导热性差。关于材料的热导率将在表1.3中详细说明。表1.3 一些常用材料的热导率和其他热物性注：摘自李元哲主编，清华大学出版社1993年3月出版的《被动式太阳房热工设计手册》。
式中的值表示沿热的传播方向上每米长度上温度降落的多少，叫作温度降度。若相反的情况，沿热的传播方向上其温度是升高的，即值，则称为温度梯度。可见，温度梯度和温度降度在方向上是不同的。温度梯度的方向总是朝着温度升高的一面。
式中的称为材料层热阻，以R表示，即。它表示材料层阻止导热的能力。因此，导热公式（1.5）也可以用式（1.6）表示： （1.6）
在冬季，我们常常见到这样的情况：当室温较高而室外温度较低时，玻璃窗上往往出现滴水甚至结冰现象。这是由于室内热空气与玻璃冷表面接触时温度降到了露点温度以下，把空气中的水分凝结出来了。若这种情况出现在墙身内部，将会使墙体材料受潮，甚至结冻，就会破坏围护结构的保暖作用和结构强度。为此，有时需了解壁内温度，以检查其温度是否过低，以便事先发现和采取消除措施。那么壁内温度怎么求呢？2
我们可从F=1m的墙壁中任取一薄层dx（图1.4），薄层两侧的温差为dτ，在稳定传热的情况下，通过薄层的热量和通过整个墙壁的热量是相等的。因此，通过这薄层的导热公式应为： （1.7）
式中，q为单位面积的传热量，又称热流量；为薄层内的温度梯度；“-”表示传热量和温度梯度的方向相反。
把式（1.7）分离变量后，可得：qdx=-λdτ
将上式积分，由于当x=0时，τ=τ；当x=x时，τ=τ，则得：n0xqx=-λ（τ-τ）xn
移项并整理后得： （1.8）
式中，τ为墙壁内部任意位置上的温度。式（1.8）的形式与数x学中的直线方程y=ax+b相同，所以，平壁中的温度分布是直线形的。 若把
代入，则式（1.8）的形式可写成： （1.9）
2.多层平壁的导热
外墙通常并非单层的平壁，一般建筑物的外墙除砖为墙体外，内表面都有抹灰，有时外表面还有抹灰或水刷石。有些特殊用途的建筑，为了减少传热量，在墙身内部还加一层或几层保温材料。屋顶和地板也很少是单一材料组成的结构。下面将以三层不同材料组成的外墙为例来说明多层平壁导热的规律。
图1.5所示是一面积为F的外墙，其各层材料的热导率分别为λ、1λ、λ，各层的材料厚度分别为δ、δ、δ，而壁两侧的表面温度分23123别为τ和τ，且τ>τ。nwnw图1.5 多层平壁
设第一层和第二层交界处的壁面温度为τ，第二层和第三层交界1处的壁面温度为τ。根据稳定传热的特点，即通过各层的热量等于通2过整个平壁的热量。所以，各层的传热量可用下列公式表示： （1.10） （1.11） （1.12）
那么，各层的温度差应分别为： （1.13） （1.14） （1.15）
把式（1.13）、式（1.14）和式（1.15）相加得：
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