摘要：为了缓解近年来日益严重的空气雾霾现状，介绍了近年来我国空气雾霾天气的情况及影响。并探讨了低温空气源热泵对缓解雾霾的作用。将空气源热泵采暖与常规采暖方式在能耗和污染物排放量方面进行定量比较，结果表明，在相同的制热量下，空气源热泵消耗的能源***少，排放的污染物也***少。空气源热泵采暖系统的推广应用，对我国的节能减排意义重大，也必然在很大程度上缓解我国空气雾霾的现状。

0 引言

近年来，我国空气雾霾天气频发，空气污染严重，这已经成为了我国***严重、***亟需解决的环境问题之一。为了减轻北方城镇的供热采暖对空气雾霾天气的影响，可采用高效环保的采暖方式替代传统的燃煤采暖。空气源热泵的出现，在节约能源的同时，更避免了污染物的直接排放，它的推广和应用将缓解空气雾霾天气的现状。本文将从节能减排角度对空气源热泵削减空气雾霾的原理进行探讨。

1 空气雾霾天气现状

2012 年秋冬以来，我国北方地区大范围出现了严重的空气雾霾天气，空气质量严重下降。据环保部统计：2013 年，我国空气雾霾面积已经达到143 万km2[1]，约占国土面积的15%，而且空气雾霾波及的范围呈现扩大化趋势。此外，根据中国社科院、中国气象局联合发布的中国气候变化绿皮书———《应对气候变化报告·2013》[2]显示，自2013 年以来，全国平均空气雾霾日数为29.9 d，为52 年来的******值，同时，我国空气雾霾天气呈现明显的季节性，冬季空气雾霾的天数占全年空气雾霾天总数的42.3%。上述事实无可辩驳地证明，我国部分地区供暖式空气雾霾污染已经到了非常严重的地步。

众所周知，我国北方地区冬季的采暖主要依靠燃煤，平均每平方米每年要消耗20 kgce，占全国建筑能耗的40%以上[3]。目前的供热采暖方式不仅消耗了大量的能源，还直接或间接地排放了大量废气、粉尘、固体小颗粒等大气污染物，这无疑对空气雾霾的出现起到了推动作用。同时，人们生活水平的日益提高，使得我们对采暖舒适性的要求也越来越高。我国的采暖范围也扩展到了长江以南地区，而如果南方地区也采取同北方一样的采暖方式，这必然将进一步加剧环境污染。

综上所述，亟需新的高效环保的供暖方式来替代传统的污染严重的燃煤锅炉供暖，从而有效地缓解供暖式空气雾霾现状。

2 空气源热泵系统的节能减排原理

针对空气雾霾现状，我国众多专家学者和行业企业也一直在寻求高效节能环保的采暖方式和措施：

(1)尝试“煤改气”遇尴尬[4]。有的城市早已启动“煤改气”等能源工程，但进展不及预期，迫于气源不足，部分“煤改气”改造工程搁浅。此外，天然气的成本高昂也是不得不面对的问题。

(2)太阳能供暖不稳定，需有辅助系统。之前，由于我国北方地区冬季太阳光照资源丰富，不少专家和行业企业提出利用太阳能供热，但受技术的限制，单独依靠太阳能解决采暖问题不能满足采暖需求，而要采用电锅炉等辅助热源。因此，大面积推广太阳能供暖与燃煤或燃气系统相比并没有太大的经济优势。

(3)日渐成熟的热泵技术开始受到暖通行业的推崇。热泵技术可大量利用自然资源和余热资源中的热量，从而有效地减少采暖所需的一次能源。热泵采暖系统可采用地热、水、空气等能源作为热源，其中，空气源热泵因其具有高效节能、绿色环保、设备利用率高、节约空间资源和水资源等特点备受关注。

空气源热泵机组的主要组成部件有：压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、四通换向阀等。当机组在制热工况运行时，通过输入少量电能驱动压缩机做功，把来自蒸发器的低温低压制冷剂压缩成高温高压气体，被压缩后的高温高压制冷剂进入冷凝器，放热后凝结成高压低温的液体，再经膨胀阀节流降压后进入蒸发器，此时的低温低压液态制冷剂在蒸发器中吸收环境中的热量气化为低压气体，继而再次进入压缩机中，完成一个制热循环。图1 为供热工况时的流程。

从图1 可看出，制热工况下，空气源热泵机组工质在蒸发器中吸收周围环境介质中的能量为Qa，通过压缩机做功消耗的能量为Qb，工质在冷凝器中放出热量为Qc，而Qc=Qa+Qb。可见，机组的节能原理就在于它输出的能量Qc 为从环境中吸收的热量Qa 和压缩机做功Qb 之和，远大于它所消耗的量为Qb 的能源。

因此，空气源热泵能够缓解我国空气雾霾天气，主要是指其用于冬季供暖时相对于其他的采暖方式具有较高的供热效率。即消耗少量的电能便可获取大量空气中的热量，不但节约了电能，而且减少了污染物的排放，控制了污染源的产生。

3 供热系统污染物排放量分析

供热系统的能源消耗是造成大气污染的主要来源之一，它对环境和大气的污染主要有直接污染和间接污染2 种形式。直接污染是指各种燃料燃烧所排放的污染物，主要有烟尘、SO2、NOx 和CO2 等。另外，电力采暖虽然没有直接的污染，但由于我国70%以上的电力为燃煤发电[5]，故仍存在着间接污染。

我国采暖方式和技术形式种类繁多。其中，按照热源燃料的不同，可以分为燃煤、燃油、燃气及电动采暖方式。本文将对燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉、太阳能电采暖、空气源热泵等几种采暖方式在制热量相同时消耗的能源以及产生污染物的排放量进行比较。

3.1 单位能源消耗的污染物排放量

表1 为各种燃料消耗时的污染物排放量。

各种燃料消耗时的污染物排放量取值依据：

(1)标煤：以链条炉为例，烟尘占灰分的25%，平均灰分为20%，除尘率按85%计算，烟尘中的可燃物取20%，则1 tce 可排放7.5 kg 烟尘；国家规定标准煤的含硫量为1%，则1 tce 可排放16 kg SO2；氮的含量取1.5%，氮的转化率取25%，则替代1 tce 可排放7.6 kg NOx；1 tce 完全燃烧产生CO2 量为2.62 t。

(2)轻柴油和天然气的粉尘、SO2 和NOx 的排放指标是根据GB13271—2001《中华人民共和国国家标准锅炉大气污染物排放标准》的达标值计算，CO2 排放指标是燃料一般利用技术条件下的统计平均值。

(3)电的间接污染物排放指标参考文献[6-7]。由表1 分析可见，发电厂的污染物排放量远小于直接的煤炭燃烧的排放量。究其原因，则是利用大型和特大型锅炉发电一般都会进行脱尘、脱硫和脱氮等处理后再排放，而这些措施在自备锅炉房和区域锅炉房等中小型锅炉中燃烧就很难做到，或者成本很高。

同时，我国广大农村地区散煤燃烧所造成的污染更为严重。就我国现状而言，电力是***能清洁利用煤炭的部门。因此，将煤炭用于大型、特大型锅炉中燃烧发电，并在工程中推广空气源热泵这种高效的间接电采暖技术的应用，能有效地改善由于冬季燃料燃烧所产生的空气雾霾现状。

3.2 供热状态下污染物排放量分析

表2 列出了制备1 000 kW 热量时各种热源的能耗情况和环境污染情况。为了方便比较各方案运行能耗，将各能源转换成等价标煤。各方案的能源热值、设备热效率以及各能源的折标煤系数见表2。其中，当量折标系数是按照燃料的当量热值(理论发热量)与标准煤发热量之比；等价折标系数是指二次能源的等价热值与标准热值之比。

图2 是各种方案的量化比较结果。由表2、图2 可以看出，在制取相同热量时，6 种采暖方式中空气源热泵方式的能耗***少。若换算成等价标煤，空气源热泵比燃煤锅炉节省标煤69.04 kg，约36.5%。

根据表2 计算出的制热量下各燃料能耗量以及表1 中单位能耗污染物排放量得出表3，即各种供热方式在制取相同热量是产生的污染物总量。

由表3 可以看出，空气源热泵的污染排放总量与燃气锅炉相差不大，但远远小于以电能为能源的其他几个供热方案。同样制取1 000 kW 热量，空气源热泵的污染物排放，与燃煤锅炉相比，减少90.6%的烟尘、29.5%的SO2、46.2%的NOx、53.2%的CO2；与电锅炉相比，相当于减少68.3%的烟尘、SO2、NOx、CO2 的排放。

如果电能不采用燃煤电，而采用清洁能源发电，如核电、水力发电、太阳能光伏发电或者风力发电，空气源热泵采暖必定为环保效益******的方案。

4 低温空气源热泵对缓解空气雾霾的分析

目前，我国北方地区冬季采暖的燃料仍然是以煤炭为主，主要通过集中锅炉供暖或热电联产(城镇)和分户锅炉供暖(农村)等方式，这样的供热采暖方式不仅消耗了大量的能源，能源利用率低，还带来了严重的环境污染。近年来空气雾霾天气的频发正是向我们发出的警告。

通过前文对空气源热泵采暖的工作原理阐述以及空气源热泵采暖与其他采暖方式能耗和污染物排放量的对比分析可知，空气源热泵能够有效地缓解我国空气雾霾天气，具有节能环保效益。

同时，住建部开展的“空气源热泵、太阳能与低温热水地暖组合建筑采暖系统的节能能效研究”[8]，也计算了不同供热方式的污染物排放量，结果显示：空气源热泵是污染物排放量***少的供热方式之一。根据调查统计，北京郊区农村110 万户家庭的采暖季用煤炭量约347万t，共排放900万t CO2、8559 t NOx、8675 t SO2、8443t 烟尘。如果有1/3 的家庭采用空气源热泵采暖技术，则每年可节约煤炭110 t 左右，减少排放296 万t CO2、2720 t NOx、2775 t SO2、2664 t 烟尘。因此，空气源热泵采暖技术的推广应用，将为我国的节能减排战略目标和缓解空气雾霾做出重要贡献。

然而，在室外环境较低的北方地区，空气源热泵的应用存在一定的局限性：

(1)当室外环境温度较低时，制冷剂吸气比容增大，机组的吸气量迅速下降，从而使系统的制热量减少，性能系数(COP)急剧下降；

(2)随着室外温度的降低，蒸发温度降低，压缩比增大，引起排气温度过高，当排气温度超过压缩机工作范围时，会使压缩机频繁启停，系统无法正常工作；

(3)机组在低温高湿环境下工作，室外换热器翅片容易结霜以致影响换热，使功耗增大，而除霜过程也会带来能量的损耗，且除霜时间越长能量损耗越大。

因此，近年来，众多专家学者针对空气源热泵的低温适应性进行了大量研究，提出了不同的解决方案。其中包括补气增焓热泵系统，双级压缩变频空气源热泵[9]，带中间冷却器或经济器的二级压缩热泵系统，带经济器的准二级压缩热泵系统[10]，以提高润滑油流量来冷却压缩机的热泵系统，采用变频技术、辅助加热器、复叠式蒸汽压缩的热泵系统，以及双级耦合热泵系统[11]等。

针对除霜问题，目前常用的除霜方法有：空气除霜法、电加热除霜法、显热除霜法、水力除霜法、逆循环除霜法、蓄能除霜法等。这些研究促进了我国空气源热泵技术的发展，拓宽了空气源热泵的应用范围，为低温空气源热泵采暖缓解空气雾霾提供了坚实的基础。

5 结论

通过对比不同供热方式的供热效率、计算污染物排放量，我们发现，在相同的制热量下，空气源热泵消耗的能源***少，排放的污染物也***少。随着研究的不断深入，低温空气源热泵在缓解空气雾霾方面也发挥着重要作用，推广空气源热泵采暖系统在我国北方地区的应用，减少的煤炭资源的消耗和污染物的排放，这对我国的节能减排工作具有重大意义，也必然在很大程度上缓解我国空气雾霾的现状。