北方清洁能源供暖技术研究进展与展望F
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300亿 m2
相对于2004年面 积翻一番
2020
数据来源: 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告. 北京：中国建筑工业出版社, 2010 .
3
中国建筑能耗预测
2005年世界主要几个国家的建筑能耗情况
圆圈的面积代表总能耗大小
人均能源 消耗量
发达国家
中国
发达程度
如果中国城镇人均建筑能耗达到美国人 均建筑能耗的50%水平，预计2020年 中国的建筑能耗将超过2005年中国能源 供给总量
“煤”改“电”
李克强：促进节能减排低碳发展 改善环境保护生态
热风型 热水型
为了解决以上问题，实现能源与气候发展目标，清洁供热越来越受重视！
8
目录
1. 背景
2.清洁供暖技术进展 3. 问题与误区 4. 展望与建议
9
典型清洁能源技术应用情况-可再生能源
2014 年太阳能供热 +生活热水装机容量占比 （中国占70%以上） 可再生能源-生物质能源
调节阀
主膨胀阀
制热工况下热泵制热量提
压缩机
升15%~35%；
蒸发器
制热COP提升5%~15%
15
ห้องสมุดไป่ตู้
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（1）低温性能改善
转子压缩机补气技术
清华大学王宝龙团队针对传统滚动转子压 缩机制冷剂回流的问题，开展了无回流技 术相关研究。
0.4 0.3
揭示了补气回流是限制转子压缩 机补气系统性能提升的关键！
年份
• • •
房间空调器几乎全是热泵型空调器 空气源热泵热水机组强势进入热水市场
中国制冷空调工业协会. 中国空调热泵相关产品调研报告[M], 2013 国家统计局，中国产业信息网 徐伟. 中国地源热泵发展研究报告2008. 北京: 中国建筑工业出版 社, 2008. 11
典型清洁能源技术应用情况-清洁燃料利用
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（3）无霜技术－溶液再生方法
清华大学李先庭教授团队采用冷凝热回收对内热型溶液再生装臵进行了改进 ，再生器出口的湿空气在再生器和冷凝器之间不断循环，能够充分回收冷凝 热，再生效率较高； 东南大学张小松团队采用热泵系统对绝热型再生器进行了改进，利用热泵冷 凝热加热溶液，蒸发器回收湿空气的潜热，并进行了模拟研究，结果表明， 热泵COP能够达到4.3，再生潜热COP能够达到3.5，潜热百分比高达82% 。
18
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（2）除霜抑霜技术
换热器表面改性抑霜 北京工业大学刘中良教授使用亲水表面翅片，减少结霜量 西安交通大学徐光华教授利用超声波降低结霜程度； 东南大学梁彩华教授团队通过超疏水表面涂层减少结霜量，缩 短除霜时间
超声波作用下冷凝器结霜过程微观图
[1]Liu L,Wang H Y,Zhang X H,et al.An experimental study on minimizing frost deposition on a cold surface under natural convection conditions by use of a novel anti-frosting paint[J].International Journal of Refrigeration,2006,29(2):229-236. [2]Wang D,Tao T,Xu G,et al.Experimental study on frosting suppression f or a finned-tube 19 evaporator using ultrasonic vibration [J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2012,36(1):111.
全国能源消耗总量不超过40亿吨标煤 总建筑面积不超过600亿 m2 建筑能耗总量不超过10亿吨标煤 全国各地PM2.5浓度下降10%，重点区域降低幅度更大
1 billion tce
Building Energy consumption (billion tce)
2020
7
各类政策促进热泵技术发展
[1]高强. 无霜空气源热泵系统的实验研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2011. [2]张晨,杨洪海,刘秋克,吴建兵. 闭式热源塔用 作空调冷热源的分析[J]. 建筑热能通风空调 ,2009,06:71-73. [3] Wen, X., et al. (2012). "Experimental study on heat transfer coefficient between air and liquid in the cross-flow heat-source tower." Building and Environment 57: 205-213.
北方城镇采暖季雾霾天数明显增多 源解析显示PM10/2.5与燃煤的关系
良
Fig.1 2014年北京市大气PM10与PM2.5逐日分布情 况
Fig.2 北京市冬季大气PM10源解析比例
冬季燃煤供暖对PM2.5的贡献率大，燃煤锅炉粉尘与污染物排放严重
6
中国未来的能源与气候发展目标
能源消耗总量控制(2020)
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1860
薪柴 传统生物质能
煤炭 石油
天然气 水能
核能
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
世界一次能源消耗变化情况
250 55 35
我国燃气与燃煤的消耗增长
燃气采暖热水炉总销量[万台]
200 150 100 50
20
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（3）无霜技术-蓄热再生
西安交通大学王沣浩教授对基于 吸附除湿的无霜空气源热泵进行 了改进，在两级蒸发器的基础上 增加了蓄热模块，并开展了相关 的实验研究。
表面涂覆固体吸附剂
(a) 制热量
(b) COP
21
与常规的逆循环除霜空气源热泵的性能比较
[1] WANG F, WANG Z, ZHENG Y, et al. 2015. Performance investigation of a novel frost-free air-source heat pump water heater combined with energy storage and dehumidification. Applied Energy [J], 139: 212-219.
-5 -25 -45
0
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
-65
年增长率[%]
15
燃气锅炉逐年销量情况
日本燃气机热泵的出口与本土销量变化情况
12
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（1）低温性能改善
变频技术 机理：增加转速，提升制冷剂循环量，提高制热量 缺点：不能解决压缩效率低及排气温度高的问题
北方清洁能源供暖技术研究进展与展望
李先庭 清华大学建筑科学技术系 2018/3/15
目录
1. 背景
2. 清洁供暖技术进展 3. 问题与误区 4. 展望与建议
2
中国建筑能耗增长迅速
中国建筑能耗的增长
建筑能耗增长速度快 建筑能耗中空调、供热 和热水能耗所占比例最 大 城镇化建设促使了建筑 面积的快速增长
-15℃制热工况下热泵制热
冷
凝 器 闪蒸器
高压缸 低压缸1
低压缸2
蒸
量达到额定制热量，COP达 1.92～2.05W/W；
发
器
-30℃制热工况下，热泵制
热出风口温度可达45℃；
二级节流阀
一级节流阀
54℃制冷工况下，制冷量比
单级变频空调提高122%～ 136%，能效提高44%～
47%。
14
近30%的补气制冷剂将回流至吸气管
回流比[-]
0.2 0.1 0
-20
-15 -10 -5 蒸发温度[℃]
0
5
16
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（1）低温性能改善
提出了新型无回流端面喷射结构
8 7 制热量[kW] 6 5 4 3 2 -15 -10 -5 蒸发温度[℃] 0 5 45端面补气 45端面不补气
实验结果表明，新型端面喷射：
① 制热量：比常规单级提升了 17.1%~31.0%，比双级只小 1.2%~5.6% ② COP：相比端面喷射不补气 17 时，提升了7%~10%
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（2）除霜抑霜技术
蓄热除霜 哈尔滨工业大学姜益强教授团队对多联机空气源热泵的相变蓄能 除霜系统进行试验研究。采用相变材料在供热过程中蓄存热量用 于除霜，解决除霜时热源不足的问题，缩短除霜时间，恢复时间 短[1]。
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（1）低温性能改善
涡旋压缩机补气技术
机理：通过中间补气，提升有效制冷剂循环量，降低欠压缩损失， 实现容量和效率双提升； 缺点：极低温工况性能提升不及双级压缩
冷凝器
补气膨胀阀
经济器
M
单向阀
清华大学王宝龙团队、北京工 业大学马国远教授等团队在此 技术领域开展了一系列研究。 该项技术在北方地区煤改电中 得到了广泛使用。
6000 5000 4000
6268.5 110
133.5 6048.6
140
120 100 80
75
64.3
83.6
3000
2000 1000 0 2011 2012 2013 2014 2015 2016
60
房间空调器和热泵热水器
40 20 0
各类热泵的销量和市场份额逐 年增加 空气源、地源热泵的工程应用 面积增长迅速
室内温度
时间
双级压缩技术 机理：通过二次吸气，提升有效制冷剂循环 量及制热量，并显著提升热泵在极低环境温 度下的效率 缺点：造价高、变工况及低压比制热效率低
第1级 第2 级 末端
双级耦合技术
13
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（1）低温性能改善
三缸双级变容积比压缩机
格力国家节能环保制冷设备工程技术研究 中心针对普通单机双级增焓容积比固定， 无法兼顾制热全工况内的能效要求的问 题，开发了三缸双级变容积比压缩机。
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（3）无霜技术
[1]Li Zhang, Michiyuki Saikawa, Takeshi Fujinawa. Study on Frost-free Air Source Heat Pump Water Heater System [J]. International Journal of Refrigeration, 2013, 88(1023): 3742. [2]梁彩华, 潘晓鹏, 汪峰, 等.基于调 湿与蒸发冷却的无霜空气源热泵系 统: 中国. 201610857703.5, 2016-09-27.
试验类型 室内机负荷率/% 除霜时间/s 化霜水质量/kg 多联机空气源热泵相变蓄能除霜系统原理图 常规 100 505 6.1 螺旋管 100 335 6.1
常规除霜与蓄能除霜效果
试验结果显示，相对于常规除霜系统，新系统除霜时间缩短了 3.7%，COP达到了3.1，接近正常供热水平。
[1]姜益强,田浩,董建锴.多联机空气源热泵相变蓄能除霜特性试验研[J].制冷与空调,2012,14(8):102-105.
中国如果走发达国家的 能源发展模式，将出现 灾难性的后果
4
数据来源: 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告. 北京：中国建筑工业出版社, 2010 .
中国面临的能源与环境问题
中国是目前世界上温 室气体排放量最大的 国家 雾霾: 燃煤供暖产生的 颗粒物是雾霾的主要 来源之一
5
中国面临的能源与环境问题
国内销售额（亿元）
100.0 80.0 60.0 40.0
工程应用总面积(万m2)
87.3
89.2
97.2
地源热泵的工程应用面积
30000 25000 20000 15000 10000
Central 18% South 8%
East 31%
North 43%
20.0
0.0
17.1
20.0
24.0
26.9
地热能的利用总热量逐年变化 地热直接供暖面积增长情况 2007 天津地热供暖面积 （万m2） 1200 2008 1300 2400 10%
10
全国地热能总供暖面积 （万m2） 年增长率
典型清洁能源技术应用情况-各类电热泵
120.0
空气源热泵和水/地源热泵
空气源热泵
水/地源热泵 78.1 67.6
27.0
5000 0
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
2009
8000 房间空调器 热泵热水器 6060.4 5715.9
2010
2011 年份
7016.5 6235.2 101.5
2012
2013
160
年份
热泵热水器内销数量（万台）
家用空调器内销数量（万台）
7000
相对于2004年面 积翻一番
2020
数据来源: 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告. 北京：中国建筑工业出版社, 2010 .
3
中国建筑能耗预测
2005年世界主要几个国家的建筑能耗情况
圆圈的面积代表总能耗大小
人均能源 消耗量
发达国家
中国
发达程度
如果中国城镇人均建筑能耗达到美国人 均建筑能耗的50%水平，预计2020年 中国的建筑能耗将超过2005年中国能源 供给总量
“煤”改“电”
李克强：促进节能减排低碳发展 改善环境保护生态
热风型 热水型
为了解决以上问题，实现能源与气候发展目标，清洁供热越来越受重视！
8
目录
1. 背景
2.清洁供暖技术进展 3. 问题与误区 4. 展望与建议
9
典型清洁能源技术应用情况-可再生能源
2014 年太阳能供热 +生活热水装机容量占比 （中国占70%以上） 可再生能源-生物质能源
调节阀
主膨胀阀
制热工况下热泵制热量提
压缩机
升15%~35%；
蒸发器
制热COP提升5%~15%
15
ห้องสมุดไป่ตู้
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（1）低温性能改善
转子压缩机补气技术
清华大学王宝龙团队针对传统滚动转子压 缩机制冷剂回流的问题，开展了无回流技 术相关研究。
0.4 0.3
揭示了补气回流是限制转子压缩 机补气系统性能提升的关键！
年份
• • •
房间空调器几乎全是热泵型空调器 空气源热泵热水机组强势进入热水市场
中国制冷空调工业协会. 中国空调热泵相关产品调研报告[M], 2013 国家统计局，中国产业信息网 徐伟. 中国地源热泵发展研究报告2008. 北京: 中国建筑工业出版 社, 2008. 11
典型清洁能源技术应用情况-清洁燃料利用
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（3）无霜技术－溶液再生方法
清华大学李先庭教授团队采用冷凝热回收对内热型溶液再生装臵进行了改进 ，再生器出口的湿空气在再生器和冷凝器之间不断循环，能够充分回收冷凝 热，再生效率较高； 东南大学张小松团队采用热泵系统对绝热型再生器进行了改进，利用热泵冷 凝热加热溶液，蒸发器回收湿空气的潜热，并进行了模拟研究，结果表明， 热泵COP能够达到4.3，再生潜热COP能够达到3.5，潜热百分比高达82% 。
18
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（2）除霜抑霜技术
换热器表面改性抑霜 北京工业大学刘中良教授使用亲水表面翅片，减少结霜量 西安交通大学徐光华教授利用超声波降低结霜程度； 东南大学梁彩华教授团队通过超疏水表面涂层减少结霜量，缩 短除霜时间
超声波作用下冷凝器结霜过程微观图
[1]Liu L,Wang H Y,Zhang X H,et al.An experimental study on minimizing frost deposition on a cold surface under natural convection conditions by use of a novel anti-frosting paint[J].International Journal of Refrigeration,2006,29(2):229-236. [2]Wang D,Tao T,Xu G,et al.Experimental study on frosting suppression f or a finned-tube 19 evaporator using ultrasonic vibration [J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2012,36(1):111.
全国能源消耗总量不超过40亿吨标煤 总建筑面积不超过600亿 m2 建筑能耗总量不超过10亿吨标煤 全国各地PM2.5浓度下降10%，重点区域降低幅度更大
1 billion tce
Building Energy consumption (billion tce)
2020
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各类政策促进热泵技术发展
[1]高强. 无霜空气源热泵系统的实验研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2011. [2]张晨,杨洪海,刘秋克,吴建兵. 闭式热源塔用 作空调冷热源的分析[J]. 建筑热能通风空调 ,2009,06:71-73. [3] Wen, X., et al. (2012). "Experimental study on heat transfer coefficient between air and liquid in the cross-flow heat-source tower." Building and Environment 57: 205-213.
北方城镇采暖季雾霾天数明显增多 源解析显示PM10/2.5与燃煤的关系
良
Fig.1 2014年北京市大气PM10与PM2.5逐日分布情 况
Fig.2 北京市冬季大气PM10源解析比例
冬季燃煤供暖对PM2.5的贡献率大，燃煤锅炉粉尘与污染物排放严重
6
中国未来的能源与气候发展目标
能源消耗总量控制(2020)
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1860
薪柴 传统生物质能
煤炭 石油
天然气 水能
核能
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
世界一次能源消耗变化情况
250 55 35
我国燃气与燃煤的消耗增长
燃气采暖热水炉总销量[万台]
200 150 100 50
20
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（3）无霜技术-蓄热再生
西安交通大学王沣浩教授对基于 吸附除湿的无霜空气源热泵进行 了改进，在两级蒸发器的基础上 增加了蓄热模块，并开展了相关 的实验研究。
表面涂覆固体吸附剂
(a) 制热量
(b) COP
21
与常规的逆循环除霜空气源热泵的性能比较
[1] WANG F, WANG Z, ZHENG Y, et al. 2015. Performance investigation of a novel frost-free air-source heat pump water heater combined with energy storage and dehumidification. Applied Energy [J], 139: 212-219.
-5 -25 -45
0
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
-65
年增长率[%]
15
燃气锅炉逐年销量情况
日本燃气机热泵的出口与本土销量变化情况
12
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（1）低温性能改善
变频技术 机理：增加转速，提升制冷剂循环量，提高制热量 缺点：不能解决压缩效率低及排气温度高的问题
北方清洁能源供暖技术研究进展与展望
李先庭 清华大学建筑科学技术系 2018/3/15
目录
1. 背景
2. 清洁供暖技术进展 3. 问题与误区 4. 展望与建议
2
中国建筑能耗增长迅速
中国建筑能耗的增长
建筑能耗增长速度快 建筑能耗中空调、供热 和热水能耗所占比例最 大 城镇化建设促使了建筑 面积的快速增长
-15℃制热工况下热泵制热
冷
凝 器 闪蒸器
高压缸 低压缸1
低压缸2
蒸
量达到额定制热量，COP达 1.92～2.05W/W；
发
器
-30℃制热工况下，热泵制
热出风口温度可达45℃；
二级节流阀
一级节流阀
54℃制冷工况下，制冷量比
单级变频空调提高122%～ 136%，能效提高44%～
47%。
14
近30%的补气制冷剂将回流至吸气管
回流比[-]
0.2 0.1 0
-20
-15 -10 -5 蒸发温度[℃]
0
5
16
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（1）低温性能改善
提出了新型无回流端面喷射结构
8 7 制热量[kW] 6 5 4 3 2 -15 -10 -5 蒸发温度[℃] 0 5 45端面补气 45端面不补气
实验结果表明，新型端面喷射：
① 制热量：比常规单级提升了 17.1%~31.0%，比双级只小 1.2%~5.6% ② COP：相比端面喷射不补气 17 时，提升了7%~10%
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（2）除霜抑霜技术
蓄热除霜 哈尔滨工业大学姜益强教授团队对多联机空气源热泵的相变蓄能 除霜系统进行试验研究。采用相变材料在供热过程中蓄存热量用 于除霜，解决除霜时热源不足的问题，缩短除霜时间，恢复时间 短[1]。
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（1）低温性能改善
涡旋压缩机补气技术
机理：通过中间补气，提升有效制冷剂循环量，降低欠压缩损失， 实现容量和效率双提升； 缺点：极低温工况性能提升不及双级压缩
冷凝器
补气膨胀阀
经济器
M
单向阀
清华大学王宝龙团队、北京工 业大学马国远教授等团队在此 技术领域开展了一系列研究。 该项技术在北方地区煤改电中 得到了广泛使用。
6000 5000 4000
6268.5 110
133.5 6048.6
140
120 100 80
75
64.3
83.6
3000
2000 1000 0 2011 2012 2013 2014 2015 2016
60
房间空调器和热泵热水器
40 20 0
各类热泵的销量和市场份额逐 年增加 空气源、地源热泵的工程应用 面积增长迅速
室内温度
时间
双级压缩技术 机理：通过二次吸气，提升有效制冷剂循环 量及制热量，并显著提升热泵在极低环境温 度下的效率 缺点：造价高、变工况及低压比制热效率低
第1级 第2 级 末端
双级耦合技术
13
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（1）低温性能改善
三缸双级变容积比压缩机
格力国家节能环保制冷设备工程技术研究 中心针对普通单机双级增焓容积比固定， 无法兼顾制热全工况内的能效要求的问 题，开发了三缸双级变容积比压缩机。
2.1 热点技术进展-空气源热泵
（3）无霜技术
[1]Li Zhang, Michiyuki Saikawa, Takeshi Fujinawa. Study on Frost-free Air Source Heat Pump Water Heater System [J]. International Journal of Refrigeration, 2013, 88(1023): 3742. [2]梁彩华, 潘晓鹏, 汪峰, 等.基于调 湿与蒸发冷却的无霜空气源热泵系 统: 中国. 201610857703.5, 2016-09-27.
试验类型 室内机负荷率/% 除霜时间/s 化霜水质量/kg 多联机空气源热泵相变蓄能除霜系统原理图 常规 100 505 6.1 螺旋管 100 335 6.1
常规除霜与蓄能除霜效果
试验结果显示，相对于常规除霜系统，新系统除霜时间缩短了 3.7%，COP达到了3.1，接近正常供热水平。
[1]姜益强,田浩,董建锴.多联机空气源热泵相变蓄能除霜特性试验研[J].制冷与空调,2012,14(8):102-105.
中国如果走发达国家的 能源发展模式，将出现 灾难性的后果
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数据来源: 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告. 北京：中国建筑工业出版社, 2010 .
中国面临的能源与环境问题
中国是目前世界上温 室气体排放量最大的 国家 雾霾: 燃煤供暖产生的 颗粒物是雾霾的主要 来源之一
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中国面临的能源与环境问题
国内销售额（亿元）
100.0 80.0 60.0 40.0
工程应用总面积(万m2)
87.3
89.2
97.2
地源热泵的工程应用面积
30000 25000 20000 15000 10000
Central 18% South 8%
East 31%
North 43%
20.0
0.0
17.1
20.0
24.0
26.9
地热能的利用总热量逐年变化 地热直接供暖面积增长情况 2007 天津地热供暖面积 （万m2） 1200 2008 1300 2400 10%
10
全国地热能总供暖面积 （万m2） 年增长率
典型清洁能源技术应用情况-各类电热泵
120.0
空气源热泵和水/地源热泵
空气源热泵
水/地源热泵 78.1 67.6
27.0
5000 0
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
2009
8000 房间空调器 热泵热水器 6060.4 5715.9
2010
2011 年份
7016.5 6235.2 101.5
2012
2013
160
年份
热泵热水器内销数量（万台）
家用空调器内销数量（万台）
7000