一、能源利用的主要类型
常用的生活热源有：城市蒸汽热源、燃油燃气热源、低谷电热源、太阳能热源、地热热源等，其各自性能、投资、可靠性等分析见表一。
综合上述比较，热源从可靠性及环保性能综合考虑宜选择太阳能加辅助热源的供热形式，辅助热源可选择热泵、低谷电、燃气等形式。
各种热源运行成本比较见表二。
寻找新的可再生、可代替能源是降低高质量生活成本的需要，是保护人类生态环境的时代责任，是地球延续的根本。
鉴于我国人口多、能源资源特别是优质能源资源有限，以及正处于工业化进程中等情况，应特别注意依靠科技进步和政策引导，提高能源效率，寻求能源的清洁化利用，积极倡导能源、环境和经济的可持续发展。
二、集中生活热水供应新能源的开发利用
1.太阳能光热技术的研发与利用
太阳光能可以广泛开发，是可持续利用的环保、清洁能源，是地球存在和今后人类生存的希望。
太阳能光热转换是将太阳的辐射能转变为热能的过程。长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3～4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。据统计，我国太阳能年辐照总量大于502万千焦／平方米。年日照时数在2200小时以上的地区约占国土面积的2／3以上，良好的太阳能资源为我国运用光热技术开发和利用太阳能奠定了基础。
太阳能的收集和利用，目前主要光电、光热两个方面，其研究和开发是全世界关注的课题，国内也投入了很大的精力。
1974年至1997年，美日等发达国家硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级：从每瓦50美元降到了5美元。
俄罗斯学者在太阳能电池研究方面也取得了令人瞩目的进展。俄罗斯一家研究机构提出了组合式太阳能电池电站的设计思想，即利用热泵、热管等技术将太阳能和地热、居室废热等综合利用起来，使太阳能电池发电的成本大大下降，并且一年四季都可用，夏天可用于空调，冬天可用于采暖。在欧美一些先进国家，目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品”，这是一种将太阳能转换硅片密封在（如夹层玻璃）双层钢化玻璃中，安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。
美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”以及我国已开展的“光明工程”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大地促进了太阳能在新型建材产品中的应用。
在发展中国家，各国也在积极发展利用太阳能。如菲律宾早在1999年，政府已批准了首个太阳能计划，在澳洲政府“海外援助计划”的协助下，在全国263个社区安装1000个太阳能系统。目前菲政府正在推行全球最大太阳能应用计划，整个计划耗资4800万美元，是目前为止世界上最庞大的太阳能计划。
在我国，太阳能的利用也一直是最热门的话题，经过多年的发展，国内在集热器（含太阳能热水器）方面已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。中国科学院宣布启动西部行动计划，将在两年内投入2.5亿元人民币开展研究，建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能热水等示范工程。但从整体上分析，国内太阳能光伏发电系统由于起步较晚，尤其是在太阳能电池的开发、生产上还落后于国际水平，经粗略统计表明，国内目前仅建有5个（单晶硅）太阳能电池生产厂，年产量约有4.5兆瓦[注：1兆瓦（MW）为1000千瓦]，工厂设施仍停留在已有引进的生产线上。据业内人士介绍，我国太阳能电池平均转换效率不高，其主要原因是专用材料国产化程度低，如封装玻璃就完全依赖进口，低铁含量的高透过率基板玻璃市场仍不能满足需求，科研成果还没有迅速及完全转化为产业优势。
目前国家发改委和科技部对发展太阳能技术及其应用给予了大力的支持，国内已有多家企业涉足。屋面太阳能发电系统，太阳能电池玻璃封装设备和配套材料，太阳能集热管、太阳光热瓦等高新产品不断问世，产业规模逐渐扩大。
2.热泵技术的研发与利用
水源、地源热泵是一种利用自然环境中的浅地下水、海水、湖水、河水、生活生产排水或浅层常温土壤等作为能源的可供暖又可制冷，而且同时还能提供生活热水的新型供热技术。其工作原理是通过消耗部分电能，驱动压缩机通过热交换设备，冬季吸收低品位能源，供给室内采暖或提供热水，夏季把室内的热量取出来，释放到水中，达到空调或供应热水的目的。
水源/地源热泵主要有如下特点：
（1）一机多用，应用广泛
水源/地源热泵系统可制冷、供暖，同时提供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和制冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优势。不仅节省了大量能源，而且减少了设备的投资。
（2）绿色环保
供热时可省去锅炉，无需燃烧燃料，避免了排烟污染大气；供冷时可省去冷却塔，避免了冷却塔噪声和水的飘失；噪音低，不向室外排放热风，不会造成“热岛效应”，循环液在地下系统中密闭流动，不含有害物质，无任何污染。
（3）高效节能
冬季，消耗1kW电能得到4kW左右的热量，其中3kW的热量来自地下土壤或地下水；夏季，消耗1kW电能得到5kW左右的冷量，同时产生5kW左右的热量。能源利用效率为电加热器的3～4倍以上。比一般热源节能30%～80%，是效率最高、节能最多的集中供应热水系统之一。
（4）节水
既不消耗也不污染水资源，使用过程只向水源或地源取热或放热而已。
（5）省地
省去了锅炉房和与之配套的煤场、煤渣以及冷却塔和其他室外设备。结构紧凑，体积小，占用空间少，不需要大量的基建投资。
（6）控制方便
所有系统都有微电脑精确控制，主机与循环泵、潜水泵等附属设备均实现联网，联动运行，用户可独立计费，自主调节水温、室温，调节起停时间或远程监控。
结合国内外研究现状和我国地热资源的特点，地热能工程中心把以下三个方面作为地热能领域今后的研究方向。
（1）地源热泵技术
地热热泵（Geothermal heat pump）也称为地源热泵（Ground source heat pump），它是以地源能（土壤、地下水、地表水和低温地热水）或地热尾水作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源，实现采暖、制冷、民用热水，替代传统的制冷机加锅炉的建筑物主调、采暖、供热模式，是改善城市大气环境、节约能源的一种有效途径，是我国地源能利用一个新的发展方向。
（2）地热制冷空调技术
地热制冷空调就是以大于70℃的地热水为动力驱动以“溴化锂-水”为工质的热水型两级溴化锂吸收式制冷机，提供7℃～9℃冷冻水用于空调或工艺冷却。地热水经过制冷机后的排放温度为60℃～62℃，可用于洗浴、桑拿、游泳等，实现地热资源的高效综合利用。
（3）地热能梯级综合利用技术
地热是一种集“热、矿、水”于一身的资源，既是一种洁净的可再生能源，也是一种宝贵的有强身健体作用的旅游及水资源。根据地热资源的温度水平、微量元素的种类和实际使用要求，利用研究开发的技术进行集成，可以构成梯级综合利用系统，实现资源高效利用。
三、太阳能集热器技术的研发与应用
太阳能的利用，光热转换和采热元件通称为集热器，是光热设备的关键技术，经过多年的研发，现常用的集热器有：
1.平板集热器
平板集热器是较早应用的一种太阳能集热器，由于其结构形式及性能特点最易于建材化，一直是发达国家集热器形式的首选。在经历了很长的发展历程后，其内部结构、材料选择及组装技术均达到了很成熟的水平，如今仍是发达国家太阳能热利用产品中占绝对主导地位的集热器形式，相信也是我国未来与建筑一体化的太阳能热利用行业主导产品之一。
在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性能远比聚光集热器好。为了提高效率，降低成本，或者为了满足特定的使用要求，开发研制了许多种平板集热器：按工质划分有空气集热器和液体集热器，目前大量使用的是液体集热器；按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等；按结构划分有管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器，还有带平面反射镜集热器和逆平板集热器等；按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集热器等。目前，国内外使用比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。
平板集热器的缺点是在低温环境中，透过盖板玻璃的散热损失较大，导致整个集热器效率降低。这一问题是其本身结构造成，不易解决。但由于其在金属流道集热器中，单位平米成本最低，且寿命最长，在世界大部分地区，平板集热器全年总得热量高于其他形式集热器，所以不仅在非上冻地区普遍应用，就是在上冻地区，只要是强制循环系统，可以很方便地解决防冻问题，平板集热器仍被普遍采用。
2.普通真空管集热器
为了减少平板集热器的热损，提高集热温度，国际上上世纪70年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能。将若干支真空集热管组装在一起，即构成真空管集热器，为了增加太阳光的采集量，有的在真空集热管的背部还加装了反光板。真空管可以串并联连接，间接式系统，机械强制循环。
3.热管-真空管集热器
热管是一种高效导热元件，安装在全玻璃真空管中。热管和玻璃真空管之间有与二者紧密接触的金属翅片，将玻璃管转换的太阳能热量传导给热管蒸发段传递，热管再利用内部真空状态下工质的蒸发吸热和放热冷凝，将这一热量传导到被加热流体中。这样既实现了玻璃管不直接接触被加热流体，解决了全玻璃真空管集热器的一系列缺点，又保留了全玻璃真空管在低温环境中散热少，加热工质温度高的优点。尤其是热管工质一般凝固点低，可保证在气温低于0℃的环境中不冻坏。在不能进行排空防冻的自然循环系统中，热管-真空管式集热器更具明显优势。
热管-真空管集热器的缺点是热量转换带来一定的热效率降低，同时有双真空结构所带来的结构复杂及造价高问题。当然结构复杂本身也极易导致装置的可靠性和寿命问题。目前无论国外还是国内太阳能行业所用热管，都还有很大改进空间，如能在制作及检验技术上更进一步，热管-真空管集热器将是一种非常有前途的集热器形式。热管-真空管集热器有封装式和插入式两种，前者的问题是造价高和真空度降低快，后者的问题是转换效率低。
4.U型管-真空管集热器
U型管-真空管集热器是在全玻璃真空管中插入弯成U型的金属管，在U型金属管和全玻璃真空管之间，同样有与二者均紧密接触的金属翅片，担负二者之间的热传导工作，被加热流体在金属管中流过，吸收全玻璃真空管收集的太阳能热量而被加热，从而构成U型管-真空管太阳能集热器。
U型管-真空管集热器和热管-真空管集热器一样，既实现了玻璃管不直接接触被加热流体，又保留了全玻璃真空管在低温环境中散热少，加热工质温度高的优点，同时还避免了热管-真空管集热器双真空结构带来的一系列问题。同时由于被加热流体是在玻璃管中被加热，热量转换得更直接，整体效率也高于热管-真空管集热器。
它的主要问题是以水为工质时，仍存在金属管冻裂和集垢问题，所以一般用于双循环系统及强制循环系统。
5.屋面瓦集热器（专利产品）
瓦的内部改变流体结构，运用吸附、脱附技术在上瓦下瓦之间完成采热与热交换。瓦的外观与现有瓦面在大小、颜色、形式上非常相近，可达到与建筑一体化。太阳能与建筑一体化已经成为太阳能产业界和建筑业界的普遍共识，但是双方的合作以及更大范围的跨学科、跨行业合作的氛围却未形成。表现的现象是：尽管在规划和设计上已经采用了太阳能热水供应系统，但在安装和调试上仍然是建筑施工和太阳能热水系统安装分属两个行业，造成的问题是浪费和责任主体不清，投资加大。采用我国研发的光热瓦进行采热，既考虑采热功能，降低了成本，又不破坏小区的美观性。光热瓦单元、循环泵与太阳能储水罐构成一个采热回路，白天循环采热加热。用户管网、供水泵与恒温储水罐构成供水回路。低谷电时段，太阳能热水作为水源热泵的热源制取恒温热水。
四、热泵技术的研发与应用
1.空气源热泵机组的特点
空气源热泵是以空气为载体的，借助热泵系统，通过消耗部分电能，将空气中所取得的热能制取热水，进行集中热水供应。
2.水源热泵的特点
水源热泵是以水为载体的，采集来自湖水、河水、地下水及地热尾水，甚至工业废水、污水等低品位热能借助热泵系统，通过消耗部分电能，将水中所取得的热能制取热水，进行集中热水供应。
从机组的投资来比较，空气源热泵设备投资为1.0元/W～1.5元/W，水源热泵设备投资为0.45元/W～0.65元/W。从机组的能效来比较，水源热泵的能效比明显高于空气源热泵。
污水厂达标排放的水(现通称再生水)一般水质清洁、硬度小、PH值适中、无特殊污染物,水温在11℃～29℃之间。最不利的冬季，水温一般也能保持在11℃以上，并且水量比较稳定可靠。为确保运行的安全可靠，还可采用特殊材料的换热器后加装辅助清洁设备等，解决对换热器腐蚀问题。
污水源热泵最早于1980年挪威奥斯陆开始建设，1983年投入运行，在瑞典、日本、美国、德国都建造了一批以污水为低温热源的大型热泵站，并相继投入运行。国内污水源水源热泵是近年来才提出的，在北京高碑店污水处理厂、北小河污水处理厂、卢沟桥污水处理厂都进行了小型实验，并取得了良好的效果。哈尔滨望江宾馆、沈阳污水处理厂建造的污水源热泵站都已投入运行。另外，北京奥运村也设计了污水源水源热泵的生活采暖、空调和热水供应项目，现项目正在建设之中。我公司今年已中标的南通新城小区的采暖、空调、热水供应的三联供工程项目，以南通城区污水处理厂的出水作为污水源热泵的水源，该工程总规模建筑面积超过35万平米。2005年后，公司实施的小区集中生活热水系统均利用了水源热泵从小区的景观水、河水等低质水源中取能，效果非常明显，结合低谷电的使用，热水的制水能源成本不足7元/m3，比传统电加热节能70%以上，运行非常稳定。
五、太阳能和热泵技术组合的研发与应用
1.投资情况分析
从系统投资来分析，折合到每吨55℃热水一般为：热泵热水系统投资约为0.8～1.5万元/m3;、太阳能热水系统约为：1.0～2.0万元/m3、热泵结合太阳能的投资约为1.5～2.5万元/m3。
能效比
从系统能效比来分析，制取55℃热水一般为：热泵热水系统能效比约为2.5～4.5、太阳能热水系统能效比约为：2.5～5.5、热泵结合太阳能的有效比约为4.5～7.5。
制水成本比
每吨55℃热水的制水成本比较：热泵为7.2元/吨，太阳能热水系统为12元/吨太阳能结合热泵4.5元/吨。
总体而言，水源热泵比空气源热泵具有投资省、能效比高、制水成本低等优点，故积极寻找合适的水源是热泵技术推广应用的新课题。
2.实际应用情况
太阳能+水热源热泵集中热水供应系统
我们在江苏张家港某小区采用太阳能加水热源热泵集中热水供应系统，夏季利用太阳能结合空调热回收蓄热制取热水；其余季节利用太阳能结合水热源热泵辅助模式制取热水，水热源热泵仅运行于低谷电期间，此时启动给水进水阀和同时启动热泵机组，升温后的热水积蓄在蓄水箱内；任何时段均可实现恒温供水。
太阳能+空气热源热泵集中热水供应系统
我们在浙江台州某小区采用单元式光热中央热水系统。以每栋建筑的每单元为集中采热集中热水供应系统，实行统一采热，统一机组储热、控制、供热。以空气源热泵作为辅助热源，既可避免因太阳能热水不确定性所造成的供水不稳定，又可以充分利用热泵高效、清洁、节能、方便等优势，大幅度降低运行成本，减少运营投资，简化管理。
屋面瓦集热作为热泵水源集中热水供应系统
我们在浙江宁波某小区采用屋面瓦集热作为热泵水源集中热水供应系统，采用河海自主开发的光热瓦进行采热，既考虑采热功能，降低了成本，又不破坏小区的美观性。该系统可保证小区24小时恒温恒压供水。
六、结语
随着国家可再生能源政策的不断推进和科研技术的不断深入，利用新能源集中制备居住小区生活热水技术必将被不断地推广应用，必将成为可再生资源利用领域的主要行业。当然，全面推行使用新能源，更需要全民的共同努力。作为行业的工作者，我们有责任从理论上不断完善技术，从实践上扩大应用领域。
文/张利平 杨家华 何安江 唐晓东 杜玉吉 韦唯（常州河海水环境公司）
周虎城（南京工业大学）
作者简介：
张利平 常州河海水环境公司董事长
电话：0519-5121725
杨家华 常州河海水环境公司总经理
电话：0519-5117759