特定氣候提高效率的方案

周子成

1 引言

在本刊上一期中，討論了房間空調器在一般氣候條件下提高效率的各種途徑。本文將要討論在特定氣候條件下提高房間空調器效率的一些途徑，可以取得較為顯著的節能效果。

2 蒸發冷卻式空調

蒸發冷卻式空調技術 （或稱為EAC技術）在炎熱、干燥的氣候條件國家的住宅及商業應用中正變得越來越流行。EAC系統使用水作為冷卻劑，而不是化學制冷劑。EAC可以提供比傳統的蒸氣壓縮式空調 （VAC）更卓越的通風和冷卻。然而，不像VAC系統那樣可以操作在多種氣候環境下，EAC的有效性和效率隨外界空氣的相對濕度而變化。EAC還有另外的好處，它們減少了對傳統的液體制冷劑的要求，避免二氧化碳在大氣中的排放量，并減少高峰電力需求。

EAC的最佳運行是在炎熱、干燥的氣候條件下，雖然它們也適用于較潮濕的氣候。EAC被廣泛使用在美國西南部、中東、澳大利亞、印度次大陸，非洲東部和墨西哥北部。

在我國西北干旱地區，如內蒙、新疆、西藏、青海等省，EAC也獲得了成功的應用。

使用蒸發冷卻器可以比傳統空調減少75%的電力，這無一例外地取決于建筑物所處的氣候條件，在氣候炎熱的沙漠地區，節電可能會更多，這些系統不使用氟氯化碳或任何其他危害臭氧層的化合物，操作成本比常規空調要低，包括機組的初始投資成本和安裝成本。蒸發冷卻器的另一個好處是它們不像其他系統那樣重新循環陳舊的空氣，而是每分鐘完全置換1～3次新鮮空氣。

系統的缺點包括水的高消費量，每小時運行消耗水15.9至47.7升 （3.5至10.5加侖）、需定期保養、機組往往有噪聲、機組可能會有滴水和泄漏、能源效率比高效率的AC系統較低、以及在高濕度氣候時機組的效率較低，因此，只有在干燥、炎熱氣候條件下才有實際應用價值。

表1中列出了一個典型的房間空調器的蒸發冷卻器在不同濕度和外界溫度 （華氏度）時的性能。最佳室溫是20～22.2℃ （68～72℉）左右，并且依賴于國家和個人的喜好。為了實現這樣的性能，溫度條件必須是正確的。高溫度下可能會嚴重影響機組的效率，為了使機組有效地地工作，超過37.8℃ （100℉）時，空氣的濕度水平必須是非常低 （相對濕度2% ～10%）。為了對機組提供最佳條件，同樣，對于非常高的濕度水平必須附加上低的溫度條件。

表1 室內空氣溫度對蒸發冷卻器的冷卻性能

圖1 典型的直接蒸發式空氣冷卻器

2.1 直接式住宅用空調

一個住宅EAC系統通常包括一個金屬或塑料板的箱體，其中包含大量的垂直過濾墊片;一個馬達驅動的風扇、一臺水泵和相關聯的水分配系統。圖1表示了這種配置的示意圖。

如圖1中所示，建筑物室外的溫暖空氣被風扇吸入，空氣通過濕的墊片區被冷卻。水泵的作用是從水池抽取水，并通過墊片流回到頂部上方的分配系統。這是一個簡單的低成本直接EAC方案，一旦環境濕球溫度達到21℃ （69.8℉），能適用于室內舒適度冷卻。直接EAC系統工作在低濕度的區域范圍內能比蒸氣壓縮式空調系統節約能源60% ～80%以上。

2.2 間接蒸發式空調

間接—直接EAC是在過去的25年中逐漸發展起來的，由于它能夠提供比直接EAC改善冷卻和運行狀況，已越來越普及。從本質上講，是在冷卻過程中引入了一種附加的步驟，使它成為一種兩階段的過程。第一階段的目的是冷卻空氣，在空氣中不添加水分，在第二階段是添加水分。通常情況下，由間接EAC機組排出的空氣比簡單的直接EAC系統的溫度要低3.5℃ （6.30℉）。這種具有較高的濕球空氣溫度擴大了EAC的適用性。間接—直接EAC系統被認為在濕度適中的氣候條件下能比傳統的VAC系統節能40%～50%。圖2是一種代表性的間接—直接EAC的系統。

2.3 干燥劑輔助蒸發式空調

即使在最潮濕的地區，使用除濕的化學物質，如干燥劑 （如硅膠）的EAC技術應用也有了顯著的發展。采用干燥劑將通風空氣除濕到一個設定點，接著，除濕后的空氣通過一種直接或間接的EAC系統，然后使空氣冷卻到所需的溫度。圖3表示了一種干燥劑冷卻系統的空氣循環。

2.4 干燥劑增強蒸發空調 （DEVap）

美國國家可再生能源實驗室 （NREL）最近開發出一種結合使用液體干燥劑和蒸發冷卻技術的新理念。使獨立間接蒸發冷卻器的應用地域范圍延伸到整個干旱或半干旱地區。此前的嘗試結合液體除濕冷卻與間接蒸發冷卻造成設備過大、過于復雜，而NREL的DEVap結合蒸發和干燥劑組合到一個單一的冷卻核心機組。

圖2 間接—直接蒸發式空調系統

圖3 干燥劑冷卻系統的空氣循環

DEVap的核心優勢是通過冷卻散熱器和熱除濕之間的親密接觸，從而導致更有效的除濕潛力。這將會得到獨特的好處，其中包括使用更便宜的干燥劑材料，以及更緊湊的冷卻核心。

DEVap使用包含液體干燥劑和水的膜技術。當使用液體干燥劑時，它消除了干燥劑夾帶進入到空氣流中的可能性。當使用含有水時，它消除潮濕的表面，可以防止細菌生長和礦物積聚，并避免任何核心的冷卻退化。圖4示出了DEVap的物理概念和空調機組。

DEVap的熱力學優勢克服了標準制冷直接膨脹冷卻的一些缺點，DEVap將制冷和除濕性能分離，導致能獨立控制溫度和濕度。

NREL的模擬結果表明，操作DEVap每年熱和電的綜合能源消耗要比最先進的直接膨脹制冷低30%－90%（它自然地取決于是否被應用在潮濕或干燥的氣候）。此外，NREL表明，干燥劑技術是一種未反復實踐過的新技術，它可以額外降低能源消耗50%。

2.5 太陽能蒸發空氣冷卻

鑒于EAC相對較低的能量需求，而陽光強烈時常常伴隨著需要制冷，因此EAC系統和太陽能光伏發電系統之間有一個自然的聯姻。然而，EAC系統組件需要有一個優化，使其系統效率能夠與太陽能發電之間的函數最大化。此外，需要注意，大部分投資成本會用于去購買太陽能電池板。圖5是一種太陽能供電EAC系統的簡圖。

3 相變材料

圖4 a）:DEVap的物理概念;b）:DEVap空調機組的示意圖

圖5 太陽能蒸發式空調機

熱能儲存是一個相對較新的技術領域，適用于范圍廣泛的供熱和制冷應用。相變材料或稱為PCM材料，可以在融解和凝固的過程中存儲和釋放熱能。這種材料在凝固過程中可以釋放大量的潛熱形式的能量，而在融解時從周圍環境吸收等量的能量。相變材料超過傳統的熱能存儲系統，優點是重量和體積較小，可以在預先確定的溫度下吸收和釋放合適的供熱/制冷量，可以通過空調系統的精心設計將高峰供熱和制冷負荷轉移到非高峰時段。PCM材料已經積極地用于支持空調、免費冷卻、被動冷卻、太陽能供暖、運輸包裝和熱回收。

圖6 PCM貯存容器與空調機組和空氣/水熱交換器集成

正在開發的PCM有幾種形式，現在最常用的是基于外殼系統的空氣調節器的形式，通常應用在對更傳統的典型空調的制冷/加熱系統的補充。

選擇相變材料要求它們在室溫下是固體。當溫度升高時，相變材料發生相變，從固體變成液體，并從周圍大氣中以潛熱的形式吸收大量的能量，因此，這對房間起到冷卻作用。同樣地，當溫度開始下降時，材料將接受另一種狀態的變化，放出熱量而從液體變為固體，這反過來又可以為房間供暖。相變材料可以與建筑圍護結構一體化，確保PCM在白天吸收外部較高溫度，而在夜間向室內放出熱量。

在住宅環境中使用PCMs可取的因素包括但不限于以下一些:融化溫度25℃ （77℉）以上、材料成本低、無毒、低腐蝕性、低吸濕性、并在建材中有充足數量的適用材料。

將相變材料結合到建筑材料和HVAC系統中的節能有多種不同的方法，這些方法包括:結合到屋頂、墻壁、地板、管道周邊、壁板和PCM在儲罐封裝等。

圖6提供了一個使用方法的簡單說明，整合PCMs與傳統的空調系統和一個標準的空氣/水熱交換器。

表2總結了在不同應用的一些模擬和實驗研究中，使用相變材料量化好處的選擇。

表2 從PCM的模擬與實驗的主要結果綜合

滿足大多數PCM規格的一些不同材料已被確定。例如，現在市售的從石油精煉或聚合的鏈烷烴化合物 （線性結晶烷基烴）。另外，一些制造商已經證明成功地將石蠟珠制成墻板、地板和屋面材料。然而，在技術被廣泛采用之前，需要做更多的研究。

4 免費冷卻的窗式/百葉窗空調器

在適當條件時，窗式 （在歐洲）或穿墻式（在美國）整體式空調器通常能夠利用冷的室外空氣 （在較冷的時期，如夜間）作為免費冷卻。這種已存在多年的系統被稱為經濟器循環，目前正在使用的有兩種類型的經濟器:水側經濟器和空氣側經濟器?？諝鈧冉洕魇抢檬彝鉀鏊諝獾膬烖c補充機械制冷量，或在室外空氣足夠冷時提供全部制冷量。水側經濟器是一組位于直接膨脹冷卻盤管上游的獨立機組水盤管。圖7為經濟器的示意圖。

免費冷卻證明了確保室內舒適通風而不需要機械制冷系統的潛在效果，但免費冷卻不能被視作替代機械制冷。事實上，它可以被用來作為對傳統空調機組的一種補充和輔助作用。許多研究表明，在不同的氣候條件下，使用免費冷卻可以達到顯著的節能效果。

目前，這種“免費冷卻”形式也可選用在較大的機組中，例如VRV系統，雖然由冷卻設備控制一次空氣引入單風管式的空調設備實現這種免費冷卻是很罕見的。它的缺點是在溫暖的季節引入熱空氣。分體式空調器能夠使用新鮮空氣，以便冷卻室內空氣，可以節約壓縮機的電力消耗。

圖7 一種經濟器的示意圖

已經進行的一項研究，驗證了VRV系統和一個由智能模糊邏輯控制的變風量 （VAV）空調系統的組合，分別在夏季和冬季氣候條件下控制，以便量化節能的能力。該系統比較了在固定通風、需求控制通風 （DCV）、和結合DCV經濟循環通風技術的實驗分析，與具有恒定風量空氣條件的空調系統相比，在冬季和夏季平均每天分別節能63%和44%。

然而，這種系統有某些缺點和障礙，應用時需要加以權衡。這些權衡包括安裝成本、引入的外部噪聲和包括可能是必要的空氣處理、防止從室外吸入空氣的污染。另外，在做“免費冷卻”節能效益的選項時，在標準的節能性能測試條件中沒有列出記錄內容，因此，未能反映出能效等級。

最后，通過對所使用的方法進行優化可以提高能源效率，以保持蒸發溫度足夠低，以及提供足夠的除濕能力。在美國最常見的方法，是在足夠低的溫度下連續操作提供除濕的蒸發循環。而在日本常見的是一個兩級的做法，通過添加了第二專用膨脹閥，穿插一個偶爾較低溫度的除濕循環，這樣可以比顯熱冷卻循環更有效 （高溫度）。

5 在夜間蓄存冷量

蓄熱技術的主要原理是材料具有持續一段時間保存熱量的能力，通常范圍是幾個小時到幾天。一個關鍵的參數是物質的質量，因為它反映材料保持熱量的能力。住宅建筑材料，如磚石材料，表現出這種保存熱量的性能。

有些蓄熱材料被選擇用于向住宅周圍的空氣釋放熱量而蓄存冷量，有效地冷卻它們所占據的空間。夜間蓄冷的基本原理，是利用晚上環境溫度較低的時間，用來貯存低品位的制冷量，如冷的天花吊頂的冷輻射效應。然后，在白天通過輻射和對流將儲存的冷量逐漸釋放，達到冷卻或涼爽的效果。

這種夜間蓄存原理的探索已經有了一些新的發展，包括:

（1）使用相變材料 （PCM）蓄存一個名義上恒定溫度的冷量，和使用熱管獲得增強PCM和空氣之間的傳熱。這種探索設計由Turnpenny在2001年完成開發，并在英國正常夏季條件下完成了原型樣機系統的測試。

（2）開發了一個獨特的分布式蓄能系統，與一個常規空調系統協調一致地工作，該系統在晚上當發電更清潔、更便宜和更有效時依靠凍結水貯存冷量，并在白天的高峰需要時依靠解凍冰釋放冷量，用來提供建筑物冷卻和減輕傳統空調系統的負荷。

一種具有熱能蓄存和加熱水的混合設備的分體式空調已經完成了主要的開發工作，以確保設備能在全年使用。特殊設計的混合貯蓄容器直接連接到一個分體式空調器。在夏季月份里，冰蓄冷盤管作為蒸發器操作。該冰蓄冷盤管在非高峰電力需求期間提供相當涼爽的環境，在高峰電力消耗期間，要求蓄冷盤管作為一個超冷的冷凝器，它的優點是提高分體式空調系統的COP。在冬季的幾個月里，貯蓄容器作為儲存熱量，在供熱過程中吸收冷凝熱并將熱量蓄存起來。與原來的分體式空調器機組相比，新的混合系統的平均制冷量提高了28.2%，和COP增加了21.5%。圖8表示了一個這種熱水器和儲能裝置相結合的獨特的混合分體式空調的示意圖。

圖8 熱水器和能源存儲系統混合空調的示意圖

6 輻射冷卻—冷屋頂

具有低反射率的屋頂材料往往從陽光中吸收熱量，而不是反射回到太空。具有高發射率的屋頂材料會迅速輻射任何儲存的熱量。利用通過高反射率和高發射率的材料組合這兩種現象的“冷屋頂”，使太陽光轉換為屋頂材料中的熱能數量最小化，和從屋頂輻射出去的熱能數量最大化。在原理上，冷屋頂的建筑物將會具有較低的制冷負荷和制冷的能量需求，因為它們減少了從屋頂進入空調空間的太陽能量，從而減少制冷負荷。出于同樣的原因，冷屋頂在采暖季節在非赤道氣候往往增加了熱負荷，因為太陽的能量通過屋頂進入空調空間轉化為熱量的數量減少了。

由于屋頂是水平的或與水平成一個角度，一個顯著部分的太陽輻射能將從屋頂直接反射回到天空拱頂。這意味著增加屋頂的反射率不僅有可能降低空調負荷 （從而降低能源使用和相關的二氧化碳排放量），而且也有可能依靠增加返回太空的太陽輻射，降低被捕獲的太陽能量。

研究表明，對于坐落在氣候較長的制冷季節和較短的供暖季節的一個高屋頂體積比的建筑物，反射屋頂是最有效的和節能最大的。此外，許多這些研究表明，建筑物中通過屋頂的反射率從10%～20%增大到約60%，可以減少建筑物制冷的能量達到20%以上。

在赤道，干旱和溫暖地帶氣候的好處是導致促進使用冷屋頂的激勵計劃、產品標簽和標準。

7 利用植被遮陽

植物、樹木和植被增加了在它們所占據表面上的陰影，擋住了該表面的陽光/熱量。到達綠化或腳下地面的熱量往往可以通過蒸發被消散，即周圍空氣/表面的熱量用于蒸發水。通常這些綠化和所產生冷卻效果被利用于建筑物中，例如，在屋頂上的“綠色屋頂”或圍繞建筑和城市空間戰略設計/自然發生的“樹木和植物”。由于遮陽和蒸發散熱表面的自然過程，如夏季的條件下入住在綠色屋頂會比傳統的屋頂更涼爽。原則上，使用綠色屋頂往往能降低從屋頂進入空調空間的太陽能量，從而降低了制冷負荷。同樣，戰略定位的樹木和植被也可以對人行道和建筑物提供遮陽。這樣的結果是導致在陰影部分的表面被吸收的太陽能量更少，降低了進入空調空間的太陽能，從而降低了制冷負荷，以及保持人行道路面涼爽，并降低了環境溫度 （間接降低空調負荷）。

同樣的原因，屋頂綠化在供暖季節非赤道氣候條件下往往會增加熱負荷，因為較少的太陽能量轉化入屋頂內并傳入到空調空間的熱量，在冬季落葉喬木沒有樹葉，這意味著他們所提供更少的陰影。此外，樹木往往可以帶來其他好處，如在寒冷的冬季屏蔽城市建筑物/結構物的冬季風。盡管如此，因為是在冬季太陽能比夏季減少，太陽能屋頂內能轉換成熱能的數量是在夏天比冬天多，因此在夏天遮陽和蒸發的散熱量比冬天的得熱量多。

研究表明，一個綠化的屋頂提供了比光亮的表面更大的單位面積冷卻作用，但比路旁種植的單位面積冷卻少。數據采集、建模和仿真可以用來檢驗個別建筑和城市的樹木和植被的效果。城市樹木被發現能提供蒸發、遮陽和對建筑物和人行道防風保護，造成節省能源、減少峰值電力和二氧化碳排放量。

在一項屋頂綠化的研究中，一個標準的平屋頂的屋面溫度被測得為32.2℃ （90℉），而植被的綠色屋頂相鄰區域上測量記錄的是15.6℃ （60℉）。在以往的研究中發現，氣溫下降1.7～3.9℃（3～7℉）可以減少空調負荷10%，所以考慮到這一點，如果一個綠色的屋頂上安裝了一層這種屋頂綠化建筑，可以降低空調費用高達30%。

加拿大的一項研究表明，使用Visual DOE模型來評估在加拿大多倫多市的一個3000平方米的單層屋頂綠化建設辦公室，揭示了增加供熱和制冷的能源節約，綠色屋頂花園的遮陽和保溫降低了加熱能源10%、制冷能源6%和減少整體總能源使用量5%。低的制冷能源減少歸因于由于屋頂增加綠化，減少了內部產生熱量的耗散率，以及現有建筑保溫在夏季減少了進入建筑物的熱量和減少了在冬季流出的熱量。相同的模擬在加利福尼亞州圣巴巴拉運行顯示，在那里建筑保溫較少，使制冷的能耗節省提高到10%。

一般認為，使用城市樹木和植被在寒冷的氣候條件下可能會面臨熱量性能變差，但是在炎熱的氣候條件下會降低能源消耗。

Nihar Shah，Amol Phadke，Paul Waide:Opportunities for Deployment of Superefficient Room Air Conditioners，Lawrence Berkeley National Laboratory，April，2013