周子成

1 引言

在本刊上一期中，討論了房間空調(diào)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(diào)器效率的一些途徑，可以取得較為顯著的節(jié)能效果。

2 蒸發(fā)冷卻式空調(diào)

蒸發(fā)冷卻式空調(diào)技術(shù) （或稱為EAC技術(shù)）在炎熱、干燥的氣候條件國家的住宅及商業(yè)應(yīng)用中正變得越來越流行。EAC系統(tǒng)使用水作為冷卻劑，而不是化學(xué)制冷劑。EAC可以提供比傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式空調(diào) （VAC）更卓越的通風(fēng)和冷卻。然而，不像VAC系統(tǒng)那樣可以操作在多種氣候環(huán)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(tǒng)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(qū)，如內(nèi)蒙、新疆、西藏、青海等省，EAC也獲得了成功的應(yīng)用。

使用蒸發(fā)冷卻器可以比傳統(tǒng)空調(diào)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(qū)，節(jié)電可能會更多，這些系統(tǒng)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(guī)空調(diào)要低，包括機組的初始投資成本和安裝成本。蒸發(fā)冷卻器的另一個好處是它們不像其他系統(tǒng)那樣重新循環(huán)陳舊的空氣，而是每分鐘完全置換1～3次新鮮空氣。

系統(tǒng)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(yǎng)、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(tǒng)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(yīng)用價值。

表1中列出了一個典型的房間空調(diào)器的蒸發(fā)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(xiàn)這樣的性能，溫度條件必須是正確的。高溫度下可能會嚴(yán)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(nèi)空氣溫度對蒸發(fā)冷卻器的冷卻性能

圖1 典型的直接蒸發(fā)式空氣冷卻器

2.1 直接式住宅用空調(diào)

一個住宅EAC系統(tǒng)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(dá)驅(qū)動的風(fēng)扇、一臺水泵和相關(guān)聯(lián)的水分配系統(tǒng)。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(fēng)扇吸入，空氣通過濕的墊片區(qū)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(tǒng)。這是一個簡單的低成本直接EAC方案，一旦環(huán)境濕球溫度達(dá)到21℃ （69.8℉），能適用于室內(nèi)舒適度冷卻。直接EAC系統(tǒng)工作在低濕度的區(qū)域范圍內(nèi)能比蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約能源60% ～80%以上。

2.2 間接蒸發(fā)式空調(diào)

間接—直接EAC是在過去的25年中逐漸發(fā)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(zhì)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(tǒng)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(tǒng)被認(rèn)為在濕度適中的氣候條件下能比傳統(tǒng)的VAC系統(tǒng)節(jié)能40%～50%。圖2是一種代表性的間接—直接EAC的系統(tǒng)。

2.3 干燥劑輔助蒸發(fā)式空調(diào)

即使在最潮濕的地區(qū)，使用除濕的化學(xué)物質(zhì)，如干燥劑 （如硅膠）的EAC技術(shù)應(yīng)用也有了顯著的發(fā)展。采用干燥劑將通風(fēng)空氣除濕到一個設(shè)定點，接著，除濕后的空氣通過一種直接或間接的EAC系統(tǒng)，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(tǒng)的空氣循環(huán)。

2.4 干燥劑增強蒸發(fā)空調(diào) （DEVap）

美國國家可再生能源實驗室 （NREL）最近開發(fā)出一種結(jié)合使用液體干燥劑和蒸發(fā)冷卻技術(shù)的新理念。使獨立間接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用地域范圍延伸到整個干旱或半干旱地區(qū)。此前的嘗試結(jié)合液體除濕冷卻與間接蒸發(fā)冷卻造成設(shè)備過大、過于復(fù)雜，而NREL的DEVap結(jié)合蒸發(fā)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(fā)式空調(diào)系統(tǒng)

圖3 干燥劑冷卻系統(tǒng)的空氣循環(huán)

DEVap的核心優(yōu)勢是通過冷卻散熱器和熱除濕之間的親密接觸，從而導(dǎo)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(shù)。當(dāng)使用液體干燥劑時，它消除了干燥劑夾帶進(jìn)入到空氣流中的可能性。當(dāng)使用含有水時，它消除潮濕的表面，可以防止細(xì)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(diào)機組。

DEVap的熱力學(xué)優(yōu)勢克服了標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致能獨立控制溫度和濕度。

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

2.5 太陽能蒸發(fā)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(tǒng)和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)之間有一個自然的聯(lián)姻。然而，EAC系統(tǒng)組件需要有一個優(yōu)化，使其系統(tǒng)效率能夠與太陽能發(fā)電之間的函數(shù)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(tǒng)的簡圖。

3 相變材料

圖4 a）:DEVap的物理概念;b）:DEVap空調(diào)機組的示意圖

圖5 太陽能蒸發(fā)式空調(diào)機

熱能儲存是一個相對較新的技術(shù)領(lǐng)域，適用于范圍廣泛的供熱和制冷應(yīng)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(huán)境吸收等量的能量。相變材料超過傳統(tǒng)的熱能存儲系統(tǒng)，優(yōu)點是重量和體積較小，可以在預(yù)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(diào)系統(tǒng)的精心設(shè)計將高峰供熱和制冷負(fù)荷轉(zhuǎn)移到非高峰時段。PCM材料已經(jīng)積極地用于支持空調(diào)、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(diào)機組和空氣/水熱交換器集成

正在開發(fā)的PCM有幾種形式，現(xiàn)在最常用的是基于外殼系統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)器的形式，通常應(yīng)用在對更傳統(tǒng)的典型空調(diào)的制冷/加熱系統(tǒng)的補充。

選擇相變材料要求它們在室溫下是固體。當(dāng)溫度升高時，相變材料發(fā)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(dāng)溫度開始下降時，材料將接受另一種狀態(tài)的變化，放出熱量而從液體變?yōu)楣腆w，這反過來又可以為房間供暖。相變材料可以與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化，確保PCM在白天吸收外部較高溫度，而在夜間向室內(nèi)放出熱量。

在住宅環(huán)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(shù)量的適用材料。

將相變材料結(jié)合到建筑材料和HVAC系統(tǒng)中的節(jié)能有多種不同的方法，這些方法包括:結(jié)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(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)和一個標(biāo)準(zhǔn)的空氣/水熱交換器。

表2總結(jié)了在不同應(yīng)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(jié)果綜合

滿足大多數(shù)PCM規(guī)格的一些不同材料已被確定。例如，現(xiàn)在市售的從石油精煉或聚合的鏈烷烴化合物 （線性結(jié)晶烷基烴）。另外，一些制造商已經(jīng)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(shù)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(diào)器

在適當(dāng)條件時，窗式 （在歐洲）或穿墻式（在美國）整體式空調(diào)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(tǒng)被稱為經(jīng)濟器循環(huán)，目前正在使用的有兩種類型的經(jīng)濟器:水側(cè)經(jīng)濟器和空氣側(cè)經(jīng)濟器?？諝鈧?cè)經(jīng)濟器是利用室外涼爽空氣的優(yōu)點補充機械制冷量，或在室外空氣足夠冷時提供全部制冷量。水側(cè)經(jīng)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(jīng)濟器的示意圖。

免費冷卻證明了確保室內(nèi)舒適通風(fēng)而不需要機械制冷系統(tǒng)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(tǒng)空調(diào)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(dá)到顯著的節(jié)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(tǒng)，雖然由冷卻設(shè)備控制一次空氣引入單風(fēng)管式的空調(diào)設(shè)備實現(xiàn)這種免費冷卻是很罕見的。它的缺點是在溫暖的季節(jié)引入熱空氣。分體式空調(diào)器能夠使用新鮮空氣，以便冷卻室內(nèi)空氣，可以節(jié)約壓縮機的電力消耗。

圖7 一種經(jīng)濟器的示意圖

已經(jīng)進(jìn)行的一項研究，驗證了VRV系統(tǒng)和一個由智能模糊邏輯控制的變風(fēng)量 （VAV）空調(diào)系統(tǒng)的組合，分別在夏季和冬季氣候條件下控制，以便量化節(jié)能的能力。該系統(tǒng)比較了在固定通風(fēng)、需求控制通風(fēng) （DCV）、和結(jié)合DCV經(jīng)濟循環(huán)通風(fēng)技術(shù)的實驗分析，與具有恒定風(fēng)量空氣條件的空調(diào)系統(tǒng)相比，在冬季和夏季平均每天分別節(jié)能63%和44%。

然而，這種系統(tǒng)有某些缺點和障礙，應(yīng)用時需要加以權(quán)衡。這些權(quán)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(jié)能效益的選項時，在標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能性能測試條件中沒有列出記錄內(nèi)容，因此，未能反映出能效等級。

最后，通過對所使用的方法進(jìn)行優(yōu)化可以提高能源效率，以保持蒸發(fā)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(xù)操作提供除濕的蒸發(fā)循環(huán)。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(huán)，這樣可以比顯熱冷卻循環(huán)更有效 （高溫度）。

5 在夜間蓄存冷量

蓄熱技術(shù)的主要原理是材料具有持續(xù)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(guān)鍵的參數(shù)是物質(zhì)的質(zhì)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(xiàn)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(jù)的空間。夜間蓄冷的基本原理，是利用晚上環(huán)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?shù)睦漭椛湫?yīng)。然后，在白天通過輻射和對流將儲存的冷量逐漸釋放，達(dá)到冷卻或涼爽的效果。

這種夜間蓄存原理的探索已經(jīng)有了一些新的發(fā)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(shè)計由Turnpenny在2001年完成開發(fā)，并在英國正常夏季條件下完成了原型樣機系統(tǒng)的測試。

（2）開發(fā)了一個獨特的分布式蓄能系統(tǒng)，與一個常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致地工作，該系統(tǒng)在晚上當(dāng)發(fā)電更清潔、更便宜和更有效時依靠凍結(jié)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(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷。

一種具有熱能蓄存和加熱水的混合設(shè)備的分體式空調(diào)已經(jīng)完成了主要的開發(fā)工作，以確保設(shè)備能在全年使用。特殊設(shè)計的混合貯蓄容器直接連接到一個分體式空調(diào)器。在夏季月份里，冰蓄冷盤管作為蒸發(fā)器操作。該冰蓄冷盤管在非高峰電力需求期間提供相當(dāng)涼爽的環(huán)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(yōu)點是提高分體式空調(diào)系統(tǒng)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(diào)器機組相比，新的混合系統(tǒng)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(jié)合的獨特的混合分體式空調(diào)的示意圖。

圖8 熱水器和能源存儲系統(tǒng)混合空調(diào)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(fā)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(fā)射率的材料組合這兩種現(xiàn)象的“冷屋頂”，使太陽光轉(zhuǎn)換為屋頂材料中的熱能數(shù)量最小化，和從屋頂輻射出去的熱能數(shù)量最大化。在原理上，冷屋頂?shù)慕ㄖ飳哂休^低的制冷負(fù)荷和制冷的能量需求，因為它們減少了從屋頂進(jìn)入空調(diào)空間的太陽能量，從而減少制冷負(fù)荷。出于同樣的原因，冷屋頂在采暖季節(jié)在非赤道氣候往往增加了熱負(fù)荷，因為太陽的能量通過屋頂進(jìn)入空調(diào)空間轉(zhuǎn)化為熱量的數(shù)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?shù)姆瓷渎什粌H有可能降低空調(diào)負(fù)荷 （從而降低能源使用和相關(guān)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(jié)和較短的供暖季節(jié)的一個高屋頂體積比的建筑物，反射屋頂是最有效的和節(jié)能最大的。此外，許多這些研究表明，建筑物中通過屋頂?shù)姆瓷渎蕪?0%～20%增大到約60%，可以減少建筑物制冷的能量達(dá)到20%以上。

在赤道，干旱和溫暖地帶氣候的好處是導(dǎo)致促進(jìn)使用冷屋頂?shù)募钣媱?、產(chǎn)品標(biāo)簽和標(biāo)準(zhǔn)。

7 利用植被遮陽

植物、樹木和植被增加了在它們所占據(jù)表面上的陰影，擋住了該表面的陽光/熱量。到達(dá)綠化或腳下地面的熱量往往可以通過蒸發(fā)被消散，即周圍空氣/表面的熱量用于蒸發(fā)水。通常這些綠化和所產(chǎn)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(zhàn)略設(shè)計/自然發(fā)生的“樹木和植物”。由于遮陽和蒸發(fā)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(tǒng)的屋頂更涼爽。原則上，使用綠色屋頂往往能降低從屋頂進(jìn)入空調(diào)空間的太陽能量，從而降低了制冷負(fù)荷。同樣，戰(zhàn)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(jié)果是導(dǎo)致在陰影部分的表面被吸收的太陽能量更少，降低了進(jìn)入空調(diào)空間的太陽能，從而降低了制冷負(fù)荷，以及保持人行道路面涼爽，并降低了環(huán)境溫度 （間接降低空調(diào)負(fù)荷）。

同樣的原因，屋頂綠化在供暖季節(jié)非赤道氣候條件下往往會增加熱負(fù)荷，因為較少的太陽能量轉(zhuǎn)化入屋頂內(nèi)并傳入到空調(diào)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(jié)構(gòu)物的冬季風(fēng)。盡管如此，因為是在冬季太陽能比夏季減少，太陽能屋頂內(nèi)能轉(zhuǎn)換成熱能的數(shù)量是在夏天比冬天多，因此在夏天遮陽和蒸發(fā)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(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)能提供蒸發(fā)、遮陽和對建筑物和人行道防風(fēng)保護(hù)，造成節(jié)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(biāo)準(zhǔn)的平屋頂?shù)奈菝鏈囟缺粶y得為32.2℃ （90℉），而植被的綠色屋頂相鄰區(qū)域上測量記錄的是15.6℃ （60℉）。在以往的研究中發(fā)現(xiàn)，氣溫下降1.7～3.9℃（3～7℉）可以減少空調(diào)負(fù)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(diào)費用高達(dá)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(shè)辦公室，揭示了增加供熱和制冷的能源節(jié)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(nèi)部產(chǎn)生熱量的耗散率，以及現(xiàn)有建筑保溫在夏季減少了進(jìn)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(jié)省提高到10%。

一般認(rèn)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