計永毅 王仕卿 李樹賢

(北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100023)

日本政府為了推進(jìn)綠色建筑的發(fā)展、解決能源危機(jī)問題，于2005年提出了“將辦公環(huán)境的空調(diào)溫度夏季設(shè)定為28℃、冬季設(shè)定為20℃”的號召。這樣的溫度標(biāo)準(zhǔn)對工作人員來說，在夏季顯得略高而冬季略低。為此，日本企業(yè)積極研發(fā)新的空調(diào)系統(tǒng)，以求在不失舒適性的前提下達(dá)到節(jié)能減排的目的。

如表1所示，日本公共建筑的能源消費(fèi)中空調(diào)系統(tǒng)約占30%，解決空調(diào)系統(tǒng)能耗問題是發(fā)展綠色建筑的一項(xiàng)重要工作。下文分析介紹的“工位+環(huán)境輻射空調(diào)系統(tǒng)”和“太陽能與GHP余熱利用高效空調(diào)系統(tǒng)”等日本企業(yè)研發(fā)的新技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的節(jié)能減排效果。這些節(jié)能減排新技術(shù)對我國綠色建筑的建設(shè)具有一定的借鑒意義。

表1 不同公共建筑設(shè)施的能源消費(fèi)量[1]

1 工位+環(huán)境輻射空調(diào)系統(tǒng)

現(xiàn)在多數(shù)辦公室的空調(diào)系統(tǒng)都是把室溫控制在同一溫度，但工作人員對室內(nèi)溫度的喜好不同，對同樣溫度環(huán)境冷熱程度的感覺因人而異。針對單一室內(nèi)溫度很難滿足工作人員個性化需求的情況，日本一些公司開發(fā)了由工作人員自己調(diào)節(jié)工作位置冷熱環(huán)境的工位空調(diào)和公共空間的環(huán)境空調(diào)相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)，本文稱之為工位+環(huán)境空調(diào)系統(tǒng)。這種空調(diào)系統(tǒng)可在滿足室溫要求(夏季設(shè)定為28℃、冬季20℃)的條件下將工作人員工作位置周邊的溫度設(shè)定的比室溫更低或更高一些，較好地解決了節(jié)能與舒適性的矛盾。比較有代表性的工位+環(huán)境空調(diào)系統(tǒng)是“工位+環(huán)境輻射空調(diào)系統(tǒng)”和“屋頂懸掛式工位空調(diào)系統(tǒng)”[2]。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1是日本清水建設(shè)公司[3]研發(fā)的應(yīng)用于該公司新總部大樓的空調(diào)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)采用了頂棚輻射環(huán)境空調(diào)和個人工作位置地板出風(fēng)口相結(jié)合的空調(diào)方式。與以往把室內(nèi)空氣全部冷卻加熱的對流式空調(diào)不同，輻射空調(diào)是根據(jù)頂棚上輻射板與人體的溫度差，利用熱移動物理特性的空調(diào)系統(tǒng)。通過分別控制溫度、濕度和氣流，即使室內(nèi)溫度設(shè)在28℃也能保持舒適的溫?zé)岘h(huán)境，并提高了節(jié)能效果。輻射空調(diào)系統(tǒng)是氣流感很小的空調(diào)方式，適于通道等處的環(huán)境區(qū)域，可使這些區(qū)域的空調(diào)溫度設(shè)定得寬松些。再與工位空調(diào)相結(jié)合可達(dá)到舒適性和節(jié)能雙贏的目的。

1.2 頂棚輻射板

圖1 工位+環(huán)境輻射空調(diào)系統(tǒng)示意圖

如圖2所示，頂棚輻射板由模數(shù)為3 200 mm的模塊構(gòu)成，配管系統(tǒng)與3 200 mm模數(shù)相匹配。頂棚輻射板和配管到輻射板之間起傳熱作用的散熱片的材質(zhì)均為鋁合金。選用鋁合金的目的主要是為了提高輻射性能和輕量化，以便于施工。為了防止配管腐蝕，采用了內(nèi)外表面都有聚乙烯層的鋁合金三層管。

圖2 頂棚輻射板和配管圖

室內(nèi)中央?yún)^(qū)頂棚輻射板的本體采用多孔板，可在提高金屬板吸音性能的同時起到頂棚暗箱方式的空調(diào)出氣口和排煙口的作用。因此，在頂棚上不用單獨(dú)設(shè)置排氣口，使頂棚顯得更美觀。針對夏季日照產(chǎn)生的熱負(fù)荷主要影響房間窗戶周邊的問題，該公司開發(fā)了具有獨(dú)特形狀的周邊混合型輻射板。這種板在制冷時能促進(jìn)自然對流，使輻射作用和對流作用相結(jié)合，這樣就可以高效地應(yīng)對夏季室內(nèi)窗邊區(qū)域熱負(fù)荷過高的問題。

1.3 工位空調(diào)

在辦公桌下的地面設(shè)置工位空調(diào)進(jìn)氣口，通過它的開閉調(diào)節(jié)氣流，使在崗的工作人員能夠得到自己喜好的舒適度。為了有效地控制濕度、提高舒適性和防止頂棚輻射板結(jié)露，該系統(tǒng)室外空氣處理空調(diào)機(jī)采用了除濕空調(diào)系統(tǒng)。輸入的空氣是經(jīng)過室外空氣處理空調(diào)機(jī)處理過的調(diào)溫調(diào)濕后的空氣。

2 太陽能與GHP余熱利用高效空調(diào)系統(tǒng)[4]

當(dāng)前，面對能源緊張、環(huán)境惡化等問題，太陽能作為可再生的清潔能源受到廣泛關(guān)注。但太陽能在建筑中的應(yīng)用還主要集中在太陽能熱水利用和太陽能光伏發(fā)電兩個方面。如表2所示，不同的太陽能利用方式的轉(zhuǎn)換效率有著很大的差異。近年來，日本很多企業(yè)為了更有效地利用太陽能加大了太陽能的熱能直接利用方面的研發(fā)力度，開發(fā)出太陽能空調(diào)系統(tǒng)，取得了顯著的節(jié)能減排效果。

表2 太陽能利用的轉(zhuǎn)換效率[5]

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

太陽能與GHP(燃?xì)鉄岜茫珿as engine driven Heat Pump)余熱利用高效空調(diào)系統(tǒng)(圖3中單點(diǎn)長畫線圍成的部分)是由太陽能空調(diào)系統(tǒng)(圖3中矩形框所示)和GHP余熱驅(qū)動除濕空調(diào)系統(tǒng)(圖3中粗線圓角矩形框所示)兩部分組成。其中，太陽能空調(diào)系統(tǒng)是一個有效利用太陽能集熱器所收集的熱量、夏季制冷冬季供暖的高效空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了真空管式太陽能集熱器和為了配合太陽能利用而專門設(shè)計的太陽能天然冷卻器。GHP余熱驅(qū)動除濕空調(diào)系統(tǒng)將GHP冷卻器的余熱用于制冷空調(diào)，用除濕空調(diào)機(jī)分別獨(dú)立處理顯熱和潛熱。由于能夠充分除濕，即使將溫度設(shè)定在28℃也可以實(shí)現(xiàn)涼爽工作環(huán)境。

圖3 太陽能三聯(lián)供系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 系統(tǒng)的特點(diǎn)

該系統(tǒng)優(yōu)先使用太陽能，由于雨天等氣候的影響使熱量供應(yīng)不足時啟用備用的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)進(jìn)行高效地補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)控制、穩(wěn)定運(yùn)行。制冷時將GHP廢熱用于除濕空調(diào)機(jī)的驅(qū)動熱源，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和舒適性的雙贏。在制冷時燃?xì)鉄岜肎HP的用電量較之電動熱泵EHP顯著減少。在同樣的建筑物和設(shè)備條件下，使用GHP可減少一次能源消費(fèi)量9%、二氧化碳排放量31%，并使總費(fèi)用減少約44.3%。

該系統(tǒng)為了更好地利用太陽能熱水，專門設(shè)計了太陽能吸收型冷熱水器。該裝置使用的是天然冷媒——水、清潔能源——天然氣和可再生能源——太陽能，而沒有使用氟里昂這種泄漏后會對地球氣候變化產(chǎn)生不良影響的人造冷媒，所以又稱其為天然冷卻器。同時使用了真空玻璃管型高效太陽能集熱器，它是一種利用熱管原理的雙層真空玻璃管式太陽能集熱器，具有吸熱效率高、散熱率低和抗熱沖擊等特點(diǎn)。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

東京燃?xì)夤驹诳偨ㄖ娣e5 645 m2的辦公樓中應(yīng)用了該系統(tǒng)。該公司為了在建筑物全壽命周期內(nèi)減少環(huán)境負(fù)荷，于1996年采用燃?xì)鉄犭娐?lián)供系統(tǒng)、自然采光、自然換氣、建筑能源管理系統(tǒng)等新技術(shù)建造了劃時代的“全壽命周期節(jié)能的辦公樓”。當(dāng)時，該建筑比一般寫字樓的平均一次能源消費(fèi)量減少約24%，CO2排放量減少約25%。2009年對該建筑物進(jìn)行改造，使用了如圖3所示的電、熱水和空調(diào)三聯(lián)供系統(tǒng)，將節(jié)能降碳的空調(diào)系統(tǒng)，最先進(jìn)的自然采光、照明控制系統(tǒng)，太陽能發(fā)電和熱電聯(lián)供系統(tǒng)等組合，再加上建筑能源管理系統(tǒng)，取得了一次能源消費(fèi)量減少40%，二氧化碳排放量減少47%的節(jié)能減排效果(見表3)。

表3 節(jié)能減排效果實(shí)例

3 結(jié)語

空調(diào)系統(tǒng)在公共建筑的能源消費(fèi)中約占30%，是節(jié)能減排的重點(diǎn)。日本多家公司研發(fā)的“工位+環(huán)境空調(diào)系統(tǒng)”達(dá)到了舒適性和節(jié)能雙贏的目的。日本在空調(diào)系統(tǒng)中優(yōu)先使用太陽能，并用GHP取代EHP使總運(yùn)行費(fèi)用減少約44.3%，一次能源消費(fèi)量減少9%，二氧化碳排放量減少31%，節(jié)能減排效果顯著。我國的建筑節(jié)能減排工作雖然已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但仍任重道遠(yuǎn)。日本的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)及其應(yīng)用效果對我國的相關(guān)工作有一定的借鑒意義。

[1] 長崗典夫.業(yè)務(wù)用太陽熱利用給湯システム[J].BE建築設(shè)備，2011(7):40-41.

[2] 計永毅.日本既有建筑改造與空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)分析[J].建筑科學(xué)，2012(11):100-103.

[3] 荒井義人.清水建設(shè)新本社ビル[J].BE建築設(shè)備，2011(8):40-42.

[4] 東京ガス.太陽熱とガスエンジンCGS·GHP廃熱利用による高効率空調(diào)システム[EB/OL].http://www.tokyogas.co.jp/catalog/scs_201010/index.html.

[5] 富士エネルギー株式會社.真空管ソーラーシステム[EB/OL].http://www.fujiene.com/solar.html.