生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)

祝藝丹，謝道明

（吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，長(zhǎng)春 130114）

“節(jié)能環(huán)保”“清潔制冷”等已經(jīng)成為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，推動(dòng)能源體系革命性變革，是我國能源戰(zhàn)略的重要趨向。據(jù)2017年中國建筑能耗研究報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，中國建筑能源占全國能源消費(fèi)總量的20%。再者，國家發(fā)改委發(fā)布的《節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃》提出了十大節(jié)能工程，其中一項(xiàng)即為建筑節(jié)能工程。由此可見，建筑節(jié)能顯得尤為重要。加大建筑節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品的推廣力度等，可分別節(jié)能5 000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，因此綠色生態(tài)空調(diào)項(xiàng)目的研究與推廣有著必要的研究?jī)r(jià)值。

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，空調(diào)已比較普遍地應(yīng)用于公共建筑和居民住宅，滿足人們生產(chǎn)生活熱舒適度要求的同時(shí)，也消耗了大量電能。國務(wù)院辦公廳于2007年6月1日發(fā)布了《關(guān)于嚴(yán)格執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)的通知》，要求所有公共建筑內(nèi)的單位，包括國家機(jī)關(guān)、企事業(yè)組織和個(gè)體工商戶、社會(huì)團(tuán)體，除醫(yī)院等特殊單位以及在生產(chǎn)工藝上對(duì)溫度有特定要求并經(jīng)批準(zhǔn)的用戶之外，夏季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置不得低于26℃；冬季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置不得高于20℃。因此，盡可能地減少耗電量，又能滿足熱舒適性要求是設(shè)計(jì)研究所要考慮的重要因素。

1 生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)介紹

1.1 生態(tài)空調(diào)技術(shù)原理

本文所研究的生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)的工作原理是：熱氣流進(jìn)入生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)裝置中瓶子較寬的部分，然后經(jīng)過多級(jí)節(jié)流裝置時(shí)，壓力發(fā)生變化，氣流在進(jìn)入室內(nèi)之前就會(huì)被冷卻。這個(gè)自制的制冷系統(tǒng)制作簡(jiǎn)單，能在短時(shí)間內(nèi)讓室溫降低至少5℃，并且無需電力供應(yīng)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

該系統(tǒng)原理非常簡(jiǎn)單，以生活常識(shí)為例：用嘴向手心方向呼氣，會(huì)感覺氣流很熱，若是嘴型變小呼氣，就會(huì)感覺吹到手心的風(fēng)是涼的。這款生態(tài)空調(diào)就是利用了該原理，當(dāng)熱氣流進(jìn)入多級(jí)節(jié)流裝置后壓力會(huì)發(fā)生變化，再經(jīng)過水冷把這一部分變化的熱量帶走再次吸熱讓熱氣流在進(jìn)入房間之前就冷卻下來，所以吹進(jìn)屋子的風(fēng)會(huì)比外面的涼快許多[1]。

本文所設(shè)計(jì)的生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)理念是綠色、環(huán)保、低碳。之所以稱為生態(tài)，是因?yàn)榻鉀Q了耗電問題。電作為二次能源，需要其他的能源來轉(zhuǎn)化輸出。而該生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)無需用電。首先，系統(tǒng)動(dòng)力來源于自然，利用太陽能加熱管道使空氣熱氣流向上流動(dòng)從而使系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生壓力差，也就是人們所說的“煙囪效應(yīng)”，通過太陽的能量產(chǎn)生抽力，帶動(dòng)空氣流動(dòng)，從而產(chǎn)生壓差使得外界空氣加速，通過多級(jí)節(jié)流膨脹裝置進(jìn)入室內(nèi)。其次，研究解決降溫的問題，多級(jí)節(jié)流膨脹裝置讓空氣流體從大孔處擠入小孔再輸出，這一過程使空氣從高壓降壓到低壓從而起到降溫作用，就像冷媒經(jīng)過膨脹閥的前端（高壓）進(jìn)入膨脹閥后端（低壓）時(shí)的降壓降溫作用，但空氣畢竟不是冷媒，空氣的熱焓量較冷媒小，雖然空氣也能因?yàn)榻祲憾禍兀禍啬芰τ邢蓿禍胤仍?～5℃。為了解決這一問題，本研究將用水冷來做冷媒，替代空氣冷媒從而加大換熱溫差，也就是通過節(jié)流裝置后在節(jié)流口處產(chǎn)生的熱量會(huì)被水吸收，從而顯著提高效率，簡(jiǎn)單來說，就是降低進(jìn)入房間的空氣溫度。該原理主要是水蒸發(fā)吸熱，類似于濕膜原理，多方位地進(jìn)行換熱和吸放熱，即實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，同時(shí)水可以被重復(fù)利用，這樣既經(jīng)濟(jì)又綠色環(huán)保，同時(shí)起到降溫的效果。

圖1 生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)工作原理

1.2 能耗分析

此生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備初投資比傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)備安裝成本低，其中設(shè)備所涉及的外立面安裝的煙囪本就是建筑的一部分，只需增加安裝一些風(fēng)道和控制口，進(jìn)行冬夏季的換向控制，因此其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易安裝，易控制，減少了新風(fēng)管道及設(shè)備。系統(tǒng)在無電耗前提下，利用可再生能源來維持自身的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)“生態(tài)空調(diào)”理念。

另外，為了解決無日照情況下生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)無法啟動(dòng)的問題，可以裝一個(gè)備用風(fēng)機(jī)在無熱壓的情況下使用，利用電驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)循環(huán)對(duì)流，以達(dá)到壓力差的作用，循環(huán)通風(fēng)降溫。因此，在特殊情況下，運(yùn)行費(fèi)用會(huì)包含小部分用電費(fèi)用。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

本文所設(shè)計(jì)的生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)較其他形式的空調(diào)有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些問題，有待解決。

1.3.1 優(yōu)點(diǎn)

一是成本較低，不管從建筑角度還是機(jī)電設(shè)備安裝角度，與傳統(tǒng)設(shè)施相比，其初投資較低；二是能滿足熱舒適度要求，該系統(tǒng)減少新風(fēng)這一部分，能滿足衛(wèi)生要求，而且由于降低溫差幅度不大，因此較為健康。若是室內(nèi)外溫差太大，會(huì)對(duì)身體機(jī)能造成很大刺激，容易造成身體不適；三是既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，安裝后基本無需太多運(yùn)行費(fèi)用，真正達(dá)到綠色節(jié)能環(huán)保的要求，降低了整個(gè)建筑能耗。

生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用最大亮點(diǎn)就是利用多級(jí)節(jié)流膨脹水冷器和太陽能反向供熱。多級(jí)水冷器可以有效地對(duì)節(jié)流器進(jìn)行聯(lián)合降溫處理，加大對(duì)空氣流體的處理能力，同時(shí)用水替代空氣作為冷媒，增加了換熱效率，且水可以循環(huán)利用。由于水和設(shè)備不是直接接觸，因此水質(zhì)可以保證，其還可以用作生活用水，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

1.3.2 缺點(diǎn)

此空調(diào)的先天缺陷就是沒有強(qiáng)制氣流，還受天氣情況的限制，太陽的熱量決定熱壓的大小，若是日照量不夠，熱壓較小，將對(duì)生態(tài)空調(diào)的正常運(yùn)行造成影響。但是，針對(duì)這一問題，筆者在設(shè)計(jì)時(shí)也有所考慮，需借助外力，即增加電動(dòng)措施保證其全面、安全、持續(xù)、高效地運(yùn)行，滿足各個(gè)時(shí)間段各種不同天氣狀況下的不同需求。

2 生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)多級(jí)漸縮管的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而解決實(shí)際問題。針對(duì)動(dòng)力壓差，該設(shè)計(jì)利用夏季太陽能充足的“煙囪效應(yīng)”所產(chǎn)生的壓力差進(jìn)行強(qiáng)制受迫對(duì)流。與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，此生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)的創(chuàng)新亮點(diǎn)就是多級(jí)節(jié)流膨脹水冷器。用水冷作冷媒解決了降溫速度慢的問題，同時(shí)水冷可以快速吸收局部能量，起到能量遷移的作用。另外，該系統(tǒng)將進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在建筑的背陰面，即沒有太陽照射的室外，新鮮空氣滿足衛(wèi)生要求，進(jìn)入房間的空氣溫度得到有效降低，達(dá)到了降溫和節(jié)能環(huán)保的目的[2]。

2.2 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水系統(tǒng)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，采用正常家用自來水經(jīng)多級(jí)膨脹節(jié)流水冷器的下部進(jìn)入，并由上部流出，形成紊流的內(nèi)部形態(tài)，加大換熱效率，同時(shí)用水能實(shí)現(xiàn)自循環(huán)。水系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3 風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在生態(tài)空調(diào)中，整個(gè)風(fēng)系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成。

2.3.1 整體的氣流組織

在整個(gè)房間內(nèi)部要進(jìn)行氣流流動(dòng)模擬試驗(yàn)和熱壓流動(dòng)試驗(yàn)，通過分析這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，人們可以得到整個(gè)房間的氣流運(yùn)動(dòng)圖，從而直觀地了解氣流由入口進(jìn)入、在室內(nèi)循環(huán)以及最后流出室外的循環(huán)過程。

2.3.2 局部的氣流設(shè)計(jì)

多級(jí)節(jié)流膨脹水冷器的內(nèi)部單個(gè)節(jié)流器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該節(jié)流器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是多級(jí)漸縮，外部空氣進(jìn)入其前端，經(jīng)多級(jí)節(jié)流處理后，從其后端進(jìn)入室內(nèi)。其中，節(jié)流器在多級(jí)節(jié)流膨脹水冷器中由冷媒水包裹，從而起到很好的散熱效果。同時(shí)，它內(nèi)部還有特殊的吸熱涂層，從而有效保證整個(gè)空氣處理效果。

圖3 節(jié)流器

3 生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)安裝要求

該空調(diào)系統(tǒng)在建筑安裝上的具體要求就是進(jìn)風(fēng)處必須設(shè)在背陰處，整個(gè)設(shè)備嵌在墻體內(nèi)部，這種安裝方法基本不影響外立面的美觀性。另外，玻璃幕墻組成的風(fēng)道必須在陽面接受太陽光照射，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

在國家提倡建筑節(jié)能的大背景下，生態(tài)文明越發(fā)受到關(guān)注，本項(xiàng)目結(jié)合生態(tài)理念設(shè)計(jì)研究一種生態(tài)空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以太陽能產(chǎn)生的壓差進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部通過由多級(jí)節(jié)流器和冷媒組成的多級(jí)變壓水冷箱對(duì)所進(jìn)入室內(nèi)的空氣進(jìn)行冷卻，達(dá)到降溫目的。該系統(tǒng)理論上正常運(yùn)行過程無需電耗，但該設(shè)計(jì)還會(huì)受外界環(huán)境因素影響，因此系統(tǒng)還需進(jìn)一步優(yōu)化，以最終達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求。