空氣能蓄冷技術(shù)在寧夏地區(qū)應(yīng)用的可行性分析

張潤(rùn)霞 岳靳路

(西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西 西安 710018)

建筑是能源和資源的主要消費(fèi)者之一。在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，建筑能耗一般占據(jù)社會(huì)總能耗的1/3左右[1]。在我國(guó)，該比例約為19.93%，并呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)[2]。隨著我國(guó)西北及華北地區(qū)的快速發(fā)展及新農(nóng)村建設(shè)，建筑總面積在不斷增長(zhǎng)；其次隨著生活水平提高，人們對(duì)建筑的熱舒適性要求也在提高，空調(diào)使用量快速增加，建筑面積占建筑總量的43%[3]的農(nóng)村建筑的高能耗問題將給我國(guó)能源供應(yīng)帶來巨大壓力。采用相變儲(chǔ)能技術(shù)，因地制宜的應(yīng)用環(huán)境冷量，可有效降低建筑能耗。我國(guó)西北和華北地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季白天氣溫高，夜間氣溫較低，冷量充足，晝夜溫差在10 ℃～15 ℃，如果能將夜間冷量轉(zhuǎn)移到白天，實(shí)現(xiàn)冷量在時(shí)間和空間上的轉(zhuǎn)移，就可以實(shí)現(xiàn)無壓縮機(jī)的零電耗制冷，也就實(shí)現(xiàn)了零污染制冷。

相變儲(chǔ)能技術(shù)是可再生能源在建筑節(jié)能中應(yīng)用的橋梁。相變材料(PCM)的相變儲(chǔ)能特性，可以有效的實(shí)現(xiàn)空氣冷量的時(shí)空轉(zhuǎn)移，晝夜溫度范圍在12 ℃～15 ℃，系統(tǒng)制冷效果最好[4]。目前，相變儲(chǔ)能技術(shù)的研究集中于儲(chǔ)能材料和儲(chǔ)能換熱系統(tǒng)的研究。對(duì)于空氣能相變蓄冷，相變材料的選擇與氣候條件和室內(nèi)控溫要求有關(guān)[5]。Stritih U, Butala V[5，6]認(rèn)為，相變材料的相變溫度應(yīng)該與室內(nèi)熱舒適溫度相對(duì)應(yīng)，夏季室內(nèi)熱舒適溫度為23 ℃～27 ℃時(shí)，相變材料的熔點(diǎn)應(yīng)該在19 ℃～24 ℃。Lazaro et al[7]研究認(rèn)為，相變溫度的選擇應(yīng)該根據(jù)室內(nèi)制冷需求確定，當(dāng)室內(nèi)要求溫度比較低時(shí)相變材料融化溫度應(yīng)該低一些，當(dāng)制冷需求較低時(shí)相變溫度應(yīng)該為室內(nèi)控制溫度。對(duì)于干熱地區(qū)，相變溫度應(yīng)該等于舒適溫度[8]。相變材料主要為有機(jī)相變材料石蠟類和低共熔混酸[9-11]類相變材料，相變溫度在19 ℃～24 ℃。有機(jī)相變材料過冷度小，與換熱器相容性較好及穩(wěn)定熱物性，在自然冷源蓄冷中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

本文就寧夏地區(qū)空氣能蓄冷技術(shù)應(yīng)用的可行性進(jìn)行研究，從氣象條件，空調(diào)市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及人居環(huán)境的氣候舒適性進(jìn)行研究。

1 空氣能蓄冷空調(diào)工作原理及特點(diǎn)

降低空調(diào)能耗是減少建筑能耗的手效有段之一，傳統(tǒng)空調(diào)采用機(jī)械壓縮式制冷，耗電量較大，溫室氣體排放量大，而因地制宜的采用空氣能蓄冷空調(diào)，如圖1所示，夜間蓄集室外環(huán)境冷量，白天室內(nèi)高溫空氣進(jìn)入換熱器，使其釋放冷量調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。寧夏地區(qū)夏季炎熱時(shí)間段僅有4 h左右，而夜間低溫時(shí)段時(shí)間約為7 h，空氣能蓄冷空調(diào)可以有效的利用環(huán)境冷量，滿足人居環(huán)境的舒適度，減少或代替?zhèn)鹘y(tǒng)空調(diào)的裝機(jī)量或運(yùn)行小時(shí)數(shù)。

空氣能蓄冷空調(diào)運(yùn)行動(dòng)力設(shè)備僅有風(fēng)機(jī)，其能耗略高于傳統(tǒng)空調(diào)室冷凝器風(fēng)機(jī)能耗，傳統(tǒng)空氣中風(fēng)機(jī)能耗僅占空調(diào)總能耗的10%～15%，因此相對(duì)傳統(tǒng)空調(diào)，空氣能蓄冷空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用較低，僅是傳統(tǒng)空調(diào)的15%左右。同時(shí)，因無制冷壓縮機(jī)，所以含Cl氣體的排放量為零，其他溫室氣體的排放量亦較低，其節(jié)能環(huán)保性尤為突出。

2 寧夏地區(qū)氣候特點(diǎn)分析

寧夏地區(qū)深居我國(guó)內(nèi)陸，位于西北東部，處于黃土高原、蒙古高原和青藏高原的交匯地帶，大陸性氣候特征十分典型。在我國(guó)的氣候區(qū)劃中，固原市南部屬中溫帶半濕潤(rùn)區(qū)，原州區(qū)以北至鹽池、同心一帶屬中溫帶半干旱區(qū)，再往北，銀川、石嘴山區(qū)域?yàn)橐S灌區(qū)，氣候?qū)僦袦貛Ц珊祬^(qū)。夏季炎熱，氣溫日較差大[12]。

統(tǒng)計(jì)分析2016年—2020年寧夏各地區(qū)夏季最高氣溫高于30 ℃的總天數(shù)及氣溫日較差情況，選取同心縣、吳忠市、銀川市和石嘴山市的惠農(nóng)區(qū)進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果表明，寧夏地區(qū)夏季由南向氣溫高溫天數(shù)逐漸增多，晝夜溫差也逐漸增大，同心縣夏季約1/4時(shí)間氣溫高于30 ℃，吳忠市和銀川市總天數(shù)的62%氣溫高于30 ℃，北邊石嘴山惠農(nóng)區(qū)約78%天數(shù)中，天氣較為炎熱，各市、縣夜間溫度均在(20±2)℃，晝夜溫差為10 ℃～17 ℃，白天高溫時(shí)段是下午13:00～17:30時(shí)段，夜間氣溫低于24 ℃的時(shí)間約是00:00～07:00時(shí)段，根據(jù)相變蓄冷的條件可以看出，寧夏地區(qū)夏季夜間環(huán)境低溫時(shí)段足夠長(zhǎng)，可以滿足空調(diào)能蓄冷過程的需求，而白天高溫時(shí)段較短，適合采用空氣能蓄冷技術(shù)。

3 寧夏地區(qū)人居舒適度評(píng)估

根據(jù)人居環(huán)境氣候舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)評(píng)估上述地區(qū)人居環(huán)境的舒適度，進(jìn)而判斷寧夏各區(qū)域居民夏季舒適度情況。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析銀川市、吳忠市、同心縣和惠農(nóng)區(qū)各地區(qū)夏季氣溫高于30 ℃的時(shí)候，當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁亍⑵骄鄬?duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)，計(jì)算各地溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 寧夏各地區(qū)6月～8月氣象參數(shù)平均值

人居環(huán)境氣候舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)顯示，當(dāng)溫濕指數(shù)大于25.4時(shí)人會(huì)覺得有熱感，不舒適，高于27.5時(shí)，會(huì)覺得悶熱難受，因此從表1分析結(jié)果可以看出，寧夏地區(qū)夏季需要通過室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)滿足人居環(huán)境的舒適度，隨著人均收入的升高，夏季室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的需求更加突出。

4 寧夏空調(diào)市場(chǎng)發(fā)展情況

近年來，寧夏各市、縣城鎮(zhèn)歷年空調(diào)裝機(jī)量如圖2所示，各地區(qū)城鎮(zhèn)與農(nóng)村空調(diào)裝機(jī)量如圖3所示，數(shù)據(jù)來自寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒。

從圖2，圖3可以看出，隨著寧夏經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)空調(diào)裝機(jī)量在逐年上漲，平均以每年9.5%的速度上漲，城鎮(zhèn)居民空調(diào)裝機(jī)量大于農(nóng)村。石嘴山銀川兩市，空調(diào)的擁有量最多，一方面是銀川市是省會(huì)城市，經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，可以間接帶動(dòng)北部石嘴山市經(jīng)濟(jì)，另一個(gè)原因就是氣候原因，可以推斷出，未來寧夏地區(qū)空調(diào)需求量會(huì)繼續(xù)增加。通過溫濕指數(shù)和寧夏地區(qū)居住建筑空調(diào)冷負(fù)荷(約為40 W/m2)可知，寧夏地區(qū)空調(diào)負(fù)荷不高，并且高溫時(shí)段僅為4 h～5 h，這使得空氣能蓄冷空調(diào)相比傳統(tǒng)空調(diào)在該地區(qū)更有優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

1)寧夏地區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷拇箨懶詺夂颍赡舷虮毕募靖邷靥鞌?shù)逐漸增加，晝夜溫差基本在10 ℃～17 ℃，溫濕指數(shù)在27～30。

2)居民對(duì)夏季室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)需求在增加，傳統(tǒng)空調(diào)裝機(jī)量在逐年增長(zhǎng)。

3)空氣能蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在寧夏地區(qū)具有可行性，在消耗較小能量的前提下，滿足人居環(huán)境舒適度，是一種環(huán)境友好的、運(yùn)行費(fèi)用較低的空氣調(diào)節(jié)手段。