周子成

1 引言

在本刊上一期中，讨论了房间空调器在一般气候条件下提高效率的各种途径。本文将要讨论在特定气候条件下提高房间空调器效率的一些途径，可以取得较为显著的节能效果。

2 蒸发冷却式空调

蒸发冷却式空调技术 （或称为EAC技术）在炎热、干燥的气候条件国家的住宅及商业应用中正变得越来越流行。EAC系统使用水作为冷却剂，而不是化学制冷剂。EAC可以提供比传统的蒸气压缩式空调 （VAC）更卓越的通风和冷却。然而，不像VAC系统那样可以操作在多种气候环境下，EAC的有效性和效率随外界空气的相对湿度而变化。EAC还有另外的好处，它们减少了对传统的液体制冷剂的要求，避免二氧化碳在大气中的排放量，并减少高峰电力需求。

EAC的最佳运行是在炎热、干燥的气候条件下，虽然它们也适用于较潮湿的气候。EAC被广泛使用在美国西南部、中东、澳大利亚、印度次大陆，非洲东部和墨西哥北部。

在我国西北干旱地区，如内蒙、新疆、西藏、青海等省，EAC也获得了成功的应用。

使用蒸发冷却器可以比传统空调减少75%的电力，这无一例外地取决于建筑物所处的气候条件，在气候炎热的沙漠地区，节电可能会更多，这些系统不使用氟氯化碳或任何其他危害臭氧层的化合物，操作成本比常规空调要低，包括机组的初始投资成本和安装成本。蒸发冷却器的另一个好处是它们不像其他系统那样重新循环陈旧的空气，而是每分钟完全置换1～3次新鲜空气。

系统的缺点包括水的高消费量，每小时运行消耗水15.9至47.7升 （3.5至10.5加仑）、需定期保养、机组往往有噪声、机组可能会有滴水和泄漏、能源效率比高效率的AC系统较低、以及在高湿度气候时机组的效率较低，因此，只有在干燥、炎热气候条件下才有实际应用价值。

表1中列出了一个典型的房间空调器的蒸发冷却器在不同湿度和外界温度 （华氏度）时的性能。最佳室温是20～22.2℃ （68～72℉）左右，并且依赖于国家和个人的喜好。为了实现这样的性能，温度条件必须是正确的。高温度下可能会严重影响机组的效率，为了使机组有效地地工作，超过37.8℃ （100℉）时，空气的湿度水平必须是非常低 （相对湿度2% ～10%）。为了对机组提供最佳条件，同样，对于非常高的湿度水平必须附加上低的温度条件。

表1 室内空气温度对蒸发冷却器的冷却性能

图1 典型的直接蒸发式空气冷却器

2.1 直接式住宅用空调

一个住宅EAC系统通常包括一个金属或塑料板的箱体，其中包含大量的垂直过滤垫片;一个马达驱动的风扇、一台水泵和相关联的水分配系统。图1表示了这种配置的示意图。

如图1中所示，建筑物室外的温暖空气被风扇吸入，空气通过湿的垫片区被冷却。水泵的作用是从水池抽取水，并通过垫片流回到顶部上方的分配系统。这是一个简单的低成本直接EAC方案，一旦环境湿球温度达到21℃ （69.8℉），能适用于室内舒适度冷却。直接EAC系统工作在低湿度的区域范围内能比蒸气压缩式空调系统节约能源60% ～80%以上。

2.2 间接蒸发式空调

间接—直接EAC是在过去的25年中逐渐发展起来的，由于它能够提供比直接EAC改善冷却和运行状况，已越来越普及。从本质上讲，是在冷却过程中引入了一种附加的步骤，使它成为一种两阶段的过程。第一阶段的目的是冷却空气，在空气中不添加水分，在第二阶段是添加水分。通常情况下，由间接EAC机组排出的空气比简单的直接EAC系统的温度要低3.5℃ （6.30℉）。这种具有较高的湿球空气温度扩大了EAC的适用性。间接—直接EAC系统被认为在湿度适中的气候条件下能比传统的VAC系统节能40%～50%。图2是一种代表性的间接—直接EAC的系统。

2.3 干燥剂辅助蒸发式空调

即使在最潮湿的地区，使用除湿的化学物质，如干燥剂 （如硅胶）的EAC技术应用也有了显着的发展。采用干燥剂将通风空气除湿到一个设定点，接着，除湿后的空气通过一种直接或间接的EAC系统，然后使空气冷却到所需的温度。图3表示了一种干燥剂冷却系统的空气循环。

2.4 干燥剂增强蒸发空调 （DEVap）

美国国家可再生能源实验室 （NREL）最近开发出一种结合使用液体干燥剂和蒸发冷却技术的新理念。使独立间接蒸发冷却器的应用地域范围延伸到整个干旱或半干旱地区。此前的尝试结合液体除湿冷却与间接蒸发冷却造成设备过大、过于复杂，而NREL的DEVap结合蒸发和干燥剂组合到一个单一的冷却核心机组。

图2 间接—直接蒸发式空调系统

图3 干燥剂冷却系统的空气循环

DEVap的核心优势是通过冷却散热器和热除湿之间的亲密接触，从而导致更有效的除湿潜力。这将会得到独特的好处，其中包括使用更便宜的干燥剂材料，以及更紧凑的冷却核心。

DEVap使用包含液体干燥剂和水的膜技术。当使用液体干燥剂时，它消除了干燥剂夹带进入到空气流中的可能性。当使用含有水时，它消除潮湿的表面，可以防止细菌生长和矿物积聚，并避免任何核心的冷却退化。图4示出了DEVap的物理概念和空调机组。

DEVap的热力学优势克服了标准制冷直接膨胀冷却的一些缺点，DEVap将制冷和除湿性能分离，导致能独立控制温度和湿度。

NREL的模拟结果表明，操作DEVap每年热和电的综合能源消耗要比最先进的直接膨胀制冷低30%－90%（它自然地取决于是否被应用在潮湿或干燥的气候）。此外，NREL表明，干燥剂技术是一种未反复实践过的新技术，它可以额外降低能源消耗50%。

2.5 太阳能蒸发空气冷却

鉴于EAC相对较低的能量需求，而阳光强烈时常常伴随着需要制冷，因此EAC系统和太阳能光伏发电系统之间有一个自然的联姻。然而，EAC系统组件需要有一个优化，使其系统效率能够与太阳能发电之间的函数最大化。此外，需要注意，大部分投资成本会用于去购买太阳能电池板。图5是一种太阳能供电EAC系统的简图。

3 相变材料

图4 a）:DEVap的物理概念;b）:DEVap空调机组的示意图

图5 太阳能蒸发式空调机

热能储存是一个相对较新的技术领域，适用于范围广泛的供热和制冷应用。相变材料或称为PCM材料，可以在融解和凝固的过程中存储和释放热能。这种材料在凝固过程中可以释放大量的潜热形式的能量，而在融解时从周围环境吸收等量的能量。相变材料超过传统的热能存储系统，优点是重量和体积较小，可以在预先确定的温度下吸收和释放合适的供热/制冷量，可以通过空调系统的精心设计将高峰供热和制冷负荷转移到非高峰时段。PCM材料已经积极地用于支持空调、免费冷却、被动冷却、太阳能供暖、运输包装和热回收。

图6 PCM贮存容器与空调机组和空气/水热交换器集成

正在开发的PCM有几种形式，现在最常用的是基于外壳系统的空气调节器的形式，通常应用在对更传统的典型空调的制冷/加热系统的补充。

选择相变材料要求它们在室温下是固体。当温度升高时，相变材料发生相变，从固体变成液体，并从周围大气中以潜热的形式吸收大量的能量，因此，这对房间起到冷却作用。同样地，当温度开始下降时，材料将接受另一种状态的变化，放出热量而从液体变为固体，这反过来又可以为房间供暖。相变材料可以与建筑围护结构一体化，确保PCM在白天吸收外部较高温度，而在夜间向室内放出热量。

在住宅环境中使用PCMs可取的因素包括但不限于以下一些:融化温度25℃ （77℉）以上、材料成本低、无毒、低腐蚀性、低吸湿性、并在建材中有充足数量的适用材料。

将相变材料结合到建筑材料和HVAC系统中的节能有多种不同的方法，这些方法包括:结合到屋顶、墙壁、地板、管道周边、壁板和PCM在储罐封装等。

图6提供了一个使用方法的简单说明，整合PCMs与传统的空调系统和一个标准的空气/水热交换器。

表2总结了在不同应用的一些模拟和实验研究中，使用相变材料量化好处的选择。

表2 从PCM的模拟与实验的主要结果综合

满足大多数PCM规格的一些不同材料已被确定。例如，现在市售的从石油精炼或聚合的链烷烃化合物 （线性结晶烷基烃）。另外，一些制造商已经证明成功地将石蜡珠制成墙板、地板和屋面材料。然而，在技术被广泛采用之前，需要做更多的研究。

4 免费冷却的窗式/百叶窗空调器

在适当条件时，窗式 （在欧洲）或穿墙式（在美国）整体式空调器通常能够利用冷的室外空气 （在较冷的时期，如夜间）作为免费冷却。这种已存在多年的系统被称为经济器循环，目前正在使用的有两种类型的经济器:水侧经济器和空气侧经济器。空气侧经济器是利用室外凉爽空气的优点补充机械制冷量，或在室外空气足够冷时提供全部制冷量。水侧经济器是一组位于直接膨胀冷却盘管上游的独立机组水盘管。图7为经济器的示意图。

免费冷却证明了确保室内舒适通风而不需要机械制冷系统的潜在效果，但免费冷却不能被视作替代机械制冷。事实上，它可以被用来作为对传统空调机组的一种补充和辅助作用。许多研究表明，在不同的气候条件下，使用免费冷却可以达到显著的节能效果。

目前，这种“免费冷却”形式也可选用在较大的机组中，例如VRV系统，虽然由冷却设备控制一次空气引入单风管式的空调设备实现这种免费冷却是很罕见的。它的缺点是在温暖的季节引入热空气。分体式空调器能够使用新鲜空气，以便冷却室内空气，可以节约压缩机的电力消耗。

图7 一种经济器的示意图

已经进行的一项研究，验证了VRV系统和一个由智能模糊逻辑控制的变风量 （VAV）空调系统的组合，分别在夏季和冬季气候条件下控制，以便量化节能的能力。该系统比较了在固定通风、需求控制通风 （DCV）、和结合DCV经济循环通风技术的实验分析，与具有恒定风量空气条件的空调系统相比，在冬季和夏季平均每天分别节能63%和44%。

然而，这种系统有某些缺点和障碍，应用时需要加以权衡。这些权衡包括安装成本、引入的外部噪声和包括可能是必要的空气处理、防止从室外吸入空气的污染。另外，在做“免费冷却”节能效益的选项时，在标准的节能性能测试条件中没有列出记录内容，因此，未能反映出能效等级。

最后，通过对所使用的方法进行优化可以提高能源效率，以保持蒸发温度足够低，以及提供足够的除湿能力。在美国最常见的方法，是在足够低的温度下连续操作提供除湿的蒸发循环。而在日本常见的是一个两级的做法，通过添加了第二专用膨胀阀，穿插一个偶尔较低温度的除湿循环，这样可以比显热冷却循环更有效 （高温度）。

5 在夜间蓄存冷量

蓄热技术的主要原理是材料具有持续一段时间保存热量的能力，通常范围是几个小时到几天。一个关键的参数是物质的质量，因为它反映材料保持热量的能力。住宅建筑材料，如砖石材料，表现出这种保存热量的性能。

有些蓄热材料被选择用于向住宅周围的空气释放热量而蓄存冷量，有效地冷却它们所占据的空间。夜间蓄冷的基本原理，是利用晚上环境温度较低的时间，用来贮存低品位的制冷量，如冷的天花吊顶的冷辐射效应。然后，在白天通过辐射和对流将储存的冷量逐渐释放，达到冷却或凉爽的效果。

这种夜间蓄存原理的探索已经有了一些新的发展，包括:

（1）使用相变材料 （PCM）蓄存一个名义上恒定温度的冷量，和使用热管获得增强PCM和空气之间的传热。这种探索设计由Turnpenny在2001年完成开发，并在英国正常夏季条件下完成了原型样机系统的测试。

（2）开发了一个独特的分布式蓄能系统，与一个常规空调系统协调一致地工作，该系统在晚上当发电更清洁、更便宜和更有效时依靠冻结水贮存冷量，并在白天的高峰需要时依靠解冻冰释放冷量，用来提供建筑物冷却和减轻传统空调系统的负荷。

一种具有热能蓄存和加热水的混合设备的分体式空调已经完成了主要的开发工作，以确保设备能在全年使用。特殊设计的混合贮蓄容器直接连接到一个分体式空调器。在夏季月份里，冰蓄冷盘管作为蒸发器操作。该冰蓄冷盘管在非高峰电力需求期间提供相当凉爽的环境，在高峰电力消耗期间，要求蓄冷盘管作为一个超冷的冷凝器，它的优点是提高分体式空调系统的COP。在冬季的几个月里，贮蓄容器作为储存热量，在供热过程中吸收冷凝热并将热量蓄存起来。与原来的分体式空调器机组相比，新的混合系统的平均制冷量提高了28.2%，和COP增加了21.5%。图8表示了一个这种热水器和储能装置相结合的独特的混合分体式空调的示意图。

图8 热水器和能源存储系统混合空调的示意图

6 辐射冷却—冷屋顶

具有低反射率的屋顶材料往往从阳光中吸收热量，而不是反射回到太空。具有高发射率的屋顶材料会迅速辐射任何储存的热量。利用通过高反射率和高发射率的材料组合这两种现象的“冷屋顶”，使太阳光转换为屋顶材料中的热能数量最小化，和从屋顶辐射出去的热能数量最大化。在原理上，冷屋顶的建筑物将会具有较低的制冷负荷和制冷的能量需求，因为它们减少了从屋顶进入空调空间的太阳能量，从而减少制冷负荷。出于同样的原因，冷屋顶在采暖季节在非赤道气候往往增加了热负荷，因为太阳的能量通过屋顶进入空调空间转化为热量的数量减少了。

由于屋顶是水平的或与水平成一个角度，一个显著部分的太阳辐射能将从屋顶直接反射回到天空拱顶。这意味着增加屋顶的反射率不仅有可能降低空调负荷 （从而降低能源使用和相关的二氧化碳排放量），而且也有可能依靠增加返回太空的太阳辐射，降低被捕获的太阳能量。

研究表明，对于坐落在气候较长的制冷季节和较短的供暖季节的一个高屋顶体积比的建筑物，反射屋顶是最有效的和节能最大的。此外，许多这些研究表明，建筑物中通过屋顶的反射率从10%～20%增大到约60%，可以减少建筑物制冷的能量达到20%以上。

在赤道，干旱和温暖地带气候的好处是导致促进使用冷屋顶的激励计划、产品标签和标准。

7 利用植被遮阳

植物、树木和植被增加了在它们所占据表面上的阴影，挡住了该表面的阳光/热量。到达绿化或脚下地面的热量往往可以通过蒸发被消散，即周围空气/表面的热量用于蒸发水。通常这些绿化和所产生冷却效果被利用于建筑物中，例如，在屋顶上的“绿色屋顶”或围绕建筑和城市空间战略设计/自然发生的“树木和植物”。由于遮阳和蒸发散热表面的自然过程，如夏季的条件下入住在绿色屋顶会比传统的屋顶更凉爽。原则上，使用绿色屋顶往往能降低从屋顶进入空调空间的太阳能量，从而降低了制冷负荷。同样，战略定位的树木和植被也可以对人行道和建筑物提供遮阳。这样的结果是导致在阴影部分的表面被吸收的太阳能量更少，降低了进入空调空间的太阳能，从而降低了制冷负荷，以及保持人行道路面凉爽，并降低了环境温度 （间接降低空调负荷）。

同样的原因，屋顶绿化在供暖季节非赤道气候条件下往往会增加热负荷，因为较少的太阳能量转化入屋顶内并传入到空调空间的热量，在冬季落叶乔木没有树叶，这意味着他们所提供更少的阴影。此外，树木往往可以带来其他好处，如在寒冷的冬季屏蔽城市建筑物/结构物的冬季风。尽管如此，因为是在冬季太阳能比夏季减少，太阳能屋顶内能转换成热能的数量是在夏天比冬天多，因此在夏天遮阳和蒸发的散热量比冬天的得热量多。

研究表明，一个绿化的屋顶提供了比光亮的表面更大的单位面积冷却作用，但比路旁种植的单位面积冷却少。数据采集、建模和仿真可以用来检验个别建筑和城市的树木和植被的效果。城市树木被发现能提供蒸发、遮阳和对建筑物和人行道防风保护，造成节省能源、减少峰值电力和二氧化碳排放量。

在一项屋顶绿化的研究中，一个标准的平屋顶的屋面温度被测得为32.2℃ （90℉），而植被的绿色屋顶相邻区域上测量记录的是15.6℃ （60℉）。在以往的研究中发现，气温下降1.7～3.9℃（3～7℉）可以减少空调负荷10%，所以考虑到这一点，如果一个绿色的屋顶上安装了一层这种屋顶绿化建筑，可以降低空调费用高达30%。

加拿大的一项研究表明，使用Visual DOE模型来评估在加拿大多伦多市的一个3000平方米的单层屋顶绿化建设办公室，揭示了增加供热和制冷的能源节约，绿色屋顶花园的遮阳和保温降低了加热能源10%、制冷能源6%和减少整体总能源使用量5%。低的制冷能源减少归因于由于屋顶增加绿化，减少了内部产生热量的耗散率，以及现有建筑保温在夏季减少了进入建筑物的热量和减少了在冬季流出的热量。相同的模拟在加利福尼亚州圣巴巴拉运行显示，在那里建筑保温较少，使制冷的能耗节省提高到10%。

一般认为，使用城市树木和植被在寒冷的气候条件下可能会面临热量性能变差，但是在炎热的气候条件下会降低能源消耗。

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