日本綠色建筑空調系統節能減排技術應用分析

計永毅 王仕卿 李樹賢

(北京聯合大學生物化學工程學院，北京 100023)

日本政府為了推進綠色建筑的發展、解決能源危機問題，于2005年提出了“將辦公環境的空調溫度夏季設定為28℃、冬季設定為20℃”的號召。這樣的溫度標準對工作人員來說，在夏季顯得略高而冬季略低。為此，日本企業積極研發新的空調系統，以求在不失舒適性的前提下達到節能減排的目的。

如表1所示，日本公共建筑的能源消費中空調系統約占30%，解決空調系統能耗問題是發展綠色建筑的一項重要工作。下文分析介紹的“工位+環境輻射空調系統”和“太陽能與GHP余熱利用高效空調系統”等日本企業研發的新技術在實際應用中取得了很好的節能減排效果。這些節能減排新技術對我國綠色建筑的建設具有一定的借鑒意義。

表1 不同公共建筑設施的能源消費量[1]

1 工位+環境輻射空調系統

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

1.1 系統構成

圖1是日本清水建設公司[3]研發的應用于該公司新總部大樓的空調系統示意圖。該系統采用了頂棚輻射環境空調和個人工作位置地板出風口相結合的空調方式。與以往把室內空氣全部冷卻加熱的對流式空調不同，輻射空調是根據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系統。通過分別控制溫度、濕度和氣流，即使室內溫度設在28℃也能保持舒適的溫熱環境，并提高了節能效果。輻射空調系統是氣流感很小的空調方式，適于通道等處的環境區域，可使這些區域的空調溫度設定得寬松些。再與工位空調相結合可達到舒適性和節能雙贏的目的。

1.2 頂棚輻射板

圖1 工位+環境輻射空調系統示意圖

如圖2所示，頂棚輻射板由模數為3 200 mm的模塊構成，配管系統與3 200 mm模數相匹配。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

室內中央區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出氣口和排煙口的作用。因此，在頂棚上不用單獨設置排氣口，使頂棚顯得更美觀。針對夏季日照產生的熱負荷主要影響房間窗戶周邊的問題，該公司開發了具有獨特形狀的周邊混合型輻射板。這種板在制冷時能促進自然對流，使輻射作用和對流作用相結合，這樣就可以高效地應對夏季室內窗邊區域熱負荷過高的問題。

1.3 工位空調

在辦公桌下的地面設置工位空調進氣口，通過它的開閉調節氣流，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露，該系統室外空氣處理空調機采用了除濕空調系統。輸入的空氣是經過室外空氣處理空調機處理過的調溫調濕后的空氣。

2 太陽能與GHP余熱利用高效空調系統[4]

當前，面對能源緊張、環境惡化等問題，太陽能作為可再生的清潔能源受到廣泛關注。但太陽能在建筑中的應用還主要集中在太陽能熱水利用和太陽能光伏發電兩個方面。如表2所示，不同的太陽能利用方式的轉換效率有著很大的差異。近年來，日本很多企業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力度，開發出太陽能空調系統，取得了顯著的節能減排效果。

表2 太陽能利用的轉換效率[5]

2.1 系統的構成

太陽能與GHP(燃氣熱泵，Gas engine driven Heat Pump)余熱利用高效空調系統(圖3中單點長畫線圍成的部分)是由太陽能空調系統(圖3中矩形框所示)和GHP余熱驅動除濕空調系統(圖3中粗線圓角矩形框所示)兩部分組成。其中，太陽能空調系統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系統。該系統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計的太陽能天然冷卻器。GHP余熱驅動除濕空調系統將GHP冷卻器的余熱用于制冷空調，用除濕空調機分別獨立處理顯熱和潛熱。由于能夠充分除濕，即使將溫度設定在28℃也可以實現涼爽工作環境。

圖3 太陽能三聯供系統構成

2.2 系統的特點

該系統優先使用太陽能，由于雨天等氣候的影響使熱量供應不足時啟用備用的燃氣發動機進行高效地補充，以實現整個系統的最優控制、穩定運行。制冷時將GHP廢熱用于除濕空調機的驅動熱源，可以實現節能和舒適性的雙贏。在制冷時燃氣熱泵GHP的用電量較之電動熱泵EHP顯著減少。在同樣的建筑物和設備條件下，使用GHP可減少一次能源消費量9%、二氧化碳排放量31%，并使總費用減少約44.3%。

該系統為了更好地利用太陽能熱水，專門設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。

2.3 應用實例

東京燃氣公司在總建筑面積5 645 m2的辦公樓中應用了該系統。該公司為了在建筑物全壽命周期內減少環境負荷，于1996年采用燃氣熱電聯供系統、自然采光、自然換氣、建筑能源管理系統等新技術建造了劃時代的“全壽命周期節能的辦公樓”。當時，該建筑比一般寫字樓的平均一次能源消費量減少約24%，CO2排放量減少約25%。2009年對該建筑物進行改造，使用了如圖3所示的電、熱水和空調三聯供系統，將節能降碳的空調系統，最先進的自然采光、照明控制系統，太陽能發電和熱電聯供系統等組合，再加上建筑能源管理系統，取得了一次能源消費量減少40%，二氧化碳排放量減少47%的節能減排效果(見表3)。

表3 節能減排效果實例

3 結語

空調系統在公共建筑的能源消費中約占30%，是節能減排的重點。日本多家公司研發的“工位+環境空調系統”達到了舒適性和節能雙贏的目的。日本在空調系統中優先使用太陽能，并用GHP取代EHP使總運行費用減少約44.3%，一次能源消費量減少9%，二氧化碳排放量減少31%，節能減排效果顯著。我國的建筑節能減排工作雖然已經取得了重大進展，但仍任重道遠。日本的空調系統節能減排技術及其應用效果對我國的相關工作有一定的借鑒意義。

[1] 長崗典夫.業務用太陽熱利用給湯システム[J].BE建築設備，2011(7):40-41.

[2] 計永毅.日本既有建筑改造與空調系統節能技術分析[J].建筑科學，2012(11):100-103.

[3] 荒井義人.清水建設新本社ビル[J].BE建築設備，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.