生態空調系統

祝藝丹，謝道明

（吉林建筑大學城建學院，長春 130114）

“節能環保”“清潔制冷”等已經成為國家能源戰略的重要組成部分，推動能源體系革命性變革，是我國能源戰略的重要趨向。據2017年中國建筑能耗研究報告提供的數據，中國建筑能源占全國能源消費總量的20%。再者，國家發改委發布的《節能中長期專項規劃》提出了十大節能工程，其中一項即為建筑節能工程。由此可見，建筑節能顯得尤為重要。加大建筑節能技術和產品的推廣力度等，可分別節能5 000萬t標準煤，因此綠色生態空調項目的研究與推廣有著必要的研究價值。

隨著我國社會經濟的飛速發展，空調已比較普遍地應用于公共建筑和居民住宅，滿足人們生產生活熱舒適度要求的同時，也消耗了大量電能。國務院辦公廳于2007年6月1日發布了《關于嚴格執行公共建筑空調溫度控制標準的通知》，要求所有公共建筑內的單位，包括國家機關、企事業組織和個體工商戶、社會團體，除醫院等特殊單位以及在生產工藝上對溫度有特定要求并經批準的用戶之外，夏季室內空調溫度設置不得低于26℃；冬季室內空調溫度設置不得高于20℃。因此，盡可能地減少耗電量，又能滿足熱舒適性要求是設計研究所要考慮的重要因素。

1 生態空調系統介紹

1.1 生態空調技術原理

本文所研究的生態空調系統的工作原理是：熱氣流進入生態空調系統裝置中瓶子較寬的部分，然后經過多級節流裝置時，壓力發生變化，氣流在進入室內之前就會被冷卻。這個自制的制冷系統制作簡單，能在短時間內讓室溫降低至少5℃，并且無需電力供應。系統工作原理如圖1所示。

該系統原理非常簡單，以生活常識為例：用嘴向手心方向呼氣，會感覺氣流很熱，若是嘴型變小呼氣，就會感覺吹到手心的風是涼的。這款生態空調就是利用了該原理，當熱氣流進入多級節流裝置后壓力會發生變化，再經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入房間之前就冷卻下來，所以吹進屋子的風會比外面的涼快許多[1]。

本文所設計的生態空調系統理念是綠色、環保、低碳。之所以稱為生態，是因為解決了耗電問題。電作為二次能源，需要其他的能源來轉化輸出。而該生態空調系統無需用電。首先，系統動力來源于自然，利用太陽能加熱管道使空氣熱氣流向上流動從而使系統內產生壓力差，也就是人們所說的“煙囪效應”，通過太陽的能量產生抽力，帶動空氣流動，從而產生壓差使得外界空氣加速，通過多級節流膨脹裝置進入室內。其次，研究解決降溫的問題，多級節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，就像冷媒經過膨脹閥的前端（高壓）進入膨脹閥后端（低壓）時的降壓降溫作用，但空氣畢竟不是冷媒，空氣的熱焓量較冷媒小，雖然空氣也能因為降壓而降溫，但降溫能力有限，降溫幅度在3～5℃。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，也就是通過節流裝置后在節流口處產生的熱量會被水吸收，從而顯著提高效率，簡單來說，就是降低進入房間的空氣溫度。該原理主要是水蒸發吸熱，類似于濕膜原理，多方位地進行換熱和吸放熱，即實現能量轉移，同時水可以被重復利用，這樣既經濟又綠色環保，同時起到降溫的效果。

圖1 生態空調系統工作原理

1.2 能耗分析

此生態空調系統的設備初投資比傳統空調設備安裝成本低，其中設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道和控制口，進行冬夏季的換向控制，因此其結構簡單，易安裝，易控制，減少了新風管道及設備。系統在無電耗前提下，利用可再生能源來維持自身的正常運行，實現“生態空調”理念。

另外，為了解決無日照情況下生態空調系統無法啟動的問題，可以裝一個備用風機在無熱壓的情況下使用，利用電驅動風機實現循環對流，以達到壓力差的作用，循環通風降溫。因此，在特殊情況下，運行費用會包含小部分用電費用。

1.3 優缺點對比

本文所設計的生態空調系統較其他形式的空調有其自身的優點，但同時也存在一些問題，有待解決。

1.3.1 優點

一是成本較低，不管從建筑角度還是機電設備安裝角度，與傳統設施相比，其初投資較低；二是能滿足熱舒適度要求，該系統減少新風這一部分，能滿足衛生要求，而且由于降低溫差幅度不大，因此較為健康。若是室內外溫差太大，會對身體機能造成很大刺激，容易造成身體不適；三是既經濟又環保，安裝后基本無需太多運行費用，真正達到綠色節能環保的要求，降低了整個建筑能耗。

生態空調系統設計應用最大亮點就是利用多級節流膨脹水冷器和太陽能反向供熱。多級水冷器可以有效地對節流器進行聯合降溫處理，加大對空氣流體的處理能力，同時用水替代空氣作為冷媒，增加了換熱效率，且水可以循環利用。由于水和設備不是直接接觸，因此水質可以保證，其還可以用作生活用水，從而達到節能環保的目的。

1.3.2 缺點

此空調的先天缺陷就是沒有強制氣流，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，將對生態空調的正常運行造成影響。但是，針對這一問題，筆者在設計時也有所考慮，需借助外力，即增加電動措施保證其全面、安全、持續、高效地運行，滿足各個時間段各種不同天氣狀況下的不同需求。

2 生態空調系統設計

2.1 設計思路

生態空調系統是根據多級漸縮管的原理進行設計，從而解決實際問題。針對動力壓差，該設計利用夏季太陽能充足的“煙囪效應”所產生的壓力差進行強制受迫對流。與傳統空調系統相比，此生態空調系統的創新亮點就是多級節流膨脹水冷器。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，該系統將進風口設置在建筑的背陰面，即沒有太陽照射的室外，新鮮空氣滿足衛生要求，進入房間的空氣溫度得到有效降低，達到了降溫和節能環保的目的[2]。

2.2 水系統設計

水系統設計較簡單，采用正常家用自來水經多級膨脹節流水冷器的下部進入，并由上部流出，形成紊流的內部形態，加大換熱效率，同時用水能實現自循環。水系統設計如圖2所示。

圖2 水系統設計

2.3 風系統設計

在生態空調中，整個風系統由兩大部分構成。

2.3.1 整體的氣流組織

在整個房間內部要進行氣流流動模擬試驗和熱壓流動試驗，通過分析這些試驗數據，人們可以得到整個房間的氣流運動圖，從而直觀地了解氣流由入口進入、在室內循環以及最后流出室外的循環過程。

2.3.2 局部的氣流設計

多級節流膨脹水冷器的內部單個節流器結構如圖3所示。

該節流器的結構特點是多級漸縮，外部空氣進入其前端，經多級節流處理后，從其后端進入室內。其中，節流器在多級節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，它內部還有特殊的吸熱涂層，從而有效保證整個空氣處理效果。

圖3 節流器

3 生態空調系統安裝要求

該空調系統在建筑安裝上的具體要求就是進風處必須設在背陰處，整個設備嵌在墻體內部，這種安裝方法基本不影響外立面的美觀性。另外，玻璃幕墻組成的風道必須在陽面接受太陽光照射，從而保證整個系統的正常運行。

4 結論

在國家提倡建筑節能的大背景下，生態文明越發受到關注，本項目結合生態理念設計研究一種生態空調系統。該系統以太陽能產生的壓差進行驅動，內部通過由多級節流器和冷媒組成的多級變壓水冷箱對所進入室內的空氣進行冷卻，達到降溫目的。該系統理論上正常運行過程無需電耗，但該設計還會受外界環境因素影響，因此系統還需進一步優化，以最終達到節能環保的要求。