空氣能蓄冷技術在寧夏地區應用的可行性分析

張潤霞 岳靳路

(西安交通大學城市學院，陜西 西安 710018)

建筑是能源和資源的主要消費者之一。在歐美、日本等發達國家，建筑能耗一般占據社會總能耗的1/3左右[1]。在我國，該比例約為19.93%，并呈現增長趨勢[2]。隨著我國西北及華北地區的快速發展及新農村建設，建筑總面積在不斷增長；其次隨著生活水平提高，人們對建筑的熱舒適性要求也在提高，空調使用量快速增加，建筑面積占建筑總量的43%[3]的農村建筑的高能耗問題將給我國能源供應帶來巨大壓力。采用相變儲能技術，因地制宜的應用環境冷量，可有效降低建筑能耗。我國西北和華北地區屬于溫帶大陸性季風氣候區，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移到白天，實現冷量在時間和空間上的轉移，就可以實現無壓縮機的零電耗制冷，也就實現了零污染制冷。

相變儲能技術是可再生能源在建筑節能中應用的橋梁。相變材料(PCM)的相變儲能特性，可以有效的實現空氣冷量的時空轉移，晝夜溫度范圍在12 ℃～15 ℃，系統制冷效果最好[4]。目前，相變儲能技術的研究集中于儲能材料和儲能換熱系統的研究。對于空氣能相變蓄冷，相變材料的選擇與氣候條件和室內控溫要求有關[5]。Stritih U, Butala V[5，6]認為，相變材料的相變溫度應該與室內熱舒適溫度相對應，夏季室內熱舒適溫度為23 ℃～27 ℃時，相變材料的熔點應該在19 ℃～24 ℃。Lazaro et al[7]研究認為，相變溫度的選擇應該根據室內制冷需求確定，當室內要求溫度比較低時相變材料融化溫度應該低一些，當制冷需求較低時相變溫度應該為室內控制溫度。對于干熱地區，相變溫度應該等于舒適溫度[8]。相變材料主要為有機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 ℃。有機相變材料過冷度小，與換熱器相容性較好及穩定熱物性，在自然冷源蓄冷中具有很大的優勢。

本文就寧夏地區空氣能蓄冷技術應用的可行性進行研究，從氣象條件，空調市場發展現狀及人居環境的氣候舒適性進行研究。

1 空氣能蓄冷空調工作原理及特點

降低空調能耗是減少建筑能耗的手效有段之一，傳統空調采用機械壓縮式制冷，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，如圖1所示，夜間蓄集室外環境冷量，白天室內高溫空氣進入換熱器，使其釋放冷量調節室內環境。寧夏地區夏季炎熱時間段僅有4 h左右，而夜間低溫時段時間約為7 h，空氣能蓄冷空調可以有效的利用環境冷量，滿足人居環境的舒適度，減少或代替傳統空調的裝機量或運行小時數。

空氣能蓄冷空調運行動力設備僅有風機，其能耗略高于傳統空調室冷凝器風機能耗，傳統空氣中風機能耗僅占空調總能耗的10%～15%，因此相對傳統空調，空氣能蓄冷空調運行費用較低，僅是傳統空調的15%左右。同時，因無制冷壓縮機，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，其節能環保性尤為突出。

2 寧夏地區氣候特點分析

寧夏地區深居我國內陸，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。在我國的氣候區劃中，固原市南部屬中溫帶半濕潤區，原州區以北至鹽池、同心一帶屬中溫帶半干旱區，再往北，銀川、石嘴山區域為引黃灌區，氣候屬中溫帶干旱區。夏季炎熱，氣溫日較差大[12]。

統計分析2016年—2020年寧夏各地區夏季最高氣溫高于30 ℃的總天數及氣溫日較差情況，選取同心縣、吳忠市、銀川市和石嘴山市的惠農區進行氣象數據統計分析，分析結果表明，寧夏地區夏季由南向氣溫高溫天數逐漸增多，晝夜溫差也逐漸增大，同心縣夏季約1/4時間氣溫高于30 ℃，吳忠市和銀川市總天數的62%氣溫高于30 ℃，北邊石嘴山惠農區約78%天數中，天氣較為炎熱，各市、縣夜間溫度均在(20±2)℃，晝夜溫差為10 ℃～17 ℃，白天高溫時段是下午13:00～17:30時段，夜間氣溫低于24 ℃的時間約是00:00～07:00時段，根據相變蓄冷的條件可以看出，寧夏地區夏季夜間環境低溫時段足夠長，可以滿足空調能蓄冷過程的需求，而白天高溫時段較短，適合采用空氣能蓄冷技術。

3 寧夏地區人居舒適度評估

根據人居環境氣候舒適度評價指標溫濕指數和風效指數評估上述地區人居環境的舒適度，進而判斷寧夏各區域居民夏季舒適度情況。根據氣象數據統計分析，統計分析銀川市、吳忠市、同心縣和惠農區各地區夏季氣溫高于30 ℃的時候，當地的平均氣溫、平均相對濕度、風速、日照時數，計算各地溫濕指數和風效指數，結果見表1。

表1 寧夏各地區6月～8月氣象參數平均值

人居環境氣候舒適度評價指標顯示，當溫濕指數大于25.4時人會覺得有熱感，不舒適，高于27.5時，會覺得悶熱難受，因此從表1分析結果可以看出，寧夏地區夏季需要通過室內空氣調節滿足人居環境的舒適度，隨著人均收入的升高，夏季室內空氣調節的需求更加突出。

4 寧夏空調市場發展情況

近年來，寧夏各市、縣城鎮歷年空調裝機量如圖2所示，各地區城鎮與農村空調裝機量如圖3所示，數據來自寧夏統計年鑒。

從圖2，圖3可以看出，隨著寧夏經濟的發展，城鎮空調裝機量在逐年上漲，平均以每年9.5%的速度上漲，城鎮居民空調裝機量大于農村。石嘴山銀川兩市，空調的擁有量最多，一方面是銀川市是省會城市，經濟比較發達，可以間接帶動北部石嘴山市經濟，另一個原因就是氣候原因，可以推斷出，未來寧夏地區空調需求量會繼續增加。通過溫濕指數和寧夏地區居住建筑空調冷負荷(約為40 W/m2)可知，寧夏地區空調負荷不高，并且高溫時段僅為4 h～5 h，這使得空氣能蓄冷空調相比傳統空調在該地區更有優勢。

5 結論

1)寧夏地區氣候屬于典型的大陸性氣候，由南向北夏季高溫天數逐漸增加，晝夜溫差基本在10 ℃～17 ℃，溫濕指數在27～30。

2)居民對夏季室內空氣調節需求在增加，傳統空調裝機量在逐年增長。

3)空氣能蓄冷空調系統在寧夏地區具有可行性，在消耗較小能量的前提下，滿足人居環境舒適度，是一種環境友好的、運行費用較低的空氣調節手段。