Applications of Air-conditioning Technique to Green Architecture

  Li xin   Luo jun

(ShenZhen general institute of architectural design and research No.3 institute，ShenZhen

518031）

Abstract：Green architecture is the main direction of the development of 21^st architecture, and it is asked air-conditioning systems to be drove by solar energy, terrestrial heat, wind energy and biologic energy as soon as possible. In China, applications of air-conditioning technique are very important because of large numbers of reserves. This paper focuses on how to apply air-conditioning technique to green architecture. Now, absorption refrigeration technology is primary air-conditioning technique applying solar energy and terrestrial heat and the main research domain is to advance efficiency of systems, and wind energy and biologic energy can not be used by air-conditioning technique directly.

Key words：green architecture，natural energy，refrigeration，air conditioning

1   引言

1999年，國際建筑師協(xié)會第二十屆世界建筑師大會發(fā)布《北京憲章》，可持續(xù)發(fā)展作為建筑師和工程師在新世紀(jì)中的工作準(zhǔn)則已逐漸被廣泛接受。在發(fā)達(dá)國家，自60年代提出了“綠色建筑”的理念，通過不斷采用新技術(shù)、新材料、新設(shè)備、新工藝、新方法，實行綜合優(yōu)化設(shè)計，由理念到實踐，逐步完善。近年來，在我國建筑市場上，“綠色建筑”的概念也逐漸升溫，一些房地產(chǎn)開發(fā)商爭打“綠色牌”，紛紛推出“綠色建筑”。

啟動于2002年10月的“綠色奧運(yùn)建筑評估體系研究”課題，已建立起綠色奧運(yùn)建筑評估體系，分別從環(huán)境、能源、水資源、材料與資源、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等方面進(jìn)行評估，指導(dǎo)未來“綠色建筑”的發(fā)展?！熬G色建筑”評價設(shè)有數(shù)百條標(biāo)準(zhǔn)，在最關(guān)鍵的六大要點(diǎn)中，其中一條是否采取了各種節(jié)能措施，以有效減少能源的消耗，是否盡可能地采用了如太陽能、地?zé)?、風(fēng)能、生物能等自然能源。

我國太陽能、地?zé)?、風(fēng)能、生物能等自然能源都有充足的儲量，采用太陽能、地?zé)崮艿闹醒肟照{(diào)系統(tǒng)最近幾年得到了一些應(yīng)用，國外這方面的項目也屢見報道。作為空調(diào)行業(yè)的從業(yè)人員，積極響應(yīng)政府提倡發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的號召，認(rèn)真思考和總結(jié)“綠色建筑”中如何利用空調(diào)技術(shù)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)利用自然能源的空調(diào)技術(shù)應(yīng)用在建筑工程中還不普遍，應(yīng)用的規(guī)模也不太大，這主要有以下幾方面的原因：（1）我國利用自然能源技術(shù)的生產(chǎn)和開發(fā)企業(yè)介入比較遲，著名的企業(yè)主要市場也集中在歐美。（2）在工程應(yīng)用領(lǐng)域沒得到推廣，采用此技術(shù)的是個別案例，主要依賴于科研能力強(qiáng)的個別科研、設(shè)計單位推廣和應(yīng)用。（3）廣大一線設(shè)計和工程領(lǐng)域的專業(yè)人士對自然能源技術(shù)空調(diào)技術(shù)中的應(yīng)用基理了解的不多，應(yīng)用意識不強(qiáng)。本文就自然能源在空調(diào)技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，希望對工程設(shè)計人員了解自然能源在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用有些裨益。

2   地?zé)?/SPAN>

地?zé)醽碓从诘厍虻娜廴趲r漿和放射性物質(zhì)的衰變，是來自地球深處的可再生熱能。通過地下水的深處循環(huán)和來自極深處的巖漿侵入到地殼后，把熱量從地下深處帶至近表層。地?zé)豳Y源是指在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)和地質(zhì)環(huán)境條件下，地殼內(nèi)能夠科學(xué)、合理地開發(fā)出來的巖石中的熱能量和地?zé)崃黧w中的熱能量及其伴生的有用組份。

當(dāng)前，地?zé)峥照{(diào)技術(shù)的研究和應(yīng)用已在我國取得了一定的進(jìn)展，多是采用地球表面淺層包括地下水、土壤和地表水等地?zé)豳Y源，驅(qū)動可采暖又可供冷的高效節(jié)能環(huán)?？照{(diào)系統(tǒng)。例如，北京奧林匹克公司將要打10口地?zé)峋\(yùn)動員村和記者村有40萬m²面積使用地?zé)峥照{(diào)，同時地?zé)崴€將用于加熱和淋浴。地?zé)豳Y源只要利用得當(dāng)，既可持續(xù)發(fā)展，又能保護(hù)生態(tài)環(huán)境的完整性。

地?zé)嵊糜诳照{(diào)，現(xiàn)在主要有兩個方式。（1）利用通過打井找到正在上噴的天然高溫?zé)崴?，利用蒸汽動力發(fā)電。這樣把熱能轉(zhuǎn)化為電能，用二次能源來驅(qū)動空調(diào)制冷設(shè)備。（2）地?zé)岬闹苯討?yīng)用，熱水流直接供給，用于采暖、空調(diào)、生活熱水等綜合利用。

對于空調(diào)系統(tǒng)，有兩種方法。（1）利用低溫段地?zé)?，采用電能?qū)動的地?zé)釤岜每照{(diào)系統(tǒng)；（2）利用中高溫段地?zé)?，采用熱能?qū)動的吸收式制冷。由于現(xiàn)階段地?zé)嶂饕ㄟ^地下水為載體，因此地?zé)峥照{(diào)的缺點(diǎn)是主要受地區(qū)地下水資源的限制。

地?zé)狎?qū)動吸收式制冷的原理與太陽能吸收式制冷系統(tǒng)原理相同，也是利用吸收劑的吸收和蒸發(fā)特性進(jìn)行制冷的技術(shù)，只不過驅(qū)動熱源是地?zé)釤崴?。吸收式地?zé)峥照{(diào)制冷，利用了對大氣沒有污染的可再生的地?zé)崴Y源，性能系數(shù)COP可達(dá)到0.4，大大節(jié)約了電力和相應(yīng)的成本費(fèi)用。在夏天進(jìn)行制冷，熱驅(qū)動吸收式制冷機(jī)使用65-90℃溫度段的地?zé)崴芰浚┙ㄖ锟照{(diào)使用，僅消耗制冷循環(huán)所需要的電量和費(fèi)用。因此，制冷空調(diào)這方面的地?zé)崮芾?，在改變能源結(jié)構(gòu)、有效利用自然能源、環(huán)境保護(hù)等方面都有重要的意義。

3   太陽能

太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量，廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。太陽能的特點(diǎn)是取之不盡、用之不竭、隨處可得、廉價、無污染且安全。利用太陽能作為能源的空調(diào)系統(tǒng)，它的優(yōu)勢在于太陽能輻射越是強(qiáng)烈，環(huán)境氣溫越高，太陽能空調(diào)越能滿足空調(diào)環(huán)境的制冷要求。同時，除循環(huán)用電能外沒有其它電能輸入，城市大氣溫度的熱島效應(yīng)遠(yuǎn)小于現(xiàn)在普遍使用的電能驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)。另一方面，太陽能空調(diào)既能節(jié)約能源，其制冷循環(huán)工質(zhì)也不會破壞大氣臭氧層及產(chǎn)生溫室效應(yīng)。

太陽能空調(diào)的實現(xiàn)有兩種方式：（1）通過光-電轉(zhuǎn)換，利用光生伏打效應(yīng)使太陽能轉(zhuǎn)化成電能，再用電能驅(qū)動常規(guī)壓縮式制冷機(jī)進(jìn)行制冷；（2）利用太陽集熱器收集熱能，用熱能驅(qū)動進(jìn)行制冷。

對于前者，由于大功率太陽能發(fā)電技術(shù)目前實用性較差，且昂貴價格，并未廣泛使用。例如采用轉(zhuǎn)換效率17.4%的單結(jié)晶太陽能電池模塊，輸出功率為3kw的發(fā)電系統(tǒng)，價格約合人民幣14.5萬。而利用太陽的熱能驅(qū)動進(jìn)行制冷，雖然集熱與制冷技術(shù)要求高，但成本低、無噪音、無污染。隨著太陽能集熱器和制冷機(jī)方面取得了迅猛發(fā)展，太陽能空調(diào)主要采用這種方式。現(xiàn)在，玻璃真空太陽能集熱器熱效率高達(dá)95％。這種消耗熱能作為補(bǔ)償實現(xiàn)制冷的太陽能空調(diào)，一般又可分為吸收式和吸附式兩種。

除了太陽能空調(diào)現(xiàn)在采用的兩種主要形式外，現(xiàn)在其它形式的太陽能空調(diào)系統(tǒng)也在研究發(fā)展中。其中，太陽能壓縮式空調(diào)系統(tǒng)，是以太陽能作為能源的蒸汽機(jī)代替壓縮式制冷機(jī)，當(dāng)無冷負(fù)荷或冷負(fù)荷較小時，集熱器供給的多余熱能可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?。缺點(diǎn)是多了各種機(jī)械損失，性能系數(shù)較低，而且容量越小，系統(tǒng)的效率就越低。在歐美地區(qū)，正在開展研究的被動式太陽能空調(diào)系統(tǒng)，則不需要裝配制冷機(jī)，只是在建筑設(shè)計時適當(dāng)考慮采陽的問題，盡可能在不影響采光的情況下，使房屋內(nèi)入射的太陽輻射減少。由于依賴于周圍環(huán)境系統(tǒng)與設(shè)計師的良好設(shè)計，投資費(fèi)用低，更加接近大自然，比較容易被高端用戶歡迎。

總的來說，太陽能空調(diào)系統(tǒng)多是建立在太陽能集熱器基礎(chǔ)上，因此普遍效率低、價格高，并且受時效影響，需要很好的蓄熱系統(tǒng)。對于居住相對集中的樓房來說，如果樓房的設(shè)計沒有考慮到太陽能空調(diào)，集熱器的安裝將受到很大的限制。但是，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對能源與環(huán)境提出了更高的要求，太陽能空調(diào)技術(shù)已經(jīng)開始邁入實用化階段，并逐漸走入了市場。隨著太陽能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計制造的軟硬件系統(tǒng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、配套設(shè)備的發(fā)展，緊緊依托綠色建筑這個發(fā)展的建筑市場，太陽能空調(diào)一定會有很大的發(fā)展。

4  風(fēng)能與生物能

風(fēng)力發(fā)電不消耗資源、不污染環(huán)境，作為一種無污染和可再生的新能源，具有廣闊的發(fā)展前景。即使在發(fā)達(dá)國家，風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。然而，風(fēng)能主要分布在西北、華北地區(qū)和東北的草原，以及東部和東南沿海及島嶼。這些地區(qū)一般是交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，或者是地廣人稀的草原牧場。對于空調(diào)系統(tǒng)需求量大的城市地區(qū)，目前僅僅能做為提供電能的一種途徑。將風(fēng)能直接用于綠色建筑的空調(diào)系統(tǒng)，現(xiàn)在還沒有一個可利用的有效方法。

生物能是第四大能源，是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，一種以生物質(zhì)為載體的能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用。在各種可再生能源中，是一種唯一可再生的碳源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。

然而，生物能由于存在于生物質(zhì)中，分布稀散，能量密度較低，而且相對水份含量較大。因此，大量收集生物質(zhì)費(fèi)用很高，現(xiàn)在多是利用那些因其他原因已被收集起來的現(xiàn)成材料，如木材加工和食品加工的廢棄物及城市的有機(jī)廢物。因此同風(fēng)能一樣，現(xiàn)階段生物能還不能直接用于綠色建筑的空調(diào)系統(tǒng)，而只能利用其轉(zhuǎn)化得到的二次能源電能。

5  自然能源在工程中的應(yīng)用實例