| 摘 要：绿色建筑是二十一世纪建筑行业的发展方向，这要求空调系统尽量采用太阳能、地热、风能、生物能等自然能源驱动。在我国，这些自然能源都有充足的储量，因此绿色建筑中的空调应用技术就显得非常重要。本文论述了现阶段，自然能源在绿色建筑的空调系统中的应用方法。其中，吸收式与吸附式制冷技术是可以利用太阳能与地热的主要空调技术，提高它们性能是目前重要的研究方向；而风能与生物能，现阶段还不能直接应用于空调系统。 |
| 关 键 词： 绿色建筑 自然能源 制冷 空调 |
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 21st 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
Key words：green architecture，natural energy，refrigeration，air conditioning
1 引言
1999年，国际建筑师协会第二十届世界建筑师大会发布《北京宪章》，可持续发展作为建筑师和工程师在新世纪中的工作准则已逐渐被广泛接受。在发达国家，自60年代提出了“绿色建筑”的理念，通过不断采用新技术、新材料、新设备、新工艺、新方法，实行综合优化设计，由理念到实践，逐步完善。近年来，在我国建筑市场上，“绿色建筑”的概念也逐渐升温，一些房地产开发商争打“绿色牌”，纷纷推出“绿色建筑”。
启动于2002年10月的“绿色奥运建筑评估体系研究”课题，已建立起绿色奥运建筑评估体系，分别从环境、能源、水资源、材料与资源、室内环境质量等方面进行评估，指导未来“绿色建筑”的发展。“绿色建筑”评价设有数百条标准，在最关键的六大要点中，其中一条是否采取了各种节能措施，以有效减少能源的消耗，是否尽可能地采用了如太阳能、地热、风能、生物能等自然能源。
我国太阳能、地热、风能、生物能等自然能源都有充足的储量，采用太阳能、地热能的中央空调系统最近几年得到了一些应用，国外这方面的项目也屡见报道。作为空调行业的从业人员，积极响应政府提倡发展循环经济的号召，认真思考和总结“绿色建筑”中如何利用空调技术具有非常重要的现实意义。
国内利用自然能源的空调技术应用在建筑工程中还不普遍，应用的规模也不太大，这主要有以下几方面的原因：（1）我国利用自然能源技术的生产和开发企业介入比较迟，著名的企业主要市场也集中在欧美。（2）在工程应用领域没得到推广，采用此技术的是个别案例，主要依赖于科研能力强的个别科研、设计单位推广和应用。（3）广大一线设计和工程领域的专业人士对自然能源技术空调技术中的应用基理了解的不多，应用意识不强。本文就自然能源在空调技术中的应用进行论述，希望对工程设计人员了解自然能源在空调系统中的应用有些裨益。
2 地热
地热来源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变，是来自地球深处的可再生热能。通过地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组份。
当前，地热空调技术的研究和应用已在我国取得了一定的进展，多是采用地球表面浅层包括地下水、土壤和地表水等地热资源，驱动可采暖又可供冷的高效节能环保空调系统。例如，北京奥林匹克公司将要打10口地热井，运动员村和记者村有40万m2面积使用地热空调，同时地热水还将用于加热和淋浴。地热资源只要利用得当，既可持续发展，又能保护生态环境的完整性。
地热用于空调，现在主要有两个方式。（1）利用通过打井找到正在上喷的天然高温热水流，利用蒸汽动力发电。这样把热能转化为电能，用二次能源来驱动空调制冷设备。（2）地热的直接应用，热水流直接供给，用于采暖、空调、生活热水等综合利用。
对于空调系统，有两种方法。（1）利用低温段地热，采用电能驱动的地热热泵空调系统；（2）利用中高温段地热，采用热能驱动的吸收式制冷。由于现阶段地热主要通过地下水为载体，因此地热空调的缺点是主要受地区地下水资源的限制。
|
典型的地热热泵空调系统由压缩机、地热热交换器（水—制冷剂热交换器）、水泵、室内热交换器（制冷剂—水或制冷剂—空气热交换器）、节流装置和电气控制设备等部件组成。虽然其结构类型多样，但主要基本部件是这三大部分：室外地热能换热器系统、水源热泵机组和室内空调末端系统。其中水源热泵是利用水作为冷热源的热泵，而地热空调系统则是通 |
图1 地热热泵空调系统示意图 |
|
过水这一介质与地热资源进行冷热交换后作为水源热泵的冷热源，其中与建筑物空调末端系统的换热介质是水或者空气。利用地热热泵空调系统供暖和供热，其运行费用可比用天然气或直接用电节省30-70%。 | |
地热驱动吸收式制冷的原理与太阳能吸收式制冷系统原理相同，也是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术，只不过驱动热源是地热热水。吸收式地热空调制冷，利用了对大气没有污染的可再生的地热水资源，性能系数COP可达到0.4，大大节约了电力和相应的成本费用。在夏天进行制冷，热驱动吸收式制冷机使用65
3 太阳能
太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能的特点是取之不尽、用之不竭、随处可得、廉价、无污染且安全。利用太阳能作为能源的空调系统，它的优势在于太阳能辐射越是强烈，环境气温越高，太阳能空调越能满足空调环境的制冷要求。同时，除循环用电能外没有其它电能输入，城市大气温度的热岛效应远小于现在普遍使用的电能驱动空调系统。另一方面，太阳能空调既能节约能源，其制冷循环工质也不会破坏大气臭氧层及产生温室效应。
太阳能空调的实现有两种方式：（1）通过光-电转换，利用光生伏打效应使太阳能转化成电能，再用电能驱动常规压缩式制冷机进行制冷；（2）利用太阳集热器收集热能，用热能驱动进行制冷。
对于前者，由于大功率太阳能发电技术目前实用性较差，且昂贵价格，并未广泛使用。例如采用转换效率17.4%的单结晶太阳能电池模块，输出功率为3kw的发电系统，价格约合人民币14.5万。而利用太阳的热能驱动进行制冷，虽然集热与制冷技术要求高，但成本低、无噪音、无污染。随着太阳能集热器和制冷机方面取得了迅猛发展，太阳能空调主要采用这种方式。现在，玻璃真空太阳能集热器热效率高达95％。这种消耗热能作为补偿实现制冷的太阳能空调，一般又可分为吸收式和吸附式两种。
|
吸收式制冷技术是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术，根据溶液在一定条件下能析出低沸点组分的蒸气，在另一条件下又能强烈吸收低沸点组分的蒸汽这一特性完成制冷循环。根据吸收剂的不同，分为氨－水吸收式制冷和溴化锂－水吸收式制冷两种。它以太阳能集热器收集太阳能产生热水或热空气，再用太阳能热水或热空气代替锅炉热水输入制冷机中制冷。由于造价、工艺、效率等方面的原因，这种制冷机不宜做得太小。所以，采用这种技术的太阳能空调系统一般适用于中央空调，系统需要有一定的规模。例如，中科院广州能源研究所研制成功的实用型吸收式太阳能空调系统，采用 |
图2 吸收式太阳能空调示意图 | |
|
太阳能吸附式制冷是利用固体吸附剂（例如沸石分子筛、硅胶、活性炭、氯化钙等）对制冷剂（水、甲醇、氨等）的吸附（或化学吸收）和解吸作用实现制冷循环的。吸附剂的再生温度可在80— |
图3 吸附式太阳能空调示意图 | |
除了太阳能空调现在采用的两种主要形式外，现在其它形式的太阳能空调系统也在研究发展中。其中，太阳能压缩式空调系统，是以太阳能作为能源的蒸汽机代替压缩式制冷机，当无冷负荷或冷负荷较小时，集热器供给的多余热能可转变为电能输出。缺点是多了各种机械损失，性能系数较低，而且容量越小，系统的效率就越低。在欧美地区，正在开展研究的被动式太阳能空调系统，则不需要装配制冷机，只是在建筑设计时适当考虑采阳的问题，尽可能在不影响采光的情况下，使房屋内入射的太阳辐射减少。由于依赖于周围环境系统与设计师的良好设计，投资费用低，更加接近大自然，比较容易被高端用户欢迎。
总的来说，太阳能空调系统多是建立在太阳能集热器基础上，因此普遍效率低、价格高，并且受时效影响，需要很好的蓄热系统。对于居住相对集中的楼房来说，如果楼房的设计没有考虑到太阳能空调，集热器的安装将受到很大的限制。但是，经过几十年的发展，随着科技的进步和经济的发展对能源与环境提出了更高的要求，太阳能空调技术已经开始迈入实用化阶段，并逐渐走入了市场。随着太阳能空调系统设计制造的软硬件系统、技术标准、配套设备的发展，紧紧依托绿色建筑这个发展的建筑市场，太阳能空调一定会有很大的发展。
4 风能与生物能
风力发电不消耗资源、不污染环境，作为一种无污染和可再生的新能源，具有广阔的发展前景。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。然而，风能主要分布在西北、华北地区和东北的草原，以及东部和东南沿海及岛屿。这些地区一般是交通不便的边远山区，或者是地广人稀的草原牧场。对于空调系统需求量大的城市地区，目前仅仅能做为提供电能的一种途径。将风能直接用于绿色建筑的空调系统，现在还没有一个可利用的有效方法。
生物能是第四大能源，是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用。在各种可再生能源中，是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。
然而，生物能由于存在于生物质中，分布稀散，能量密度较低，而且相对水份含量较大。因此，大量收集生物质费用很高，现在多是利用那些因其他原因已被收集起来的现成材料，如木材加工和食品加工的废弃物及城市的有机废物。因此同风能一样，现阶段生物能还不能直接用于绿色建筑的空调系统，而只能利用其转化得到的二次能源电能。
5 自然能源在工程中的应用实例
以上部分对地热、太阳能、风能与生物能的工作原理和应用机理做了简明的介绍，地热和太阳能在空调应用技术中的技术方案和研究也比较多，文献[12]、[13]介绍了太阳能在现实工程中的应用。太阳能的工程实例比较少，而利用地热的地源热泵的工程实例已经非常丰富，本文列举太阳能结合地热方面的工程应用的实例“奥运新能源综合利用建筑示范项目”，为大规模推广积累经验和应用基础。
科技部和中国科学院、北京市科委联合在北京大兴结合天普新能源示范大楼的建设，实施了国家“十五”科技攻关项目“大型太阳能空调/热泵系统示范”——即“奥运新能源综合利用建筑示范项目”，应用并取得成功。
空调系统由太阳能集热器阵列、溴化锂制冷机、地源热泵机组、蓄能水池、自动控制系统等几大部分组成。建筑空调末端采用了地板辐射供冷/暖的方式，在房间地板、顶板和部分墙面预埋了供热、供冷盘管。
冷源采用一台200KW热水型溴化锂吸收式制冷机，其中考虑到系统担负建筑物冬季采暖，夏季空调的任务，要求辅助系统能够制冷、制热，系统采用了一台地源热泵机组作为辅助能源系统。
系统主要技术参数如下：(1)集热器总采光面积：
经过夏、秋、冬三季的运行，系统工作稳定、高效、可靠，冬夏季节集热效率分别达到了20%-40%以上。太阳能制冷机的制冷能力最高达到了266KW，COP值最高超过了0.8，在高效真空管集热器配合下，系统总的制冷效率可高达33%。
该系统在太阳能与建筑一体化方面作了成功的尝试，是目前国内规模最大的太阳能空调系统，新能源示范大楼也是目前国内新能源贡献率最大的建筑物之一，将为太阳能热利用技术在国内的推广应用起到积极的示范和推动作用，同时该系统也将地热应用到了空调系统，采用了地源热泵作为辅助冷、热源。
6 结论
（1）现阶段，面向绿色建筑已成功使用的空调系统，其驱动能源是太阳能与地热能，在国内已经有推广和使用。由于它们属于较低温度段的能源，吸收式制冷与吸附式制冷是常利用的空调制冷技术。国家科技攻关计划项目—奥运新能源综合利用建筑示范项目，是高温热泵技术与太阳能技术的结合。
（2）地热的缺点是主要受地区地下水资源的限制，太阳能的主要缺点是具有不稳定性，还需要一定的辅助装置。
（3）风能与生物能由于其自身特点，目前仅可转换为电能后才能驱动制冷空调系统，尤其是生物能目前还无法规模使用。
总之，绿色建筑是二十一世纪建筑行业发展的方向，面向于该领域的空调技术有着广阔的发展空间。
参考文献：
[1]. 吴业正，韩宝琦. 制冷原理及设备[M]. 西安：西安交通大学出版社，1997
[2]. 王如竹. 吸附式制冷新技术[C]. 制冷空调新技术进展. 上海：上海交通大学出版社，2001：18～26
[3]. 李戬洪，马伟斌，江晴，黄志诚，夏文慧. 100kW太阳能制冷空调系统[J]. 太阳能学报，1999（3）：239～243
[4]. 郑艺华. 太阳能空调技术开发利用的评价[J]. 节能，2001（1）：44~46
[5]. 杨翔翔，黄昀肪. 太阳能空调系统研究（上篇）[J]. 黎明职业大学学报，1999（3）：44～50
[6]. 杨翔翔，黄昀肪. 太阳能空调系统研究（下篇）[J]. 黎明职业大学学报，1999（4）：55～60
[7]. 曹毅然，张小松，鲍鹤灵. 太阳能驱动的压缩吸收式复合制冷循环分析[J]. 流体机械，2002（10）：51～53
[8]. 朱兴旺，时阳. 开式吸附式太阳能空调系统分析[J]. 郑州轻工业学院学报（自然科学版），2003（9）：8～10
[9]. 朱龙惠，郭开华，樊栓狮. 地热热泵和制冷新技术及其在低温地热利用中的应用[C]. 全国清洁能源技术研讨会论文集，1999
[10]. 戴源德，韩道福，徐明发. 地热空调的研究现状及应用前景[J]. 节能，2002（12）：7～9
[11]. 李汉炎，张启. 地热能利用回顾与展望[J]. 太阳能学报，1999（特刊）
[12]. 金洪文，李颖. 太阳能空调的可行性研究. 长春工程学院学报（自然科学版）2002年第3卷第3期
[13]. 李戬洪，李宝山. 大型太阳能空调/热泵系统的示范应用. 可再生能源，2004年第4期
通风设备网：http://www.tfsb.net