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实现更好的节能空调-技术和战略的探讨
K.J. Chua a,uArr;, S.K. Chou a, W.M. Yang a, J. Yan b,c
摘 要
空调对于保持室内环境的热舒适是必不可少的，尤其是在炎热和潮湿的气候条件下。今天，空调，已经成为商业和住宅建筑和工业过程中必不可少的，包括冷却和除湿。它占建筑物或设施能耗的主要部分。 在热带气候中，供暖，通风和空调（HVAC）消耗的能量可超过建筑物总能耗的50％。这个重要的原因主要是由于冷却技术的重任，以消除这两者显热和潜热负荷。 因此，提高整体效率具有巨大潜力建筑物中的空调系统。
基于当今的冷却实用技术，冷水机组的主要部件是（1）压缩机，（2）冷却塔，（3）泵（冷却水和冷却水）和（4）空气处理装置中的风扇。他们都主要消耗电力来运作。在指定工厂的kW / R吨时，有两个级别的冷却效率监控：（1）冷却机或消耗大量电力的压缩机的效率;（2）冷却装置的整体效率，包括冷却塔，用于将冷却剂（冷却水和冷却水）移至所有空气处理装置的泵。实际上，整体方法对于实现每次冷却的低能量输入是必要的，例如：考虑到冷却设备的各个方面，冷却或降低0.6 kW/R吨。
在本文中，我们回顾了最近创新的冷却技术和策略，可能会降低kW/R吨冷却系统 - 从现有的0.9 kW /R吨平均值0.6千瓦/吨或更低。该论文大致分为三个关键部分（见图2），首先回顾了最近的新型设备，这些设备提高了组件级冷却系统的能源效率。接下来是对创新冷却系统设计的回顾，以减少空调的能耗。最后，本文介绍了智能空气控制策略和智能冷却器排序方法的最新进展，这些方法降低了冷却的一次能源利用率。
本文描述的能源效率冷却技术，创新系统设计和智能控制策略最近已经研究或正在进行中。有几个已经在更大范围内实施，因此是可以容易地应用以满足特定需求的实际解决方案的示例
关键词：空调，能源效率，新颖的冷却技术，热电联产/三级联产，废热回
收
目 录
1. 介绍
世界能源使用正在以惊人的速度快速增长。这已经引起了对潜在供应困难，能源资源枯竭和加速环境影响（臭氧层消耗，全球变暖，气候变化等）的担忧。住宅和商业建筑能源消费的全球增长模式稳步攀升;在发达国家达到20％至40％的数据。事实上，它已超过其他主要部门，即工业和运输。造成这种增长的主要原因包括：（1）人口增长; （2）对建筑服务的需求增加;（3）需要更好的舒适度; （4）居住者在建筑物内停留的时间较长。毫无疑问，能源需求的崛起趋势将持续到未来。因此，提高建筑物的能源效率是当今全球能源政策制定者的首要目标。
暖通空调系统的能源使用增长尤为显着。例如，在美国，它占50％建筑消费约占总消费量的20％[1]。保持所需加热HVAC的能力被认为是现代技术最重要的成就之一。如今，空调已成为建筑，住宅和工业过程的必需品。事实上，它已成为住宅和非住宅领域最大的能源终端用途。此外，建筑环境中能源消耗和二氧化碳排放的不断增加使得能源效率和储蓄战略成为能源政策制定过程中的一个关键优先事项。一个明显的例子是欧洲建筑物能源性能指令[2]已提出更高的通风标准，空调系统的能源效率。总的来说，发达国家的暖通空调消耗几乎占建筑物能耗的一半，约占国家能源使用总量的五分之一[9]。未来的预测已经清楚地表明，在未来15年内，能源消耗和热调节区域将出现巨大增长[3]。预测的数字是惊人的50％增量。图1显示了新加坡和建筑行业最终消耗的典型用电量，占31％的份额，其中60％的用电量用于制冷[4]。在家庭部分中，大约四分之一的电力消耗与空调有关。新加坡约9650吉瓦时或近四分之一的总耗电量直接或间接归因于制冷应用。对于具有热带气候的国家而言，这样的统计数据并不令人惊讶，因为冷却设备需要进行大量的合理和潜在的冷却。本文的目的是回顾有关创新冷却技术和文献中可能降低KW/R吨冷却系统的策略的最新发展。
由于关于这一主题的文献现在很多并且迅速扩大，因此难以对该主题进行全面的综述。但是，我们打算审查大量文章，特别是最近的文章，以便在这个不断发展的多学科领域中对研究兴趣和方向进行有用的概述。我们通过记录气候变化对世界不同地区冷却能源影响的最新发现，开始撰写本评论文章。该评论大致分为三个关键类别（见图2），并将系统地组织。首先回顾一下最近的新型设备，这些设备可以提高组件级冷却系统的能源效率。
接下来是对创新冷却系统设计的回顾，以减少空调的能耗。最后，本文介绍了智能空气控制策略和智能冷却器排序方法的最新进展，这些方法降低了冷却的一次能源利用率。放在每个类别的体系下的是各个部分，详细介绍了各自领域的最新进展。我们始终认为，将每制冷吨位的能耗降至最低可能的主要目标。最近研究或正在进行研究中描述的几种能源效率冷却技术，创新系统设计和智能控制策略。有几个已经在更大范围内实施，因此是可以容易地应用以满足特定需求的实际解决方案的示例。
2. 气候变化对冷却能源的影响
全球能源使用及其对环境福祉的影响日益受到关注。政府间气候变化专门委员会（IPCC）委员会的报告提高了公众对能源使用的认识以及相应的环境影响[5]。 IPCC的报告有 同时也引起了人们对更深入和更好地理解建筑物能源使用特征的重要性的兴趣，特别是建筑物的能源模式如何变化。
主要天气条件[6]在2002年，估计全球建筑物占温室气体总排放量的约33％[7]。大多数建筑物可以被认为具有较长的寿命。其中一些可以持续50年或更长时间。因此，重要的是能够了解建筑物未来如何应对气候变化，并评估能源使用的可能变化，特别是空调中使用的能源。气候变化对室外温度升高的影响会影响室内温度较高的冷却能量和更严格的热舒适性要求。
在本节中，我们将简要概述气候变化如何影响全球建筑物的冷却能源趋势。Issac和Vuuren（2009）模拟了全球住宅部门在气候变化背景下对供暖和空调的能源需求[8]。他们的发现断言，空调的能源需求预计会在整个2000-2100期间迅速增加。在21世纪，空调的能源需求将迅速增长。计算和预测的增长从2000年接近300 TW/h，到2050年约为4000 TW/h，2100年超过10,000 TW/h [8]。与空调相关的最大能源消费者将来自发展中国家。此外，气候变化对空调的影响预计将导致能源需求飙升72％。
据估计，由于气候变化，住宅空调的能源需求可能会增加约 50％[8]。斯科特和黄（2007）在评估气候变化对美国能源生产和使用的影响时，分享了一些美国研究已经预测，由于气候变暖，商业建筑中的空间冷却所需的能量显着增加[9]。 主要研究表明，与相同温度升高的住宅部门相应的能源增长相比，美国商业空间冷却能耗的增加百分比对温度变化的敏感度较低。作为一个例子，罗森塔尔等人（1995年）发现住宅降温增加了20％，但商业部门降温仅增加了15％，温度升高了1℃[10]。相比之下，斯科特等人（2005）发现，对于商业而言，增加的范围为每1 C 9.4-15％，对于住宅用户，每1 C增加12-20％[11]。 Huang（2006）在国家层面的冷却能耗显示出类似的强力增长[12].
2020年，他的平均温度增加17％，温度增加1.7℃，或每1℃增加10％。用建筑能源模型进行的分析显示总体增长趋势高出10-15％每1 C冷却的电能[12]。
Huang（2006）还研究了4种不同IPCC气候变化情景下房屋冷却能量的变化[12]。他的研究特别关注到2020年气候变化对美国建筑物空间调节能源使用的技术影响。获得了不同状态的几个关键结果。例如，迈阿密和新奥尔良的单户住宅的冷却能源使用量预计将增加约20％。在北方或西方，预计降温的百分比增加。例如，预计旧金山的冷却能源使用量将增加100％，波士顿和芝加哥的冷却能源使用量将增加60％，纽约和丹佛的冷却能源使用量将增加50％[12]。另一项研究调查了由于气候变化导致的瑞士年冷却能源需求通过瞬态建筑能源模拟和利用苏黎世的每小时天气数据[13]。他强调，内部热量增加20-30 W / m2的建筑物的年冷却能源需求将增加223-1050％。
王等人研究了气候变化对澳大利亚五个区域气候中住宅的供暖和制冷（H / C）能源需求的潜在影响[14]。他们明智地选择了澳大利亚（爱丽斯泉，达尔文，霍巴特，墨尔本和澳大利亚悉尼）的主要地区，气候条件从凉爽的温带，温带，寒冷的冬天，温带，炎热干燥，寒冷的冬天到炎热潮湿。他们的研究得出的主要结果表明，对于冷却主导的炎热或温暖气候，如达尔文和爱丽斯泉，或H / C平衡温带气候，如悉尼，冷却能源需求的增加远远大于减少在应对全球变暖时的热能需求。从数量上看，一个五星级房屋的年度H / C能源需求，代表新住宅的平均能源效率，到2050年可能会从61％上升到101％，到2100年可能会上升到112-350％[14]。他们研究的另一个有趣的方面表明，更高能量的星级评级机构可能会遇到能量需求的绝对变化。然而，它们似乎在总H / C能量需求中具有更高的百分比变化。
这种观察在悉尼经历了H / C平衡的温带气候特别有效。当全球温度分别升高2℃和5℃时，7星级房屋的总H / C能源需求预计将增加120％和530％[14]。最近，为了研究亚热带气候变化对冷却能耗的影响，已经进行了一些研究[15,16]。 在研究气候变化对亚热带气候下住宅建筑围护结构冷负荷的影响时，Wong及其同事预测，2009 - 2100年期间的年冷负荷将达到6.1-9.8％[16]。 他们提出了几种务实的缓解方法来提高建筑物的能源效率。 这些措施包括提高室内温度，安装更好的隔热材料，使用双层玻璃和有色玻璃。 他们建议提高室内温度以获得最佳的缓解潜力，因为它可以很容易地应用于现有和新建筑物，无需额外费用。
3. 新型冷却装置
3.1 能量效率高的热量/质量交换器
最近，采用了一种新的革命性方法来提供热居住者的舒适感。提议的“破坏性”技术依赖于蒸发冷却理论的新基础浪潮，以开发最先进的直接/间接蒸发传热和传质（HMX），用于显热冷却。基于根本性突破的这项技术的先驱发明者是Maisotsenko博士[17]。因此，该技术被熟知称为M循环冷却技术。通过推动工程科学的边界，这种高度新颖的技术得以发展。从根本上说，露点HMX能够在接近露点温度的同时将空气冷却到湿球下方[17]。
图3显示了露点HMX的气流配置.M循环HMX的工作机理描述如下[17]。干燥侧的部分表面设计用于工作空气通过，其余部分分配给产品空气。产品和工作空气都沿着平行流动通道在干燥侧被引导流动。在保留工作空气的区域上有许多有规律地分布的孔，并且每个孔允许一定百分比的空气通过并进入板的湿侧。当空气沿干燥侧流动时，空气逐渐被输送到潮湿的一侧，在湿润的表面上形成均匀的气流分布。这种布
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