对空调制冷领域未来发展的思考

1对空调制冷领域未来发展的思考江亿清华大学建筑节能研究中心2010年4月7日主要内容主要内容ƒ目前空调制冷系统现状与需求ƒ空调制冷系统面临的主要问题ƒ可能的解决方案ƒ有待解决的核心关键技术我国的空调制冷市场需求我国的空调制冷市场需求ƒ舒适性空调：ƒ中央空调：全国～10亿m2，每年新建0.8亿m2，每年新增约5000MW冷量ƒ普通公建，全国60亿m2，每年新建3~5亿m2，分体机、多联机ƒ城镇住宅，全国120亿m2，每年新建6～8亿m2，分体机ƒ农村住宅，240亿m2，有些开始安装空调ƒ生产过程空调：ƒ全国城市和村镇实有工业厂房面积已达到50亿m2以上ƒ信息机房：目前全国空调装机总量在800万kW冷量以上，并飞速增长ƒ特殊要求的生产环境：超净、干燥，恒温ƒ大通风换气量空调：喷漆、卷烟厂ƒ制造过程空调我国的空调制冷市场需求我国的空调制冷市场需求ƒ民用建筑空调运行能耗：ƒ商业建筑的30％～60％ƒ住宅中的比例正在增加ƒ工业过程生产环境空调运行能耗：ƒ工业企业总能源耗量占全国能源消耗量的70%ƒ一些工艺中成为主要的生产能耗ƒ总的空调能耗：200~400W/m2，占到总能耗的35~50%节能减排的任务要求空调制冷系统能够通过技术创新大幅度降低能耗ƒ出口产品，在国际市场中的地位ƒ住宅空调在国际市场产量占主导地位，但属中低档产品ƒ空调末端在国际市场有一定份额，冷机出口很少通过技术创新，实现“中国创造”，引领全球市场传统空调制冷系统面临挑战传统空调制冷系统面临挑战ƒ冷凝除湿,7-12℃冷冻水承担房间所有的热、湿负荷。。排除显热的损失新风问题：或新风量不足，或过渡季新风不能充分利用输配系统：风机水泵电耗可达到空调总电耗一半或一多半末端形式：当既需要供热，有需要供冷时，末端形式？冷凝除湿：霉菌，空气质量问题空调制冷的发展方向空调制冷的发展方向ƒ不同功能建筑空间的热湿负荷特性不同，运行需求不同ƒ必须根据实际需求采用不同特点，形式完全不同的空调制冷方式ƒ民用建筑ƒ冬季夏季统一ƒ高温供冷低温供热ƒ温度湿度独立ƒ降低输送能耗ƒ集中与分散的统一ƒ充分保证的新风供应与有效的新风利用ƒ工业空调ƒ高显热负荷空调ƒ低热湿密度恒温恒湿空调ƒ大风量洁净空调民用建筑空调的发展方向民用建筑空调的发展方向ƒ典型问题：办公楼，学校ƒ特点：ƒ室内温湿度需同时控制ƒ满足室内人员新鲜空气ƒ以及排除人员产生CO2ƒ现有系统问题：ƒ一套通风换气系统同时控制新风，温度和湿度ƒ新风量不够，室内空气质量不佳；ƒ过渡季建筑物内部部分过冷部分过热，难以满足各区的温度控制需求；ƒ湿度不满足要求，过于潮湿或干燥，室内人员不适；ƒ解决上述问题需增加末端再热装置，空调能耗增加50~150%ƒ可能实现的途径：ƒ温度湿度独立的空调方式，以应对热湿比的大幅度变化，避免再热，提高舒适性温、湿度独立控制空调系统组成温、湿度独立控制空调系统组成16~20℃,8g/kg高温冷源15~19℃冷水干式风机盘管辐射吊顶,地板送风末端根据人数控制新风量—房间湿度控制控制风盘风机转速,i.e.-房间温度控制房间干燥新风显热去除末端溶液除湿新风机组（热泵驱动）溶液除湿新风机组（热泵驱动）ƒ新风机：ƒ产生干燥新风：8g/kg，～20℃，带走人员热湿ƒ全热回收排风热湿溶液除湿新风机组（热泵驱动）溶液除湿新风机组（热泵驱动）冷却除湿深度除湿全热回收加湿工况新风温度(°C)36.022.822.835.96.44.3新风含湿量(g/kg)24.68.68.626.72.11.6送风温度(°C)17.316.111.930.422.525.6送风含湿量(g/kg)8.65.13.419.57.210.7回风温度(°C)26.033.226.326.120.522.1回风含湿量(g/kg)12.218.316.312.14.05.1排风温度(°C)39.143.942.232.67.06.6排风含湿量(g/kg)37.323.424.120.32.72.9COP5.002.321.7462.5%6.24.6固体转轮除湿新风机组固体转轮除湿新风机组怎样排除显热？怎样排除显热？ƒ利用地下埋管换热器ƒ地下水循环ƒ高温冷水机组ƒ高蒸发温度直接蒸发式民用建筑空调的发展方向民用建筑空调的发展方向新风机组VRF室外机新风静压箱VRF室内机ƒ高蒸发温度的多联机调节房间温度ƒ蒸发温度：～15℃ƒ室内机变频调风量调节室温ƒ冬夏兼顾，如何解决冬夏要求压缩比的不同？民用建筑空调的发展方向民用建筑空调的发展方向ƒ典型问题：长江流域住宅（分户独立）夏夏热热冬冷地区冬冷地区温和地区温和地区昆明8.9℃贵阳5.7℃成都5.8℃上海4.5℃长沙5.5℃福州11.4℃南昌5.9℃武汉4.7℃合肥3.0℃南京2.2℃民用建筑空调的发展方向民用建筑空调的发展方向ƒ特点：ƒ冬季室外温度接近0℃，需要采暖ƒ夏季炎热，潮湿，需要降温、除湿ƒ根据住宅的特点，应分户、分室的系统方式，实现“部分时间、部分空间”的环境控制ƒ目前采用空气源热泵，电耗在10～20kWh/m2，应能维持这一能耗水平，但大幅度改善冬夏室内环境状况民用建筑空调的发展方向民用建筑空调的发展方向ƒ典型问题：长江流域住宅（分户独立）ƒ可能实现的途径：ƒ冬夏统一的末端形式：地板/屋顶辐射＋新风ƒ风冷热泵：ƒ冬季：室外－5℃，热水35℃ƒ夏季：室外35℃，冷水18℃，新风除湿：7℃ƒ如何产生不同的压缩比？双压机？补气/抽气？ƒ带有热回收和除湿功能的新风机？ƒ采用半导体制冷的辐射末端ƒ采用固体吸湿剂和转换式热泵的全热回收新风机（日本大金的最新产品）民用建筑空调的发展方向民用建筑空调的发展方向ƒ采用固体吸湿剂和转换式热泵的全热回收新风机（日本大金的最新产品）ƒ热回收ƒ除湿床和制冷设备结合ƒ再生温度低，约40℃ƒ3~5分钟转换一次民用建筑空调的发展方向民用建筑空调的发展方向ƒ典型问题：高大空间，如机场、车站ƒ特点ƒ单一室内空间体积大（1万m3以上）ƒ净空高（10m以上）ƒ室内人员密度变化大（0.5m2/人~30m2/人）ƒ人员活动集中在地表面附近（2m)ƒ太阳辐射可能直接进入室内空间ƒ现有系统问题ƒ全空气系统，空间上部或者中部射流喷口送风ƒ全面控制室内空间热湿环境，夏季空调冷量消耗大，冬季垂直温差大ƒ全年风机电耗高ƒ可能解决途径ƒ温度湿度独立控制的空调方式，以应对变化的人员密度ƒ分区空调，只维持人员活动区的热湿环境ƒ采用局部末端方式提供冷热量，降低风机电耗18民用建筑空调的发展方向民用建筑空调的发展方向ƒ已在曼谷机场实现，准备在咸阳T3航站楼使用：地板辐射辅之以落地式风机盘管均流板新风送风高温冷水盘管地面辐射工业建筑空调的发展方向工业建筑空调的发展方向ƒ典型问题：高显热负荷的空调，如数据中心，信息机房ƒ特点ƒ设备集成度高，发热量大ƒ全年365×24小时连续运行ƒ无人员，无产湿，不需要新风ƒ环境要求ƒ工作温度范围：5-40℃ƒ相对湿度：30-70%ƒ空气洁净度高ƒ目前状况：全年制冷运行，冷凝降温除湿，电加热器再加湿0%10%20%30%40%50%60%52%38%9%1%数据中心能耗比例图IT设备散热UPS照明ƒ可能解决途径：ƒ尽量利用室外低温：干球温度，湿球，露点ƒ采用分离式热管从机房把热量导出ƒ小型机房：直接与室外换热，辅之以机械制冷ƒ大型机房：～20℃的水冷，用冷却塔制备，或由高温冷水机制备ƒ另外安装独立的小型除湿机、加湿机解决湿度问题工业建筑空调的发展方向工业建筑空调的发展方向ƒ典型问题：高显热负荷的空调，如数据中心，信息机房21通讯设备室内气流室外室外机室内机ƒ分离式热管换热效率高ƒ室内、外完全隔离、无新风引入，保证室内洁净度及湿度要求，无冷凝水ƒ无压缩机。系统内冷媒通过自适应的热力平衡形成回路，能耗小ƒ运动部件少，只有室内、外的两个风机，耗能低、维护简单工业建筑空调的发展方向工业建筑空调的发展方向ƒ典型问题：低热湿负荷的恒温恒湿间，如文物室，档案室ƒ特点：ƒ全密闭，很少人员进入ƒ极少的围护结构热负荷和新风负荷ƒ目前问题：ƒ恒温恒湿机组常年连续运行ƒ冷凝降温除湿，再热，再加湿ƒ风机电耗高ƒ解决途径：ƒ高蒸发温度的多联机系统，恒定送风温度，通过改变末端风量调节室温，避免除湿结露现象ƒ新风机，可以有效控制湿度，在～20℃的送风，根据进入室内人员的数量和室内湿度，适当运行ƒ效果：完全避免再热，再加湿现象，运行能耗降低一半以上ƒ要求：冬夏季多联机压缩比不同，如何高效地满足？工业建筑空调的发展方向工业建筑空调的发展方向ƒ典型问题：恒温恒湿要求的洁净室ƒ特点：ƒ温湿度控制，洁净度控制ƒ正压及气体污染物控制：大风量新风与排风ƒ热湿负荷主要来自新风ƒ目前问题：ƒ常规空调系统形式+带高效过滤器的循环风机ƒ冷热抵消造成能源浪费ƒ冬季加湿能耗过大ƒ冷凝除湿能源品位浪费ƒ室内空气品质问题（凝水表面）ƒ输配系统复杂，能耗高ƒ解决途径：ƒ单独的新风机提供干燥新风，解决室内湿度控制问题ƒ高温冷水盘管，通过部分循环风，控制温度ƒ实现温度，湿度，洁净度的分别独立控制ƒ杜绝再热，再加湿常规新风机组夏季空气处理过程常规空调系统应用形式需要研究开发的新型设备需要研究开发的新型设备ƒ高效的高温冷水制备途径：18～20℃ƒ高温冷水机，COP～10ƒ干燥地区的间接蒸发冷却：露点温度＋2Kƒ地下埋管换热器ƒ？ƒ可高效地改变压缩比的压机ƒ1MW以上：离心机？通过变转速和入口导叶，改变压比ƒ100kW～1MW：小型磁悬浮离心机，变转速，变导叶？ƒ100kW以下：新型结构的压机？双压机？补气/抽气？ƒ线型压缩机？ƒ新型制冷技术ƒ热声制冷技术ƒ磁制冷技术ƒ吸附制冷技术ƒ？需要研究开发的设备需要研究开发的设备ƒ高蒸发温度的多联机系统ƒ蒸发温度～15℃，变风量调室温，COP～8ƒ如何适应冬季、夏季的不同工况？ƒ另一侧为水冷/热的多联机系统ƒ夏季连接冷却塔，冬季通过不同的方式提供～15℃的热水ƒ住宅单元的一体化机组ƒ冬季热水，夏季高温冷水和干燥新风需要研究开发的设备需要研究开发的设备ƒ带热回收和不带热回收的新风处理机ƒ能有效的除湿，到6～8克ƒ送风温度在～20℃ƒ全热回收排风能量ƒ目前的状况ƒ溶液调湿新风机组：中国，美国，日本，以色列，德国ƒ转换式固体吸湿热泵式全热回收机组：日本大金ƒ转轮式：ƒ薄膜式：目前，薄膜是固体式全热回收器的关键，华南理工解决了薄膜的传湿小于传热效率的问题，使得薄膜全热回收器的湿度回收能力有了较大幅度的提高需要研究开发的设备需要研究开发的设备ƒ辐射末端装置ƒ吸收显热负荷的冷梁ƒ置换送风方式ƒ干式风末端：ƒ干式风机盘管，ƒ直接蒸发式末端ƒ热管末端ƒ带有半导体制冷的辐射末端ƒMIT在半导体制冷上有重大突破ƒ冬夏统一的末端装置ƒ冬季：水温～30℃，室温20℃，温差10K，负荷40W/m2ƒ夏季：水温～18℃，室温26℃，温差8K，显热负荷40W/m2ƒ怎样使夏季的换热能力大于冬季？需要研究开发的设备需要研究开发的设备ƒ用空气循环输送热/冷量？ƒ用水循环输送热/冷量？ƒ通过热管输配热量或冷量的输配系统发展具有我国特色的制冷空调技术发展具有我国特色的制冷空调技术ƒ我国目前实际的建筑能耗大多低于发达国家实际状况ƒ我们的任务是在维持目前能耗水平或进一步降低实际能耗的前提下尽可能改善室内热环境状况ƒ这就必然需要走与发达国家不同的技术路线，也需要研发、创新相应的系统和设备我国制冷空调行业的机遇与挑战我国制冷空调行业的机遇与挑战ƒ全人类前所未有的关注建筑节能和减排ƒ世界的未来最多维持我国目前的建筑能耗水平，全人类决不可能按照西方国家目前的建筑能耗水平实现其现代化ƒ我国发展出来的新模式很可能将成为发展中国家通向现代化的模式ƒ我国在制冷空调行业已经是世界大国ƒ应该在节能减排和应对气候变化的全球行动中发展成为世界的空调制冷强国谢谢！31