自然能源應用于供熱空調的潛力評價方法.pdf

1、自然能源應用于供熱空調的潛力評價方法李先庭清華大學 建筑學院 建筑科學技術系2023/04/082目 錄l1.研究背景l2.常見自然能源利用形式l3.自然能源節能潛力評價方法l4.不同種類自然能源應用潛力比較l5.自然能源應用效果案例分析l6.總結3城鎮建筑面積快速增長p建筑面積快速增長p建筑能耗增速快p空調能耗占比最大 數據來源:清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告.北京：中國建筑工業出版社,2020.空調能耗占比大建筑能耗快速增長中國建筑能耗快速增長p中國是目前世界上溫室氣體排放量最大的國家4發達程度中國發達國家人均能源消耗量中國如果走發達國家的能源發展模式，將出現災難性

2、的后果1 Hu S,Jiang Y,Yan D(2022).China Building Energy Use and Carbon Emission Yearbook 2021:A Roadmap to Carbon Neutrality by 2060.Singapore:Springer Nature.中國建筑節能不能沿襲發達國家的做法5p巴黎協定：世紀末全球溫升2Kp習主席宣示中國氣候行動目標：2030年碳達峰，2060年碳中和p中國能源消耗總量控制(2050)江億院士報告指出：在2050年，我國人均CO2排放量從目前的7噸/人降低到2噸/人。CO2 減排總量100 億t30 億tp發

3、展建筑節能，空調系統節能是關鍵一環1 江億.中國城市能源 2050 J.新能源經貿觀察，2017(07)：26-27.綠色低碳轉型之路6 各種負荷均用機械能源進行處理 致力于提高機械冷熱源效率空調系統的常規做法7 常見自然能源的種類和形式有多種，可應用的位置也有多種 自然環境存在直接供冷/供熱的巨大潛力 高效利用自然能源營造室內環境節能潛力巨大COP空調能耗E=+COP高品位源（4）多種自然能源（30）高品位低品位自然能源具備降低供熱空調能耗的巨大潛力8目 錄l1.研究背景l2.常見自然能源利用形式l3.自然能源節能潛力評價方法l4.不同種類自然能源應用潛力比較l5.自然能源應用效果案例分析l

4、6.總結9直接利用空氣干球溫度通風降溫自然通風機械通風混合通風 自然通風是免費能源，對建筑的開口，體型、布局等設計要求較高。通風效果受通風量和通風溫度影響，不同地區的通風效果不相同。從舒適度的要求來看，擴展熱舒適標準時，通風的保障時間能夠進一步延長，當對熱舒適標準要求較高時，通風的保障時間會大大縮短。10利用淺層地熱能對新風進行預冷/預熱地埋風管地道風地埋管新風新風處理1主要有以下三種形式:六、七十年代利用閑置的人防地道系統簡單、充分利用淺表層地熱能地道表面結露、霉菌等大多用于建筑直接通風降溫直接將風管埋于地下，埋深 510m 地道復雜，初投資大，風機能耗高風管內表面結露、霉菌等結合地道風的優

5、點和不足，采用地埋管采集冷熱水與空調箱相結合的新風預處理系統1高效利用淺層地熱能，降低霉菌風險，降低投資1 呂偉華,李先庭.淺表層地熱能用于新風預處理的節能潛力分析J.建筑科學,2019,35(06):116-121.11利用干空氣能的蒸發冷卻冷風/冷水技術蒸發冷卻冷風蒸發冷卻冷水直接蒸發冷卻器間接蒸發冷卻器濕球效率小于1露點間接蒸發冷卻器濕球效率可大于1復合蒸發冷卻空調機組噴水室蒸發冷卻冷水機組蒸發冷卻技術綠色節能，設備形式多樣，應用廣泛在氣候干燥地區能取代傳統空調使用與機械冷源相結合，降低機械冷源系統容量，節約運行費用12太陽能供熱技術用戶熱泵熱水機組熱水太陽能集熱器電能輔助熱源用戶熱水太

6、陽能集熱器輔助熱源 太陽能集熱器直接制熱 太陽能熱泵制熱太陽輻射強時，直接制熱太陽輻射較弱或無太陽輻射時，需采用輔助熱源（電加熱或鍋爐等）輔助熱源供熱量往往遠多于太陽能供熱量太陽輻射較弱時，可通過熱泵制熱無太陽輻射時，仍然需要采用輔助熱源（電加熱或鍋爐等）系統總能效不高13天空輻射制冷技術1 Goldstein,et al.Sub-ambient non-evaporative fluid cooling with the skyJ.Nature Energy(2017):17143.2 嚴天.自力式能量輸運的套管封裝相變墻體系統熱特性研究D.華中科技大學,2021.將雙折射率聚合物冷卻材料與

7、盤管集成，制成輻射冷卻模塊并通過板式換熱器與空調系統進行耦合制取的冷水溫度低于環境溫度51白天利用套管封裝相變材料蓄能隔熱，攔截室外熱量進入室內夜間通過輻射冷卻器在重力熱管作用下實現相變墻體自力式排熱2 日間輻射冷卻 夜間輻射冷卻14空氣-水換熱器冷卻塔太陽能集熱器水-水換熱器地埋管換熱器空氣干球溫度江河湖海太陽土壤空氣濕球溫度 風機盤管 地板輻射 散熱器采集裝置與室內末端相結合采集合適溫度的冷/熱水對室內供冷/熱15嵌管窗嵌管墻空氣源土壤源等與低品位能源結合主動利用自然能源的嵌管式圍護結構，性能可調，具有較大的節能潛力，主要包括嵌管墻和嵌管窗嵌管式圍護結構依靠水流動處理圍護結構負荷，節能潛力

8、顯著高于傳統思路，可調節性更強。窗戶作為圍護結構傳熱的薄弱環節，嵌管窗能高效攔截太陽輻射80%以上，顯著降低空調系統的尖峰負荷以及系統負荷1。1 Chong Shen,Xianting Li.Thermal performance of double skin faade with built-in pipes utilizing evaporative cooling water in cooling seasonJ.Solar Energy.2016,137:55-65.利用自然能源處理圍護結構負荷16室內冷卻/加熱預冷/預熱新風冷卻/加熱圍護結構 自然通風、機械通風 蒸發冷卻處理新風 雙

9、層玻璃幕墻 直接/間接蒸發冷卻通風 地道風 嵌管圍護結構結合冷卻塔 冷卻塔免費供冷 土壤新風系統 嵌管圍護結構結合地埋管 地埋管免費供冷 地埋管新風處理 嵌管圍護結構結合輻射冷卻器 太陽能供熱 太陽能新風處理 嵌管圍護結構結合太陽能集熱器生產低品位冷/熱風、低品位冷/熱水主要自然能源利用方式按位置分類17目 錄l1.研究背景l2.常見自然能源利用形式l3.自然能源節能潛力評價方法l4.不同種類自然能源應用潛力比較l5.自然能源應用效果案例分析l6.總結18自然通風 結合具體案例，建筑通風系統模擬，計算自然室溫 通用評價方法：度時數，度量自然通風在不同地區的氣候適應性機械通風機械通風通常與空調箱

10、結合，由空調箱控制器根據室外空氣溫濕度，控制新風閥開度，當時外空氣的焓值較小，供冷系數大于冷機的能效，開啟全新風運行模式。COPMV=(COP1 Ghiaus C,Allard F.Potential for free-cooling by ventilation.Solar Energy.2006;80:402-13.現有自然能源利用效果研究方法19蒸發冷卻通風/蒸發冷卻冷水機組 采用室外設計濕球溫度作為劃分蒸發冷卻技術氣候適應性的重要指標 對給定的蒸發冷卻新風系統進行性能模擬或實驗研究：出風/水溫度、制冷量、供冷季節耗電量、COP，COP大于傳統冷機認為節能=(S=現有自然能源利用效果研究

11、方法20利用自然能源的嵌管式圍護結構建立嵌管式圍護結構的傳熱計算模型，研究不同管間距、流速時，嵌管式圍護結構降低負荷和節能的效果，根據經驗采用輸配系數估算能耗 對采用自然能源結合嵌管式圍護結構的空調系統進行動態模擬，例如Li 等1利用TRNSYS平臺研究了采用嵌管式外墻的辦公建筑在不同氣候區的節能效果。pipepipepipepipeoutQQPWTFEER,tra,roomroom PWpipeQQCOPP現有自然能源利用效果研究方法1 Weihua Lv,Chong Shen,Xianting Li.Energy Efficiency of an Air Conditioning Syst

12、em Coupled with a Pipe-Embedded Wall and Mechanical Ventilation.Journal of Building Engineering.2018,15:229-235.21 其他自然能源利用方式的潛力研究 系統設計之前：與冷機熱泵系統比能效，不能反應節能效果 系統設計之后：針對具體設計對象，進行節能效果分析 自然通風節能潛力研究：系統設計之前：度時數評價方法：換熱溫差 系統設計之后：針對具體設計對象，進行詳細的應用效果分析 如何在設計之前就能對其他自然能源利用效果進行評價？不同自然能源種類不同利用方式之間如何進行評價？現有自然能源利用效果

13、研究方法22度時數用于評價自然通風在不同地區的節能潛力有溫差就節能,=max(,0)rooma iDHtt度時數能反應換熱能力p 采用度時數評價機械通風和蒸發冷卻等有能耗的利用方式時存在的問題DH_IEV DH_DEV 036912151315182223度時數（.h）濕球溫度（）直接蒸發冷卻露點間接蒸發冷卻04812162024283236400481216202447101316192225COP_MV度時數（.h）通風溫度（）DH_MVCOP_MVDH_NV=DH_MV 矛盾矛盾度時數概念及其不足23以此度量自然能源利用系統相對于機械冷熱源的節能潛力被處理負荷自然能源系統能耗機械能源系統

14、能耗節能量自然能源系統機械能源系統方案一方案二nEmEmnEE自然能源節能潛力評價思路24機械通風等有能耗的自然能源利用方式呢？如何評價是否節能？與采用機械冷熱源的系統能效相比高于機械冷熱源的部分是節能p 評價節能的比較基準：修正度時數度量相對于機械冷熱源的節能潛力 能效修正系數：機械冷熱源能效自然冷熱源能效()/=1-nnnnmmmnmnnQQQCOPCOPCOPCOPCOPCOPCOPCOP能量利用系數自然能源利用位置用在室內用來處理新風用在圍護結構能量利用系數11小于1自然通風：1修正度時數概念和方法2500.10.20.30.40.50.60.70.80.901234567815182

15、223修正系數修正度時數（.h）濕球溫度（）RDH_DEVRDH_IEV修正系數_DEV修正系數_IEV00.10.20.30.40.50.60.70.80.91051015202547101316192225機械通風修正系數修正度時數（.h）通風溫度（）自然通風機械通風機械通風修正系數供冷時供熱時,=max(max(1,0)mCbase ine iin iCOPRDHttCOP-,0),=max(max(1,0)mHne ibase iin iCOPRDHttCOP-,0)=RDH DH 修正度時數的一般表達式：采用修正度時數評價機械通風和蒸發冷卻等有能耗的利用方式的合理性修正度時數概念和方

16、法26 修正度時數的簡化計算式：自然能源類型低品位冷/熱風低品位冷/熱水自然能源溫度冷/熱風溫度冷/熱水溫度,ne it,SF it,W it利用途徑用在室內用來處理新風用在圍護結構基準溫度室內溫度新風溫度圍護結構溫度利用系數11小于1,base itroomt,a it,b iti供冷時供熱時,=max(max(1,0)mCbase ine iiinCOPRDHttCOP-,0),=max(max(1,0)mHne ibase iiinCOPRDHttCOP-,0)dt,n iinCOPCOP定義固定溫差下 的nCOPiidtt修正度時數概念和方法27采集端自然能源溫度簡化方法,w is i

17、approachtttconvcoolerconvambcooler()QAhTT44radcoolercoolercoolersky()QATTn icooler,icooler,ittt,冷卻塔的逼近度逐時濕球溫度,w isoilCttt,w isoilHttt供冷時供熱時冷逼近度熱逼近度對流換熱量輻射換熱量=換熱端差冷卻器表面平衡溫度 冷卻塔出水溫度的簡化計算式：地埋管出水溫度的簡化計算式：輻射冷卻器工質出口溫度的簡化計算式：夜間輻射冷卻器換熱過程1 太陽能集熱器制取熱水的溫度溫簡化計算式：pambwambuRR=LLA IUttttQFF UAIAIIw,amb,iiittt集熱效率：

18、1 嚴天.自力式能量輸運的套管封裝相變墻體系統熱特性研究D.華中科技大學,2021.2 劉思宇.太陽能集熱器熱遷移因子分析方法與集熱器性能優化D.上海交通大學,2018.太陽輻射強度集熱器熱水與環境之間的溫差熱損失系數熱遷移因子28氣候特點嚴寒干燥寒冷地區夏熱冬冷溫和地區夏熱冬暖代表城市烏魯木齊北京上海昆明廣州供熱季11.0103.3011.1503.1512.0102.28無無供冷季06.0108.3106.0108.3106.0109.3005.0109.3005.0110.31利用修正度時數評價常見自然能源利用方式在不同氣候區的適應性修正度時數反映自然能源的氣候適應性29同一種自然能源用

19、在不同位置的修正度時數不同自然能源用在同一位置的修正度時數地埋管換熱器采集低品位冷熱水用于室內、圍護結構以及新風機組中對應的修正度時數對比分別采用地埋管換熱器和露點蒸發冷卻器采集低品位冷卻水用于室內冷卻的修正度時數對比修正度時數反映不同利用方式的節能潛力30目 錄l1.研究背景l2.常見自然能源利用形式l3.自然能源節能潛力評價方法l4.不同種類自然能源應用潛力比較l5.自然能源應用效果案例分析l6.總結31自然能源利用系統應用效果研究思路 利用修正度時數篩選出適宜的自然能源利用形式篩選系統設計效果分析 對篩選出的自然能源利用系統進行容量設計 機械能源系統設計負荷降低量 節能量 非空調時間32

20、篩選適合的自然能源利用形式020004000600080001000012000烏魯木齊北京上海昆明廣州RDH_C露點蒸發冷卻新風01000020000300004000050000烏魯木齊北京上海廣州昆明RDH_C+RDH_H地埋管處理新風0300060009000120001500018000烏魯木齊北京上海昆明廣州RDH_C嵌管窗_CT0300060009000120001500018000烏魯木齊北京上海昆明廣州RDH_C機械通風根據修正度時數大小篩選適合的自然能源利用形式烏魯木齊北京上海廣州昆明自然能源利用系統 地埋管新風處理/蒸發冷卻新風 嵌管窗結合冷卻塔 地埋管新風處理 嵌管窗結

21、合冷卻塔 地埋管新風處理 嵌管窗結合冷卻塔嵌管窗結合冷卻塔 機械通風 嵌管窗結合冷卻塔33在TRNSYS平臺上分別搭建傳統系統和利用自然能源的系統模型，關閉機械冷熱源空調，計算房間自然室溫，以此得到采用自然能源后非空調時間延長效果。傳統系統mCOP機械冷熱源系統自然+機械能源系統新風負荷圍護結構負荷室內負荷自然能源系統自然能源處理的負荷機械能源處理的負荷全年供熱空調能耗()Ef RDH系統全年節能量 傳統系統：完全采用冷機或熱泵處理空調系統負荷（運行最小新風量）自然+機械能源系統：為了充分利用自然能源，系統新風量可調 系統節能潛力計算 延長非空調時間全部由機械能源處理系統設計及節能和經濟性分析

22、方法34不同設計方案的全年節能量計算冷/熱風型自然能源冷熱水型自然通風機械通風蒸發冷卻新風地道風冷卻塔/地埋管免費供冷地埋管處理新風嵌管式圍護結構 aamCmERDHCOP不同設計方案的經濟性分析運行費用節約PsysECE 初投資增加nsysmIIQP 投資回收期/PIC 0.5()CHmKfERDHRDHCOP電費單價機械能源系統單價自然能源系統投資系統設計及節能和經濟性分析方法35自然能源利用系統的應用效果分析 建筑模型：長50m，寬10m，層高3m，10層，建筑面積5000m2，全空氣系統換氣次數6次/h，送風量90000m3/h,最小新風量13500m3/h建筑類型算例窗墻比新風比室內

23、熱源強度W/m2全天運行低發熱量case10.315%5case20.5case31白天運行高發熱量case40.330case50.5case61建筑系統模型36新風嵌管窗設計冷負荷降低量的占比（窗墻比0.5，新風比0.15）以北京地區為例：地埋管新風處理+嵌管窗系統 自然能源設計容量在一定范圍變化時，對系統設計負荷降低率影響較小。北京地區以供冷為主的建筑，空調系統最大冷負荷降低率20%35%嵌管窗對空調系統設計冷負荷的降低效果顯著15%18%21%24%27%30%33%01002003004005006007000.30.51系統設計負荷降低率系統設計冷負荷（kW）窗墻比（case4ca

24、se6）Q_sys_tQ_sys_n,30Q_sys_n,40系統負荷降低率,30系統負荷降低率,40A30系統負荷降低率,A30系統負荷降低率,A40A40地埋管新風處理系統工況A30A40地埋管設計換熱量W/m3040嵌管窗系統工況W(5/6CT+1/6GHE)W(2/6CT+4/6GHE)冷卻塔和地埋管搭配比例冷卻塔5/6地埋管1/6冷卻塔2/6地埋管4/6自然能源設計容量對節能和經濟性的影響37-2-1012345case1case2case3投資回收期（年）A30+W(5/6CT+1/6GHE)A40+W(5/6CT+1/6GHE)A30+W(1/3CT+2/3GHE)A40+W(1

25、/3CT+2/3GHE)新風嵌管窗系統節能量的占比（A30+W(1/3CT+2/3GHE)ASHP VS ASHP+GHE新風+嵌管窗不同地埋管和冷卻塔設計容量對應的系統節能量10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 0.30.51節能量（kWh）窗墻比（case4case6）A30+W(5/6CT+1/6GHE)A30+W(1/3CT+2/3GHE)A40+W(5/6CT+1/6GHE)A40+W(1/3CT+2/3GHE)新風系統的節能效果顯著 嵌管窗系統采用冷卻塔做冷源能顯著降低初投資 冷熱源系統投資回收期02

26、年，窗墻比大的建筑，采用冷卻塔處理嵌管窗負荷不僅節能而且有可能降低系統初投資北京地區：地埋管新風處理+嵌管窗系統自然能源設計容量對節能和經濟性的影響38方案一：嵌管窗+地埋管新風處理0 50 100 150 200 250 300 350 0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%50%case1 case2 case3 case4 case5 case6系統設計熱負荷 kW最大熱負荷降低率傳統系統自然能源系統設計負荷降低率020000400006000080000100000120000case1case2case3case4case5case6節能量（kWh）嵌管窗地埋管加熱

27、新風地埋管冷卻新風通風帶入冷量節能 烏魯木齊地區以熱負荷為主，空調系統最大熱負荷降低率20%25%通風和地埋管處理新風具有顯著的節能效果 冷熱源系統初投資降低4%10%嚴寒干燥地區：烏魯木齊GSHP VS GSHP+自然能源系統(全年運行的應用效果)010203040506070case1(4)case2(5)case3(6)初投資（萬元）傳統地源熱泵系統自然能源系統傳統GSHP系統 GSHP+自然能源系統 自然能源利用系統在不同地區的應用效果39 夏季空調系統最大冷負荷降低率60%80%通風和蒸發冷卻新風處理具有顯著的節能效果 冷源系統投資回收期小于2年方案二：嵌管窗+露點蒸發冷卻新風處理0

28、 50 100 150 200 250 300 350 400 50%60%70%80%90%100%case1case2case3系統設計冷負荷 kW設計冷負荷降低率傳統系統設計冷負荷自然能源系統設計冷負荷系統設計冷負荷降低率020000400006000080000100000120000case1case2case3節能量（kWh）嵌管窗蒸發冷卻冷卻新風通風帶入冷量節能0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.802468101214161820case1case2case3回收期（年）初投資（萬元）傳統系統自然能源系統回收期嚴寒干燥地區：烏魯木齊冷水機組 VS 冷水機組

29、+自然能源系統(僅考慮夏季運行的應用效果)自然能源利用系統在不同地區的應用效果40自然室溫和非空調時間模擬：case3為例16 21 26 31 36 3624 3974 4324 4674 5024 5374 5724 自然室溫（）時間（h）baseline蒸發冷卻送風16 21 26 31 36 3624 3974 4324 4674 5024 5374 5724 自然室溫（）時間（h）baseline地埋管處理新風16 21 26 31 36 3624 3974 4324 4674 5024 5374 5724 自然室溫（）時間（h）baselineGHE_air+Pwin0%20%40

30、%60%80%100%0 368 736 1104 1472 1840 2208 baselineEC_airGHE_airGHE_air+PWin百分比自然室溫分布小時數大于3028302628小于26非空調時間比例當自然能源系統設計合理的情況下，基本能完全依靠自然能源解決建筑在夏季的冷卻降溫需求。嚴寒干燥地區：烏魯木齊自然能源利用系統在不同地區的應用效果41氣候區傳統系統推薦方式非空調時間延長率（case3：住宅類建筑）機械能源系統設計負荷降低率經濟性嚴寒干燥地區(烏魯木齊）地源熱泵地埋管處理新風（全年運行）64%20%25%（熱泵容量）降低初投資4%10%鍋爐+冷機蒸發冷卻降溫（夏季空調

31、）90%，室溫2860%80%（冷機容量）回收期0.21.6年地埋管處理新風系統可全年運行，降低機械熱源設計負荷并顯著降低系統能耗單獨采用蒸發冷卻基本能完全解決建筑在夏季的冷卻降溫需求寒冷地區（北京）空氣源熱泵地埋管處理新風+嵌管窗68%20%35%（熱泵容量）回收期02年采用嵌管窗與地埋管處理新風相結合可依靠自然能源解決建筑在夏季的大部分冷卻降溫需求自然能源利用系統在不同地區的應用效果42氣候區傳統系統推薦方式非空調時間延長率（case3：住宅類建筑）系統設計容量降低率經濟性夏熱冬冷地區（上海）空氣源熱泵地埋管處理新風+嵌管窗51%20%40%回收期05年單獨依靠自然能源系統難以解決建筑夏季

32、冷卻降溫需求，仍需機械冷源但顯著降低機械冷源的設計負荷以及機械供冷時間，降低空調系統能耗溫和地區（昆明）冷水機組機械通風+嵌管窗20%，2820%60%初投資降低5%40%發熱量低的建筑推薦采用機械通風發熱量大的建筑，采用機械通風和嵌管窗結合有可能在不增加冷源初投資的情況下，顯著降低空調系統能耗夏熱冬暖地區（廣州）冷水機組嵌管窗5%10%40%回收期02年單獨依靠嵌管窗系統難以解決建筑在夏季的冷卻降溫需求嵌管窗能顯著降低機械冷源系統的設計容量自然能源利用系統在不同地區的應用效果43目 錄l1.研究背景l2.常見自然能源利用形式l3.自然能源節能潛力評價方法l4.不同種類自然能源應用潛力比較l5

33、.自然能源應用效果案例分析l6.總結44利用修正度時數設計數據中心空調系統自然能源利用方式利用位置然能源溫度機械通風冷卻回風干球溫度干冷器冷卻回風干球溫度直接蒸發冷卻冷卻回風近濕球溫度間接蒸發冷卻冷卻回風近露點溫度050,000100,000150,000200,000250,000機械通風干冷器直接蒸發冷卻間接蒸發冷卻RDH_C(h)數據中心全年均需供冷，免費供冷是降低空調能耗的重要方式以呼和浩特某數據中心為例，利用修正度時數篩選適合的自然能源利用形式不同自然能源用于同一位置的修正度時數 案例設置地區：呼和浩特面積：18000 m2負荷：15400 kW呼和浩特氣象參數45利用免費供冷降低數

34、據中心空調能耗新風的直接利用新風的間接利用空氣質量問題換熱面積大 空氣側免費供冷 水側免費供冷冷卻塔作為散熱源干冷器作為散熱源 水冷空調系統的免費供冷方式46水側免費供冷方式的優勢和不足 通過負荷、能源的品位匹配，利用多種水溫構建的空氣分級處理流程，節能效果顯著5,6文獻冷凍水溫度研究結果115免費供冷占全年時長32%212免費供冷模式比機械供冷模式節約70%能耗320全年能效提升23.7%410干冷器回收期為23年1 Zhang et al.Energy Procedia,2017.2 Yang et al.Procedia Engineering,2017.3 Dong et al.Pro

35、cedia Engineering,2017.4 Yang et al.Procedia Engineering,2017.5 Zheng and Li.Indoor and Built Environment,2020.6 Zheng and Li.International Journal of Refrigeration,2021.在數據中心構建空氣分級處理流程，通過雙溫水對機房循環空氣進行兩級處理較機械供冷方式節能效果顯著 水側免費供冷方式僅采用一種溫度的冷凍水水側免費供冷所需環境溫度較低，免費供冷時長有限，能效難以進一步提高47利用自然能源的空氣分級處理系統 利用多種自然冷源和機械冷

36、源聯合制取兩種溫度的冷水運行模式第一級冷源第二級冷源干冷模式干冷器干冷器直接蒸發免費供冷模式直接蒸發冷卻 直接蒸發冷卻直接+間接蒸發免費供冷模式直接蒸發冷卻 間接蒸發冷卻間接蒸發預冷+冷機模式間接蒸發冷卻冷機分級系統空氣兩級處理常規系統-水側經濟器常規系統-水側經濟器+干冷器48空氣分級處理系統的典型工況性能48Case2：間接蒸發冷卻預冷節約大量冷機能耗Case11：已可以運行免費供冷模式Case17：已可以運行免費供冷模式Case32：兩級盤管風阻更大，風機功耗更高Case36：無電伴熱功耗；但兩級盤管風阻更大，風機功耗更高 典型工況性能算例 干球/濕球/露點溫度()水側經濟器系(WE)干

37、冷器系統(DC)分級處理系統(GT)232.5/23.1/19.7冷機模式冷機模式間接蒸發預冷+冷機模式1122.5/16.2/12.8冷機模式冷機模式免費供冷模式（直接蒸發+間接蒸發）1717.5/11.8/7.9部分免費供冷模式部分免費供冷模式免費供冷模式（直接蒸發+間接蒸發）322.5/-2.4/-10.5免費供冷模式（直接蒸發）免費供冷模式（直接蒸發）免費供冷模式（直接蒸發）3617.5/18.3/22.8免費供冷模式（直接蒸發）免費供冷模式（干冷）免費供冷模式（干冷）49空氣分級處理系統的全年性能 系統能耗及能效分析系統平均功率(kW)SCOP總能耗(MWh)平均功率降低SCOP提高

38、總能耗降低(MWh)水側經濟器系統1878.08.2016451.227.4%37.8%4510.9干冷器系統1826.38.4315998.625.4%34.0%4058.3分級處理系統1363.011.3015998.6-分級系統較水側經濟器系統平均功率降低27.4%，SCOP提高37.8%分級系統較干冷器系統平均功率降低25.4%，SCOP提高34.0%分級系統自然能源利用時長增加了2963h，占全年時間的89.0%系統自然能源利用時長(h)自然能源利用時長增加(h)增加時長占全年時間比例水側經濟器系統4832 296389%干冷器系統4832 296389%分級處理系統7795-自然能

39、源利用時長50空氣分級處理系統的經濟性分析 經濟性分析系統初投資(萬元）運行費用(萬元)初投資增加(萬元）運行費用降低(萬元)投資回收期(年)水側經濟器系統32751151.6803.8315.82.55干冷器系統3342.51119.9736.3284.12.59分級處理系統4078.8835.8-相比于水側經濟器系統，分級系統的初投資增加803.8萬元，每年運行費用分別降低315.8萬元，投資回收期為2.55年 相比于干冷器系統，分級系統的初投資增加736.3萬元，每年運行費用分別降低284.1萬元，投資回收期為2.59年利用自然能源的數據中心空氣分級處理方案在呼和浩特地區具有良好的節能效

40、果和經濟效益51目 錄l1.研究背景l2.常見自然能源利用形式l3.自然能源節能潛力評價方法l4.不同種類自然能源應用潛力比較l5.自然能源應用效果案例分析l6.總結52總結1.利用自然能源降低建筑供熱空調系統負荷具有巨大的節能潛力，修正度時數概念和方法能夠適應不同自然能源類型以及不同應用形式的節能潛力評價，指導合理選用高效的自然能源利用種類和形式。2.合理利用自然能源能夠顯著降低供熱空調系統機械冷熱源的設計負荷（北京20%35%；上海15%40%；廣州5%35%），降低冷熱源系統設計容量和投資，同時能夠顯著延長非空調時間（例如，烏魯木齊和昆明基本能依靠自然能源解決建筑在夏季的冷卻降溫需求），降低供熱空調系統能耗。3.利用自然能源的數據中心空氣分級處理系統具有良好的節能效果和經濟效益，較水側經濟器系統和干冷器系統，平均功率分別降低27.4%和25.4%，SCOP分別提高37.8%和34.0%，投資回收期分別為2.59年和2.55年。謝 謝！李先庭