利用自然环境低品位能源降低建筑供热空调能耗的理论和方法研究

Building energy efficiency plays a significant role in energy saving and emission reduction in China. At present, heating in northern China suffers low efficiency and serious pollution, while air-conditioning in southern China faces growing energy consumption and heating in this area is becoming a hot topic. Boilers and chillers are currently widely used to produce high-grade hot/chilled water for heating/air-conditioning, dealing with the total indoor heating/cooling loads. However, in every season throughout a whole year, the loads that can be directly removed by natural low-grade energies commonly exist in building envelopes, indoor heat sources as well as fresh/return air. These natural low-grade energies can be partly utilized to greatly reduce the loads that need to be handled by conventional high-grade heat/cold sources. For this purpose, the theories of load grading and ideal energy consumption will be established based on comprehensive analyses on each heat transfer process in building thermal environment. The effects of using natural low-grade energies to decrease indoor high-grade loads through indoor terminals and building envelope components will be investigated. Besides, the methods to efficiently collect as well as upgrade the natural low-grade energies will be studied. In addition, the design method, control strategies and simulation method of energy consumption for the heating/air-conditioning systems using natural low-grade energies will be established, after which the energy saving potential and applicability of the proposed system in China will be investigated.

建筑节能是我国节能减排的重要方向。当前我国北方供热能效低、污染严重，南方不仅夏季空调能耗高、冬季供热也成为热点，供热空调节能不仅是节能减排的重要方向，也是改善民生、治理雾霾的重要途径。目前我国常用的供热空调方式是采用冷机和锅炉制取高品位的冷水和热水，处理室内的全部负荷。而事实上不论在全年哪个季节，在围护结构、室内热源和新/回风处，均存在可以直接利用自然环境低品位能源处理的负荷，充分利用自然环境低品位能源将显著减少需要传统高品位冷热源处理的负荷。为此，本项目将在全面分析建筑热环境各个环节传热的基础上，建立负荷分级和理想空调能耗理论，研究通过室内末端和围护结构传热组件实现自然环境低品位能源降低室内高品位负荷的方法，以及利用自然环境低品位能源的高效采集和品位提升方法；在此基础上，构建利用自然环境低品位能源的供热空调系统的设计、调控方法和能耗分析方法，并分析其在我国的节能潜力和适用范围。

建筑节能是我国节能减排的重要方向。当前我国北方供热能效低、污染严重，南方不仅夏季空调能耗高、冬季供热也成为热点，供热空调节能不仅是节能减排的重要方向，也是改善民生、治理雾霾的重要途径。目前国内外常用的供热空调方式是采用冷机和锅炉制取高品位的冷水和热水，处理室内的全部负荷。现有的空调负荷理论仅有负荷的数量，而没有负荷的品位，即相关负荷该用何种温度的冷热源处理。而事实上不论在全年哪个季节，均存在可以直接利用自然环境低品位能源或废能处理的负荷，即使一些负荷需要机械制取的冷热源来处理，其品位也可以显著降低。为此，迫切需要发展出一套理论方法以指导如何更高效处理各种负荷，如何更充分利用各种自然能源和废能，如何显著提高供热空调系统能效。. 针对上述重大需求，项目在理论层面在世界上首次提出了负荷品位的概念和表达方法，指出了各种负荷在合理的换热温差下所需要的冷热源温度；揭示了嵌管式围护结构、不同室内末端引起的室内负荷数量变化和品位迁移规律，表明供热空调系统的负荷数量和温度品位存在着不同的组合，合理的气流组织和末端可以实现负荷品位从高向低转变；提出了可公平评价自然能源应用潜力的通用评价方法；建立了基于品位匹配的空气处理流程构建方法，可以更充分利用自然能源和废能；给出了合理经济换热温差下分品位处理负荷的理论能耗计算方法以及实际系统与理论能耗的损失来源，为实际空调系统降低能耗指明了方向。在技术研发和应用层面，提出了自然环境低品位能源的高效采集方法和吸收式热泵性能提升方法，构建了提升自然环境能源品位的三类高效热泵，提出了充分利用多种源/汇优势的复合源柔性热泵系统；构建了利用自然环境低品位能源的供热空调系统的设计和调控方法，并分析了自然能源与机械能源相结合的系统在我国的节能潜力和适用范围；最后将研究成果应用于实际产品研发和冬奥等重要工程中，赢得了国际制冷竞赛的最高奖，保障了冬奥场馆的运行效果。