在不同气候条件下，利用非高峰时段电力储能的基于相变材料的新鲜空气冷却系统的能效

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Energy efficiency of phase change material-based fresh air-cooling systems using off-peak electricity energy storage in different climatic conditions

本研究提出一种集成相变材料冷存储单元的新风冷却系统，通过动态模拟评估在重庆、武汉、南京三市的夏季性能。结果显示该系统可降低日间冷却负荷42-48%，减少电力消耗和碳排放，并实现显著运营成本节约（重庆40%，南京32%，武汉23%），有效缓解电网压力。

　　在现代城市发展中，建筑能耗问题日益突出，尤其是办公楼这类高密度使用空间，其空调系统占据了建筑总能耗的很大比例。随着全球气候变化和能源价格波动，如何在保证室内舒适度和空气质量的前提下，降低建筑的能源消耗和碳排放，已成为建筑领域亟需解决的问题。针对这一挑战，本研究提出了一种创新的模块化新风冷却系统，该系统通过在建筑空气处理单元中集成相变材料（PCM）热能储存技术，实现对非高峰时段电力的高效利用。该系统不仅有助于降低建筑的峰值负荷，还提升了能源灵活性，为实现节能减排目标提供了新的思路。

目前，建筑物的能源消耗主要集中在供暖、通风与空调（HVAC）系统上，而在全球变暖的影响下，空间冷却的需求显著增加。据统计，办公楼中约有20%的电力消耗用于空间冷却和通风，这给电力供应系统带来了巨大的压力。尤其是在实施时间电价（TOU）政策的背景下，非高峰时段的电价相对较低，而高峰时段则大幅上涨。因此，如何在非高峰时段储存冷能，并在高峰时段释放用于新风预冷，成为降低建筑运行成本和缓解电网负荷的关键策略。同时，随着新冠疫情的爆发，通风标准的提升进一步加剧了建筑的能源负担，使得在保持室内空气质量的同时实现节能成为迫切需求。

新风系统（FAS）作为HVAC系统的重要组成部分，主要功能是引入室外空气以稀释室内污染物，保障人员健康。然而，在高温高湿的气候条件下，室外空气与室内空气之间的热焓差较大，导致新风处理过程需要消耗大量能源。特别是在夏季，室外空气温度较高，将之冷却至室内舒适温度需要额外的能源投入，这不仅增加了建筑的运行成本，还对电网造成了显著压力。因此，如何在夏季条件下减少新风处理的能源需求，成为提升建筑HVAC系统整体效率的重要课题。

近年来，相变材料（PCM）在冷能储存和高效通风系统中的应用取得了显著进展。PCM因其较高的能量密度和适宜的放热温度范围，被广泛应用于建筑空调系统的冷能储存技术中。通过将PCM集成到通风或空调系统中，可以有效降低峰值能源消耗，提高整体系统性能。例如，实验研究表明，使用PCM冷能储存单元的通风系统能够在高峰时段减少高达2 kWh的冷却负荷。此外，将PCM与热回收单元结合，还可以降低室外空气温度，并提升显热交换效率。在实际应用中，一些研究已经确认，通过夜间“免费冷却”通风为PCM充电，并在白天释放冷能用于空气冷却，能够显著减少建筑的空调能源消耗。

尽管PCM冷能储存技术在新风系统中的应用已取得一定成果，但目前的研究仍存在一些局限性。首先，大多数研究主要集中在单一储存单元或组件的性能评估上，缺乏对完整新风系统在真实气象条件下的动态运行分析。特别是在连续运行和不同气候条件下，PCM新风系统的长期热力学性能和节能潜力尚未得到充分理解。其次，现有研究多集中于实验室尺度的验证或数值分析，缺乏对实际建筑系统中集成PCM冷能储存技术的系统性研究。例如，有关将PCM冷能储存技术扩展到系统级能量消耗和节能评估，以及在多个气候区域中的情景分析，仍然较为有限。此外，虽然时间电价政策已在电动汽车和建筑冷却领域广泛应用，尤其是在区域集中式冷却网络中的冷水和冰蓄冷系统，但在通风和新风处理层面的应用仍相对不足。

针对上述研究空白，本研究提出了一种结合冷储存单元（CSU）的新风系统（FAS），并将其称为“组合新风系统（CFAS）”。该系统特别适用于高温夏季和低温冬季的地区，如中国长江流域的城市。研究通过建立并验证数值模型，模拟了在典型夏季条件下新风预冷过程的动态运行，重点评估了CSU的充放电特性及其对新风系统能耗的影响。以重庆为例，研究分析了该系统在连续两个月夏季运行中的节能表现，并进一步对比了其在武汉和南京等其他高温城市的运行效果。此外，该系统还被应用于一个拥有约5000名人员的办公综合体，以评估其在实际应用中的电力节约、碳减排、运营成本降低等综合效益。

本研究的创新点在于引入了一种“免费预冷”运行模式，利用非高峰时段的低成本电力进行冷能储存，并在高峰时段释放冷能用于新风预冷。通过综合分析长期、多区域和大规模应用情况，研究不仅验证了PCM冷能储存技术在新风系统中的可行性，还为实际工程应用提供了科学依据。研究结果表明，该系统能够有效转移空调负荷至非高峰时段，从而实现显著的运行成本节约和碳排放减少。这为未来建筑领域中实现高效、低碳的HVAC系统提供了新的技术路径，也为电网的稳定运行和能源的可持续利用提供了有力支持。

此外，研究还发现，不同城市的电价政策对系统运行成本的影响显著。在重庆、南京和武汉等城市中，由于夏季负荷较高，非高峰时段的电价较低，因此PCM冷能储存技术在这些地区的应用效果更为明显。例如，在重庆，系统运行成本节约达到了40%，而在南京和武汉分别为32%和23%。这些差异表明，PCM冷能储存技术在不同气候和电价条件下的应用效果存在显著变化，因此在推广过程中需要结合当地实际情况进行优化设计。同时，研究还强调了系统在实际运行中的稳定性，通过长期运行分析，验证了该系统在不同气候条件下的适应性和可靠性。

在实际应用中，PCM冷能储存技术的集成不仅有助于降低建筑的能源消耗，还能够提升建筑的能源灵活性。尤其是在实施时间电价政策的背景下，该系统能够在非高峰时段储存冷能，并在高峰时段释放，从而减少建筑对电网的依赖。此外，该系统还能够降低碳排放，为实现碳中和目标提供技术支持。研究结果表明，该系统在夏季条件下能够减少高达42–48%的白天冷却负荷，降低2.04–2.227 kWh/(m3/h)的电力消耗，并减少0.051–0.056 kg/(m3/h)的碳排放。这些数据不仅验证了该系统的节能潜力，还为未来建筑领域中实现高效、低碳的HVAC系统提供了科学依据。

综上所述，本研究通过提出一种结合PCM冷能储存技术的新风系统，为解决建筑空调系统在高温夏季和低温冬季地区的高能耗问题提供了新的思路。研究不仅验证了该系统的节能潜力，还通过实际案例分析，展示了其在不同气候条件下的适应性和可靠性。此外，研究还强调了该系统在实施时间电价政策中的应用价值，为建筑领域中实现能源节约和碳减排提供了技术支持。未来，随着PCM技术的不断进步和系统集成能力的提升，该系统有望在更大范围内推广应用，为实现建筑领域的可持续发展和能源效率提升做出更大贡献。