利用自然冷空气的集成自然冷储存的新风预热系统运行性能

《Energy》：Operational performance of a fresh air preheating system integrated with natural cold storage using natural cold air

　　

**摘要**
为降低传统空调系统中新风处理的能源需求，并提高自然冷资源的利用率，本研究提出了一种与天然冷储结合的天然冷新风处理系统。该系统利用冬季环境冷空气驱动盘管式冷储存单元，实现天然冷能的储存，并创新性地集成空气换热器以实现新风预热。储存的冷能在夏季用于新风预冷，从而实现跨季节冷能利用，降低新风处理的能耗。在焓差实验室（EDL）中搭建了实验平台，研究了环境温度（AT）、风速（AV）和乙二醇溶液流量（GSFR）对新风预热、冷储存行为和系统效率的影响。建立了一个TRNSYS工程模型，以评估气候条件和运行策略对全年性能的影响。实验结果表明，系统性能主要受AT影响，其次是AV，而GSFR的影响相对较小。在AT为-5至-20°C的条件下，初始新风温升（FATR）为8.7°C至15.7°C，随后稳定在3.5°C至8.7°C。AT每降低5°C，初始和最终FATR分别增加约2.1°C至2.5°C和0.84°C至2.34°C。AV降低0.25 m/s，FATR增加约20%。模拟结果显示，在寒冷和严寒地区，系统可实现80%以上的综合节能。研究结果支持了系统设计优化、运行控制及工程应用。

**引言**
建筑运行期间的能耗和碳排放较高，空调系统是主要的贡献因素，具有显著的节能潜力[1,2]。新风处理作为维持室内空气质量与热舒适性的必要环节，由于室外空气条件与室内设计要求之间的差异，不可避免地会带来额外的冷热负荷[3,4]。在严寒和寒冷地区，冬季新风预热往往依赖于高品位热源，进一步增加了系统的能耗[5]。因此，开发低能耗、高稳定性的新风预处理技术对于降低建筑空调能耗、提高能源效率具有重要意义。

为降低新风处理的能耗，现有研究提出了多种技术方案，包括排风热回收、土壤-空气热交换以及太阳能辅助新风预热[6,7,8,9]。排风热回收系统利用排风中的废热来提高新风处理的效率，在寒冷气候条件下展现出良好的节能潜力[6,10,11]。Yin等[10]证明，经过预热优化的液体除湿全热回收单元在-30°C下可稳定运行，全热回收效率达到54.6%。Liang等[11]提出了一种新风处理单元，通过排风热回收，在多种运行条件下分级匹配热源与热负荷，实现了接近最优的全年运行效果。然而，系统运行依赖于稳定的排风流量、充足的建筑气密性以及合理的通风布局设计。土壤-空气热交换系统利用浅层土壤的低品位能量对新风进行预处理，具有极高的节能潜力[12,13]。研究表明，此类系统在大多数气候区域可实现约30%的节能率[14]。在寒冷地区，当与热回收装置结合时，年均能效比（COP）可达8.5[12]。尽管如此，现有研究主要集中在埋管形式、土壤温度恢复、传热性能以及与热回收装置的集成运行。系统性能受土壤热物理性质、埋管深度及换热器管道布置等因素的显著影响。

太阳能辅助新风预热系统通过太阳辐射降低冬季新风的加热负荷，在太阳能资源丰富地区具有广阔的应用前景[9,15]。研究表明，太阳能墙系统的最大集热效率可达75%，最大FATR约为15°C。光伏耦合新风系统既能改善室内空气质量，又能带来发电收益[16,17]。然而，此类系统高度依赖太阳辐射、建筑朝向及天气条件，这限制了其运行稳定性，且在太阳能资源不足或气象波动较大的地区适用性受限。

总体而言，上述技术分别利用了排风余热、地热能及太阳能，以降低冬季新风的加热负荷，大多数研究主要聚焦于即时预热性能和运行效率。尽管能源来源和系统配置有所不同，但这些技术均受到特定资源可用性或建筑条件的制约，且较少关注在冬季同步收集天然冷能并进行跨季节利用[11,13,14,18]。

天然冷能储存技术利用冬季低温环境储存冷能，并在夏季释放以减少建筑制冷能耗。该技术在建筑制冷、农产品冷藏及数据中心冷却等方面已展现出应用潜力[19,20,21,22,23,24,25]。与传统机械制冷相比，天然冷能储存可减少夏季制冷能耗，提高自然冷源的利用效率[26,27,28,29,30]。现有研究主要集中在积雪储存、制冰储存、土壤冷储存及热虹吸冷储存上，特别侧重于系统结构优化、制冰过程强化、冷储存容量提升及经济评估[20,21,22,26]。其中，制冰储存由于其高能量储存密度、巨大的相变潜热以及稳定的充放冷过程，展现出强大的应用潜力[31,32]。在严寒和寒冷地区，冬季长期低温提供了丰富的自然冷资源，为季节性冷储存创造了有利条件[33]。通过优化换热器结构、强化冻结过程中的传热以及改进运行控制策略，可进一步提升冷储存效率及系统性能[23,24,25]。

上述研究已证明了各种天然冷储存方案的技术可行性。然而，现有研究主要关注冬季冷能的收集与储存以及夏季的释放，对于冬季充冷过程中转移的低品位热量及其潜在利用关注甚少。因此，天然冷储存与冬季新风预热通常作为两个独立的过程运行，两者的系统集成、能量耦合及协调运行尚未得到系统研究。

在严寒和寒冷地区，低温室外空气可作为冷储存的自然冷源，同时建筑在冬季也有大量的新风预热需求。从能量传递的角度看，天然冷储存需要从储冷介质中提取热量，而低温室外空气处理则需要向进入的新风提供热量。因此，这两个过程在能量需求和传热方向上互为补充。因此，将天然冷储存与新风预处理进行耦合，可在冬季储存天然冷能的同时，回收低品位热量用于新风预热，从而提高自然冷源的整体利用效率并降低新风处理的能耗。

综上所述，现有关于新风预处理和天然冷储存的研究仍相对独立，两者之间缺乏有效的耦合。特别是冬季天然冷储存过程中释放或转移的低品位热量尚未得到有效利用。因此，天然冷储存系统的功能通常仅限于夏季提供冷量，而冬季新风预热的需求鲜有被考虑。因此，在开发将天然冷储存与冬季新风预处理相结合的低能耗耦合系统方面，以及在阐明天然冷储存、低品位热量转移及新风温升之间的能量传递机制和协调运行关系方面，仍存在研究空白。值得注意的是，将这两个过程耦合不仅能够提高自然冷源的全年利用率，还能扩展天然冷储存系统在冬季运行时的功能。基于此，本研究提出了一种集成的天然冷储存与新风处理系统，并通过实验测试和动态TRNSYS模拟，评估了其在低温条件下的冷储存特性、新风预热性能及区域适用性。本研究旨在评估天然冷储存与新风预热的集成可行性，阐明关键运行参数对系统性能的影响，并评估该系统在代表性城市的节能潜力。

本研究的创新性在于利用冬季冷储存与新风预热在功能和能量过程上的互补特性，实现了两者的针对性集成。冷储存过程中转移的低品位热量被回收用于新风预热，而自然收集的冷能则储存起来以供夏季使用。这种集成使得天然冷能储存和降低新风预热负荷得以同步进行，从而将传统天然冷储存系统的应用范围扩展到了仅在夏季提供冷量的传统角色之外。其主要贡献如下：(1) 开发了一种耦合的天然冷储存与新风预热系统；(2) 在不同低温条件和运行参数下，通过实验评估了系统的传热、冷储存和新风预热性能，揭示了关键参数对协调运行的影响；(3) 建立并验证了一个动态TRNSYS模型，以评估该系统在代表性严寒和寒冷地区的运行性能、节能潜力及区域适用性。这些贡献为将天然冷储存与建筑新风处理技术相结合提供了参考。本文结构如下：第2节描述系统设计、实验方法及模拟模型；第3节展示并讨论结果；第4节总结主要发现。

**2 系统设计、实验方法及模拟模型**
**2.1 系统配置与原理**
图1展示了系统的示意图，主要由空气-乙二醇换热器（AGHX）、乙二醇循环回路和冷储存水箱组成。以乙二醇溶液作为二次传热流体，系统通过闭合回路在新风侧和冷储存水箱之间传递热量，从而实现天然冷储存与新风预热的协调运行。系统边界包括AGHX、乙二醇循环回路和冷储存水箱。

**2.2 实验方法**
为研究系统在低温环境下的运行特性，在焓差实验室（EDL）中搭建了一个实验平台。该实验室可模拟不同环境温度条件，并准确测量新风侧的传热及系统参数。实验测试了不同环境温度（AT）、风速（AV）和乙二醇溶液流量（GSFR）下的新风预热性能、冷储存行为及系统能效。在实验过程中，使用高精度温度传感器、流量传感器及功率计等数据采集系统来监控和记录相关参数。

**2.3 模拟模型**
为评估系统在不同气候条件下的全年运行性能，建立了一个TRNSYS动态模拟模型。该模型考虑了系统各组件的传热特性、乙二醇溶液特性及自然冷储特性。利用历史气候数据（如典型气象年TMY数据）作为边界条件，模拟系统在不同运行策略下的能量流动。此外，对模型进行了验证，将模拟结果与实验数据进行对比，以评估模型的准确性。

**3 结果与讨论**
**3.1 环境温度对系统性能的影响**
首先研究了环境温度（AT）对系统传热、冷储存及新风预热性能的影响。图X和图Y展示了不同AT下的传热量变化及乙二醇溶液温度变化。结果显示，随着AT的降低，系统从环境空气中提取的冷能增加，而传递给新风的低品位热量也随之增加。在AT为-5至-20°C的条件下，初始新风温升（FATR）为8.7°C至15.7°C，随后稳定在3.5°C至8.7°C。AT每降低5°C，初始和最终FATR分别增加约2.1°C至2.5°C和0.84°C至2.34°C。这表明AT是影响系统性能的最关键因素。

**3.2 风速的影响**
进一步研究了风速（AV）对新风预热性能的影响。模拟及实验结果表明，随着AV的增加，单位时间内与新风交换的热量增加，但单位质量空气的温升降低。将AV降低0.25 m/s，可使FATR增加约20%。这表明在特定范围内，降低风速有助于提高新风温升，但可能限制总传热量。

**3.3 乙二醇溶液流量的影响**
研究了乙二醇溶液流量（GSFR）对系统性能的影响。结果表明，GSFR对系统整体性能的影响相对较小。在一定范围内增加GSFR可提高传热效率，但由于换热温差的变化，其效果并不显著。

**3.4 全年性能模拟分析**
利用TRNSYS模型，对不同气候区代表城市的系统全年性能进行了模拟。结果表明，在寒冷和严寒地区，系统可实现80%以上的综合节能率。在温暖或温和气候区域，由于冬季低温期较短且自然冷源收集有限，系统的节能潜力相对较低。模拟还显示，优化运行策略（如在特定低温时段最大化冷储存量）可进一步提高系统性能。

**结论**
本研究提出了一种天然冷储存与新风预热耦合系统。基于实验和工程模拟，系统地分析了系统的传热性能、冷储存特性、能效及适用性。主要发现如下：
(1) 在本研究所调查的运行条件和参数范围内，新风预热性能主要受AT控制，其次是AV，而GSFR作用微乎其微。

**CRediT 作者贡献声明**
张征飞：撰写 – 原稿、方法论、调查、数据管理。赵宣：调查、数据管理。汤倍松：方法论。肖一民：撰写 – 审稿与编辑、概念化。谭子婧：方法论、调查。孙晓晨：撰写 – 审稿与编辑。任宇澄：撰写 – 审稿与编辑。

**写作过程中的生成式AI与AI辅助技术声明**
声明：在本工作准备期间，作者使用了ChatGPT和DeepSeek进行语法检查。在使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

**利益冲突声明**
作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响到本文所报告的工作。

**致谢**
作者感谢重庆大学提供的财务支持以及长安大学提供的实验场地支持。

**作者信息**
张征飞 | 赵宣 | 汤倍松 | 肖一民 | 谭子婧 | 孙晓晨 | 任宇澄
重庆大学土木工程学院，中国重庆，邮编 400045