暖通空調制冷系統中的節能環保技術分析

(上海航天控制技術研究所，上海 201109)

0 引 言

當前暖通空調已經成為現代建筑中必不可少的組成部分，暖通空調雖然可以帶給人們舒適的辦公環境和生活環境，但是其面臨著巨大的能源損耗，而在暖通空調工作系統中，能耗量最大的便是制冷系統，制冷系統作為冷暖空調系統中核心組成部分，其在建筑總能量耗所占比例高達25%～50左右[1]。因此，為了保護環境，減少能耗，便結合冷暖空調制冷系統科學地應用環保節能技術具有非常重要的意義。

1 暖通空調及制冷系統概述

1.1 暖通空調簡介

暖通空調(Heating，Ventilating and Air Conditioning，HVAC)主要指的是為廣大人民群眾提供溫度適宜、高品質生活為目的的電器設備，其同時兼具通風、采暖、空氣調節三種功能，暖通空調不但對人們的室內生活環境進行了改善，而且還極大地提升了生活質量，將室內空氣的溫度、濕度、氣流速度等控制在人們最適宜的范圍內，這對人的身體而言，無疑是非常舒適的[2]。

1.2 暖通空調制冷系統簡介

暖通空調制冷系統如圖1所示。

在暖通空調具體作業過程中，主要是通過交換熱量的形式來達到制冷的效果的。具體而言，即制冷劑在蒸發器——壓縮機——冷凝器——節流閥這4個設備中持續循環，制冷劑通過改善自身的狀態來實現吸收或者釋放熱量的目的。在上述4個設備中，蒸發器的主要功能是吸收熱量，在此過程中將制冷劑由原本的液體變成低溫低壓的氣體，改變之后的氣體再進入至壓縮機內，壓縮機再將其轉變成高壓高溫的氣體，這部分高溫高壓的液體再進入至泠凝器內，將自己的熱量傳遞給水與空氣，在冷凝器的作用下變為液體。通過上述的循環，通過熱量交換的形式便可以達到降溫的目的。暖通空調在具體運行過程中，除了制冷劑的循環工作外，還包含冷卻水、冷凍水、室內空氣的循環，制冷劑在壓縮機的作用下，被壓縮至液態然后進入至蒸發器中，然后跟冷凍水完成熱量的交換，被送入至冷凍泵內，此時冷凍水便進入風機封口的冷卻盤管內，在風吹機的作用達到降溫的目的。制冷劑在被蒸發以后，在冷凝器作用下轉變成氣體，經過冷區泵后轉變成冷卻水，被送至冷卻塔后，在風機的作用下被冷卻，最終與空氣完成熱量交換，達到釋放熱量的目的。通過上述原理可以看出，制冷劑同時參與了熱量的循環和轉換，通過循環的形式最終達到制冷，降低室內的溫度，獲得人們需要的舒適溫度。根據上述制冷過程可以看出，在冷暖空調制冷系統中，最主要的過程是制冷系統，但與此同時也對能源消耗最多的部分[3]。因此如果降低暖通空調的能源消耗，那么便需要從制冷系統入手。

2 環保節能技術在暖通空調制冷系統中應用的意義

2.1 是減少暖通空調對環境污染的重要手段

制冷系統與制熱系統作為暖通空調系統的重要構成部分，其結構組成多，因此工作原理也相對復雜，其中在制冷系統中需要制冷劑，最常見的制冷劑為氟利昂，但是如果使用的氟利昂劑量過大，容易引起臭氧層孔洞，引發全球變暖。因此將節能技術應用咋暖通空調制冷系統中，其最主要的目的是環保環境，避免那些會對環境造成破壞的制冷劑，環保節能技術通過應用特制的制冷系統，如：將水冷凍，將對其進行循環使用，因為水是不會對環境產生污染的，另外在冷凍水循環過程中不會產生擁有污染性的廢棄物，并且通過使用水資源還有注意改善空調干燥的問題，凈化空氣。由此可見，將環保節能技術應用在暖通空調制冷系統中是減少其對環境污染的重要手段。

2.2 是節約資源的有效形式

伴隨著國家越來越注重環保，節能環保技術已經被廣泛地應用在社會生產生活的各個領域中，并且其效果得到了高度的認可。例如：將太陽能技術應用在房屋建筑中，便可以成功地將太陽能轉變成熱能和電能，幫助人們在日常生活與工作中利用太陽能，如此便極大地減少了對電能的消耗，在一定程度上緩解了資源不足的問題。而將節能環保技術應用在暖通空調制冷系統中，能夠最大程度上減少電能的消耗，并且將節能環保技術應用在蓄冷與蓄熱方面，能夠實現水資源的循環利用，極大地提升了資源的利用率，成功的達到節約能源消耗的目的。

2.3 是積極建設資源節約型社會的有效手段

就當前我國基本國情來看，政府部門在積極采取一系列措施后，極大地改善我國資源匱乏的問題，其主要原因歸咎于在生產生活很多領域中積極應用了節能環保技術。而將節能環保技術應用在暖通空調制冷系統中，是積極響應構建資源節約型社會的重要舉措，有助于更好地實現資源節約型社會[4]。

3 節能環保技術在暖通空調制冷系統中的應用

3.1 冷熱源在暖通空調智能系統中的應用

要想實現暖通空調制冷系統的節能環保，最關鍵的是便是合理設計制冷系統，而在這一操作中，最關鍵的內容便是合理配置冷熱源。當總容量相同的情況下，當冷熱源與容量的搭配不相同時，冷暖空調制冷系統運行過程中消耗的能源也不盡相同。特別是關于空調冷源的選擇方面，通常離心機的制冷量比較大，當負荷率較高時，其COP也表較高，但是在部分負荷情況下，螺桿機的時效率比較高，因此可以采用二者相互搭配的形式，以此構成數臺大容量機組配合1臺小容量機組的工作方式，從而滿足當冷負荷工況不同時冷源系統處于高效運行狀態，在選擇冷源時，一般是按照以下原則來進行的：

針對小容量機組其制冷量計算公式；Q1=Qmin/y；

大容量機組制冷量計算公式：Q2=q1/z；

大容量機組臺數計算公式：N=(Qmax-Q1)/Q2。

在上述公式中，Qmin代表的是最小冷負荷；Qmax代表的是最大冷負荷；y代表的是小容量機組的最小負荷率；z代表的是大容量機組最低負荷率。

值得注意的是：在冷源容量選擇時，應當嚴格結合系統的冷負荷予以選擇，注意不能有附加。如果機組的規格無法滿足計算冷負荷的具體要求時，那么選擇機組的總裝機容量：計算冷負荷應≤1.1[5]。

3.2 變頻技術在冷暖空調制冷系統中的應用

在冷暖空調制冷系統中應用變頻技術，其電機功率和轉速、頻率二者關系可以用以下公式進行表示：

N2/N1=(n2/n1)3=(f2/f1)3

式中，N1與N2均表示電機功率；n1與n2則表示的是電機的轉速；f1與f2則表示的是電機的頻率。

根據上述公式可以看出：

冷暖空調的電機功率變化跟轉速與頻率變化的3次方呈正比例關系，當電機的頻率下降時，功率也隨之伴有大幅度的下降。因此在選擇設備型號時，通常是根據每個空調區逐時冷負荷的綜合最大值或者冷負荷的累計值選擇對應的空調設備與冷機容量，在絕大多數情況下，空調的制冷系統運行的狀態為部分負荷。通過變頻控制冷凍水泵、制冷機組、冷卻塔風機、空調風機等等，讓上述系統隨著系統負荷的改變而改變，達到供需匹配的目的，最終獲得理想的節能效果。然而，因此變頻器的變頻范圍有相關規定，通常在70%～100%這一范圍中能夠取得滿意的節能效果，但是假如變頻達到50%時，那么其功率便會降低到12.5%，將引起電機的效率明顯降低，因此在設置變頻器時應該考慮上述問題[6]。

3.3 蓄冷技術在冷暖空調制冷系統中的應用

縱觀當前我國的冷暖空調，可以發現絕大部分采用的是電制冷的冷源方式，這種方式便容易導致在夏季空調冷負荷的高峰時期出現在電力負荷的高峰時期，這無疑加劇了電網的負荷壓力。而在冷暖空調制冷系統中應用蓄冷技術便可以在一定程度發揮削峰填谷的功能，降低夏季電網在高峰時期的供電壓力，降低其所在區域中的電力裝機的容量，提高了發電機組在高峰時代的發電效率，能夠間接地發揮節能減排的目的。在冷暖空調制冷系統中應用冰蓄冷裝置，能夠成功地實現低溫大溫差供冷，在冷量相同的情況下降低了所需的水流量，減少了輸送過程中的能源消耗，在區域供冷系統發揮節能的作用。除此之外，在冷暖空調制冷系統中應用蓄冷技術，還可能降低制冷機組的裝機容量，減少對應的變配電設備，特別是將其應用在峰谷電價的區域中，具有較高的經濟效益[7]。

3.4 空氣源熱泵在冷暖空調制冷系統中的應用

空氣源熱泵在制冷循環的作用下，可以在夏天高溫的情況下通過吸收室外空氣的冷量為室內供冷，相反在冬季溫度較低的時候則可以吸收室外空氣的熱量為室內供熱。電能作為空氣源熱泵的驅動能源，在轉移冷熱量時不會對環境造成污染，因此跟傳統的電采暖相比，效率更高。所以，空氣源熱泵已經成為“煤改電”的一大重要選擇。供熱的情況下，在標準條件下空氣源熱泵的COP可以達到3.0，并且伴隨著室外空氣溫度的不斷升高，COP值也會相應的增加，從而發揮更顯著的節能作用。特別是在應用了噴氣增焓等新型技術后，當在零下15 ℃的環境下，COP的值同樣可以超過2.0。當前空氣源熱泵聯合蓄熱式或者空氣熱源泵+太陽能集熱器的互補供暖方式已經被廣泛地應用在我國北方地區[8]。

3.5 太陽能在冷暖空調制冷系統中的應用

太陽能作為一種清潔且可再生的能源，其在暖通空調領域中擁有廣闊的潛力。當前，我國在一些陽光充足的地區，基本上實現了太陽能供應生活熱水、供暖、提供照明以及空調等等。例如：通過應用太陽能集熱器將收集到的太陽熱量加熱水，然后再通過貯熱水箱蓄熱后邊可以當人們提供生活熱水和采暖熱水。因為大氣透明度等因素的影響，如果應用太陽能后依然無法全面保證建筑供暖或者熱水需求時，便可以借助輔助熱源進行補充加熱。例如：可以將太陽能蓄熱水箱中的熱水當做吸收式作為冷暖空調吸收式制冷機組的熱源，如此一來便可以滿足夏天空調制冷的需求。

4 冷暖空調制冷系統中應用節能環保技術的要點分析

4.1 確保冷暖空調制冷系統的環保節能設計質量

作為設計人員，將節能環保技術應用在冷暖空調制冷系統中時，應該充分考慮節能環保技術帶來的長遠利益，即要站在實現經濟效益最大化這一角度，確保制冷系統設計的質量。在設計過程中，相關人員不但應該具備扎實的冷暖空調基礎理論知識，還應該結合實際情況對設計方案進行調整。詳細而言，就是在設計時不可盲目的根據自身的工作經驗設計制冷系統的節能環保技術，而是應該嚴格結合節能的新技術和新產品的性能特征來設計制冷系統。

4.2 保證冷暖空調系統與設備的安裝質量

詳細而言，就是要將冷暖空調制冷系統作用于人員活動的高峰期，從而達到節能環保這一目的。也可以應用中央空調系統來輸送熱源動力，從而提高空調的制冷效率。在這一過程中，作為節能環保技術人員應該通過消減動力的手段來化解問題這一問題。換而言之，就是要根據當地的管理機構頒布的規范與標準對冷暖空調制冷系統的設備與相關配件進行安裝，從而盡可能減少設備安裝運行過程中的功率帶來不必要的能源消耗。

4.3 保證冷暖空調制冷系統配件設計規范化

由于冷暖空調制冷系統設計水平高低直接決定著其節能環保效果的高低，所以設計人員應該根據既定的標準使用較小的投資和相應的能耗設計系統的配件，要想達到上述目的，便需要暖通空調制冷系統設計人員樹立節能環保意識，并將該意識應用在設計工作中[9]。

5 案例分析

5.1 案例簡介

將××工程作為案例，對暖通空調制冷系統中的節能環保技術的效果進行分析，××工程的總建筑面積為12.3萬平方米，將其設計成現澆鋼筋混凝土框架結構，選擇灌注樁作為基礎，抗震設防按照8Ⅷ開展。××工程在夏天的總冷功率=4 531.2 kW，在冬季的總冷功率=3 776.0 kW。項目共布置了兩個空調主機房，配置了土壤熱源泵機組，同時具備制冷與制熱的功能。接下來，本人將結合該工程暖通空調制冷系統實際情況，對地源熱泵節能環保技術的應用開展分析。

5.2 地源熱泵節能環保技術的應用

淺層地熱能作為一種新型清潔能源，其主要存儲于地球表面層上。跟深層地熱相比，淺層地熱能具有開發簡單、存儲量大等優點，并且其還具有無污染以及收集管理方便等優點。在××工程施工作業中，通過綜合應用各類熱泵技術，如地源熱泵技術、水源熱泵技術等等。通過對淺層地源熱泵進行利用，能夠為該小區提供52%～64%的能源，從而節約 冷熱泵機的使用成本與費用達到30%～40%，其地理管理系統如圖2所示。

5.3 技術特點分析

通過分析地源熱泵節能環保技術在××工程暖通空調制冷系統中的應用可以歸納出，該技術主要擁有以下兩個特征：第一，可再生特征。通過應用地源熱泵系統，能夠實現冷源與熱源同××工程建筑內部能量的高效轉化，并且大部分為地源熱來自地球表面淺層，其溫度通常低于建筑物的內部溫度，從而達到降低建筑內部溫度的效果，并且地源熱屬于可再生資源，受到了國家的高度重視。第二，用途廣泛。地源熱泵系統的應用不但具備供冷，還具備供熱的作用，能夠為為不同的建筑功能。從其應用實際分析，無任何污染性氣體產生，因此不會對環境造成污染。結合其在××工程的應用實際發現，該工程的整個暖通空調系統造價為1 675.62萬元，其在后期每年節約的能源支出達到了118萬元，具有顯著的經濟效益。

6 結束語

綜上所述，伴隨著我國建筑業的不斷發展，特別是暖通空調制冷系統的誕生與發展極大地提升了現代建筑的品質，暖通空調可以為人們提供舒適的生活與辦公環境，但是制冷系統作為暖通空調的重要組成部分，該系統的能耗問題和環境污染問題也是暖通空調亟待解決的問題。而將各類環保節能技術應用在暖通空調制冷系統中，用新能源代替不可再生資源，極大地減少了對環境的污染，降低了能源消耗，不但有利于空調行業的健康有序發展，而且還能保證建筑行業的節能環保。