制冷與空調設備節能技術的研究進展

孟立龍

（單縣中心醫院，山東 菏澤 274300）

全球氣溫的上升和經濟的蓬勃發展使得制冷與空調設備在我們的日常生活和工業生產中扮演著愈加重要的角色。這些設備的廣泛應用為人們提供了舒適的居住環境、促進了醫療和科研領域的進步，同時也在工業生產中扮演著關鍵的角色。然而，這種便利的背后伴隨而來的是能源消耗的迅猛增長，對環境和經濟帶來了巨大的負擔。隨著全球能源問題日益凸顯，科學家、工程師和政策制定者們紛紛將目光投向制冷與空調設備的節能技術研究，希望通過創新解決方案來實現能源效益和環保雙贏。這一領域的研究著眼于提高設備的能效，減少能源浪費，以應對不斷增長的能源需求。如新型制冷劑的開發、高效壓縮機技術的創新、變頻控制技術的應用、蓄能錯峰的應用、智能控制系統的應用等，都在極大程度上降低了制冷與空調設備的能耗，使得這些設備的環保性大大提升。

1 制冷與空調設備概述

目前工業生產和家庭使用的制冷與空調設備大都是一套空調制冷系統，即常見的空調類家電，通過不同組件的協同作用，在壓縮、冷凝、膨脹和蒸發的過程中完成熱能的轉移，實現對室內溫度的調節。典型的空調制冷系統通常包括四個主要組件：壓縮機、冷凝器、節流裝置（一般為膨脹閥）和蒸發器[1]。壓縮機是空調制冷系統的“心臟”，抽取低溫低壓的制冷劑（常用氟利昂類物質）并將其壓縮成高溫高壓的氣體。通過提供能量使得氣體的溫度和壓力升高。高溫高壓的氣體進入冷凝器后，由冷凝器散發熱量，將其冷卻成高壓液體。節流裝置負責減壓，通過縮小通道限制制冷劑的流量，將高壓液體制冷劑減壓成低溫低壓液體。蒸發器則是完成室內熱量和制冷劑的交換，讓制冷劑從液態變成氣態，實現制冷，降低室內溫度。在這樣的循環中，能耗主要由壓縮機的工作產生[2]。壓縮機需要耗費大量電能才能將制冷劑壓縮，而冷凝器、膨脹閥和蒸發器的協同工作也產生電力損耗，因此優化這些組件的設計和性能將有效提高系統能效并減少排放。

2 空調制冷系統節能的作用

由于全球性能源緊缺以及氣候問題，如今各行各業對能源保護和節約問題都相當重視，空調在我國普及范圍較廣，能源消耗很大，一方面空調制冷系統的大量使用會產生大量廢熱，造成城市中的熱島效應，影響周圍生態系統，通過提高系統的能效、減少廢熱排放可以緩解這一問題；另一方面空調耗電量大，間接消耗化石能源等，節能的空調制冷系統減少了對能源的過度依賴，有助于降低對自然資源的開采和利用，保護不可再生資源，減緩資源枯竭的趨勢。在“雙碳”背景下，我國一直倡導資源節約型生產和應用，空調設備中能耗較大的就是制冷系統，如果能夠通過空調制冷系統的節能措施，可以在降低環境負擔的同時實現更加可持續的生態和能源發展，這對于應對氣候變化、減緩資源枯竭、改善城市生態環境等方面都有積極的影響。

3 制冷與空調設備節能技術研究進展

3.1 節能壓縮機

壓縮機對空調制冷系統的能效性能起著決定性的作用，若能控制好逸出熱量，減少能效損失，便能起到節能的作用。如今的壓縮機技術可以通過兩級壓縮系統，在不同的壓力級別中使用不同的壓縮機來提高系統的能效，在各類大型工業制冷系統中應用較多，此外，還有例如渦輪式壓縮機技術運用壓縮機頂部的氣腔對氣體進行吸排，并利用電磁閥同斷電來控制時間，使用一塊永久性磁鐵來作為定子，延長空調設備使用壽命的同時起到調節轉速的作用，相對于傳統的定頻壓縮機，變頻渦輪壓縮機能夠在不同負載條件下靈活調整工作頻率，提高系統的部分負載性能，從而降低能耗，這種技術在如今的制冷與空調系統中得到廣泛應用[3]，相比于傳統的壓縮機更加節能。另外，我國還有行業領先的螺桿式壓縮機技術，目前得到大力推廣的雙螺桿式壓縮機具備兩個工作容積，氣體的排放量可控，空調制冷系統更加環保。雙螺桿式壓縮機由兩個旋轉螺桿組成，分別稱為主螺桿和從螺桿，二者相互嚙合，將氣體吸入并壓縮并排出高壓冷凝氣體，雙螺桿式壓縮機能夠提供可靠的冷卻能力，且在較大的溫度調節范圍內能夠穩定工作，適用于不同工況和負載需求。

3.2 變頻技術控制

如今變頻技術已在制冷和空調設備中得到廣泛應用，這種技術電子控制，可實現根據實際需求動態調整壓縮機的運行速度，與傳統的定頻技術相比，使用變頻技術的空調有多個擋位可以選擇，可以更靈活地匹配系統的負荷變化，實現精準的能量調節。現代化的變頻空調通頻率調節范圍很大，因此能夠適應不同工作環境中要求的負荷條件，這意味著在系統需要不同溫度的制冷溫度時，變頻壓縮機可以在不犧牲能效的前提下靈活運行。而且，通過搭載越來越智能化的變頻壓縮機控制系統，先進的控制算法和傳感器技術能夠對環境中的溫度、濕度等參數進行實時監測，然后再用來調整空調，從而在不同工作條件下始終維持最佳能耗比。而且在工廠中，使用變頻技術能夠讓壓縮機在系統中協同工作，實現更高效的負載分配，通過多聯機組系統在工廠需求峰值時投入更多的壓縮機，而在負載較低時則減少運行單元，提高整個系統的運行效率。

3.3 太陽能制冷

太陽能發電作為清潔能源能起到很好的節能作用，再加上光伏技術的不斷進步，如今太陽能發電已經越來越高效和經濟，通過太陽能電池板轉化光能為電能，再為制冷系統提供所需的電力，是可持續性較強的一種綠色能源解決方案[4]。例如槽式聚光太陽能電站、太陽能冷凝器等，都可以聚攏光能產生熱能，再轉化為電能輸送給空調設備，而且在新興材料技術和設計的加持下，太陽能發電器的能量吸收效率在不斷提高，使用太陽能發電的系統性能和能效不斷增強。而且一些太陽能發電制冷系統直接集成在制冷空調設備中，這種系統利用太陽能直接提供動力，從而帶動空調運行制冷。而且如今太陽能發電在陰天無法運行的問題也得到了一定程度上的解決，可以借助現代能量存儲技術和智能控制系統，使太陽能發電制冷系統在夜間或陰天繼續運行，收集并存儲白天運行時富余的能量，根據太陽輻射、負荷需求和儲能狀態實時調整供能情況，以保證在陰天等光照條件不好時依然可以帶動制冷和空調設備運行，如今太陽能發電制冷技術在我國，尤其是我國偏遠地區應用廣泛，這不僅推動了清潔能源的利用，還為偏遠地區或缺乏傳統電力供應的地方提供了一條可持續的發電途徑，且有望在未來成為更為普遍的節能和環保選擇。

3.4 蓄能錯峰

蓄能錯峰技術雖然無法從根源上解決空調能耗高的問題，但在實際應用中依然可以起到良好的效果。蓄能錯峰就是利用不同時間段的能源消耗差異，在制冷和空調設備運行的低峰時段儲存能量，然后在高峰時段釋放能量，從而達到合理利用能量、減輕對電力網絡的壓力并降低總體功耗的作用。蓄能錯峰技術在低負荷時段，采用熱蓄能技術收集并儲存熱能，然后在負荷高峰時段釋放以制冷，如今新型的熱蓄能材料和系統設計不斷涌現，熱能的儲存密度和釋放效率不斷提高，因此存儲能量效果好，應用范圍不斷增大，蓄能錯峰技術還依靠熱泵發揮作用，通過空調熱泵操控環境中的熱能，在高峰時段將熱能釋放或轉化為冷能，并通過優化循環和增加系統控制智能性，可以提高整個系統的效率[5]。而且如今蓄能錯峰技術常與風能和太陽能等可再生能源整合，在可再生能源波動性較大的情況下平衡能源供應，提高系統的可靠性和穩定性，隨著系統的逐漸成熟，使用蓄能錯峰技術的已經能夠根據電力負荷、環境條件和能源成本等因素進行實時調整，以實現最佳的能源使用效果。

3.5 熱力回收

如果制冷和空調設備具備熱力回收系統，可以二次利用系統產生的廢熱，從而提高能源利用效率。當前的熱力回收技術不斷熱回收效率的提升，通過改進換熱器設計、增加熱交換器表面積、提高傳熱效率等方面的創新，追求最大化廢熱的回收，減少系統能量損失，達到節能的效果，隨著材料科學的發展，出現了一些新型的高效熱回收材料，這些材料具有更好的導熱性和穩定性，可以用于提高換熱器的性能，使熱力回收系統得到了更好的應用。制冷和空調系統中搭載高效的廢熱回收系統，可以將來自壓縮機、冷凝器等組件排出的熱量回收和再利用，減少整個系統的熱能浪費，并通過熱泵技術與熱力回收相結合，從室內空氣中回收熱能，然后將其用于壓縮機等能量轉換，從而實現能量的再循環利用。而且目前行業對于能源效率的關注不斷提高，相關的法規和標準對于推動熱力回收技術的發展起到了積極的作用，指導制定更為嚴格的能效標準，鼓勵制冷和空調設備制造商采用更先進的廢熱回收技術，因此熱力回收技術在制冷和空調設備中的發展趨勢會朝著更高效、智能化和可持續的方向發展，降低運行成本以及對能源的消耗和浪費。

3.6 電子膨脹閥

如今不少制冷和空調設備集成了電子控制來調整制冷系統中制冷劑流量的電子膨脹閥，從而提高系統的精度、穩定性和能效。電子膨脹閥通過電子控制對制冷劑流量精準調節，根據系統需要動態調整閥口的開度，以適應不同工況和負載，先進的電子膨脹閥系統具有較快的響應速度，可以快速適應系統的變化，在瞬時負載波動較大的情況下同樣能夠維持系統的穩定性和效能。使用電子膨脹閥可以在不必要的時候減少系統中的制冷劑流量，從而提高系統的能效，一些先進的電子膨脹閥系統還具備智能化通信功能，可以與其他系統組件進行實時通信從而協同工作，維持系統環境條件在較為穩定的范圍內，降低能耗的同時提高系統的穩定性。

3.7 電氣智能控制

隨著科技進步，制冷和空調設備的電氣智能控制技術應用得到了顯著的發展，通過智能化控制和自動環境監測技術，空調系統運行過程中的無意義能耗將會大大減少。在空調系統中應用先進的傳感器技術能夠實時監測環境條件，如溫度、濕度、空氣質量等，然后通過實時數據反饋，結合電氣智能控制系統采用的先進自適應算法，實現根據不同的使用場景和需求調整系統參數。這種自適應性能夠提高系統的能效，確保在不同負載和環境條件下都能夠提供最佳的性能，并讓系統能夠更加準確地感知和響應不同的運行狀態。另外，電氣智能控制系統能夠對設備運行進行精細化管理，實現能耗的優化，一些先進的節能設計，如變頻調速技術、智能壓縮機控制等，在電氣智能控制下能達到最好的效果，還有一部分空調設備能連接到互聯網，實現遠程監控和管理，接入云計算平臺便可進行大數據分析，用于分析歷史數據，優化設備運行策略，并提供預測性維護，形成周期性升級，從運行設計的角度上最大程度地減少能耗，提高能源利用效率。此外，通過物聯網技術將設備和整屋家電相互連接，形成智能家居或建筑系統，還能通過設備之間的互聯實現更高層次的協同控制，提供更加智能和舒適的環境的同時選擇最優能效運行方案。

4 結語

制冷與空調設備在現代生產生活中十分常見，有關其的節能研究一直是環保工程技術領域的一個重要課題。通過不斷地創新和技術進步，空調系統節能技術在多個方面都取得了顯著的成果，如今已經可以依靠不同方式來提高設備的能效，降低了環境影響和能源浪費。如今，更加智能化的制冷與空調系統是主流研究方向，相關領域研究者一直致力于將人工智能、大數據和物聯網技術應用于制冷與空調系統，實現智能化的能耗管理和優化，提高系統的自適應性，同時進一步改進和推廣熱泵技術，以提高空調和制冷系統的熱效應率，并與綠色能源結合，減少對電力等傳統能源的依賴。未來，制冷與空調設備節能研究的發展趨勢將朝著更加智能、綠色和可持續的方向發展，預計會有更多的創新技術投入市場，為用戶提供更為環保、節能且智能的空調與制冷設備優化方案，促使行業更快速地邁向“雙碳”背景下的綠色節能目標。