暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中的節(jié)能環(huán)保技術(shù)分析

(上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引 言

當(dāng)前暖通空調(diào)已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑中必不可少的組成部分，暖通空調(diào)雖然可以帶給人們舒適的辦公環(huán)境和生活環(huán)境，但是其面臨著巨大的能源損耗，而在暖通空調(diào)工作系統(tǒng)中，能耗量最大的便是制冷系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)作為冷暖空調(diào)系統(tǒng)中核心組成部分，其在建筑總能量耗所占比例高達(dá)25%～50左右[1]。因此，為了保護(hù)環(huán)境，減少能耗，便結(jié)合冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)科學(xué)地應(yīng)用環(huán)保節(jié)能技術(shù)具有非常重要的意義。

1 暖通空調(diào)及制冷系統(tǒng)概述

1.1 暖通空調(diào)簡介

暖通空調(diào)(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(zhì)生活為目的的電器設(shè)備，其同時兼具通風(fēng)、采暖、空氣調(diào)節(jié)三種功能，暖通空調(diào)不但對人們的室內(nèi)生活環(huán)境進(jìn)行了改善，而且還極大地提升了生活質(zhì)量，將室內(nèi)空氣的溫度、濕度、氣流速度等控制在人們最適宜的范圍內(nèi)，這對人的身體而言，無疑是非常舒適的[2]。

1.2 暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)簡介

暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)如圖1所示。

在暖通空調(diào)具體作業(yè)過程中，主要是通過交換熱量的形式來達(dá)到制冷的效果的。具體而言，即制冷劑在蒸發(fā)器——壓縮機(jī)——冷凝器——節(jié)流閥這4個設(shè)備中持續(xù)循環(huán)，制冷劑通過改善自身的狀態(tài)來實現(xiàn)吸收或者釋放熱量的目的。在上述4個設(shè)備中，蒸發(fā)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(jìn)入至壓縮機(jī)內(nèi)，壓縮機(jī)再將其轉(zhuǎn)變成高壓高溫的氣體，這部分高溫高壓的液體再進(jìn)入至泠凝器內(nèi)，將自己的熱量傳遞給水與空氣，在冷凝器的作用下變?yōu)橐后w。通過上述的循環(huán)，通過熱量交換的形式便可以達(dá)到降溫的目的。暖通空調(diào)在具體運(yùn)行過程中，除了制冷劑的循環(huán)工作外，還包含冷卻水、冷凍水、室內(nèi)空氣的循環(huán)，制冷劑在壓縮機(jī)的作用下，被壓縮至液態(tài)然后進(jìn)入至蒸發(fā)器中，然后跟冷凍水完成熱量的交換，被送入至冷凍泵內(nèi)，此時冷凍水便進(jìn)入風(fēng)機(jī)封口的冷卻盤管內(nèi)，在風(fēng)吹機(jī)的作用達(dá)到降溫的目的。制冷劑在被蒸發(fā)以后，在冷凝器作用下轉(zhuǎn)變成氣體，經(jīng)過冷區(qū)泵后轉(zhuǎn)變成冷卻水，被送至冷卻塔后，在風(fēng)機(jī)的作用下被冷卻，最終與空氣完成熱量交換，達(dá)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(huán)和轉(zhuǎn)換，通過循環(huán)的形式最終達(dá)到制冷，降低室內(nèi)的溫度，獲得人們需要的舒適溫度。根據(jù)上述制冷過程可以看出，在冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中，最主要的過程是制冷系統(tǒng)，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(diào)的能源消耗，那么便需要從制冷系統(tǒng)入手。

2 環(huán)保節(jié)能技術(shù)在暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中應(yīng)用的意義

2.1 是減少暖通空調(diào)對環(huán)境污染的重要手段

制冷系統(tǒng)與制熱系統(tǒng)作為暖通空調(diào)系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，其結(jié)構(gòu)組成多，因此工作原理也相對復(fù)雜，其中在制冷系統(tǒng)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(fā)全球變暖。因此將節(jié)能技術(shù)應(yīng)用咋暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中，其最主要的目的是環(huán)保環(huán)境，避免那些會對環(huán)境造成破壞的制冷劑，環(huán)保節(jié)能技術(shù)通過應(yīng)用特制的制冷系統(tǒng)，如：將水冷凍，將對其進(jìn)行循環(huán)使用，因為水是不會對環(huán)境產(chǎn)生污染的，另外在冷凍水循環(huán)過程中不會產(chǎn)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(diào)干燥的問題，凈化空氣。由此可見，將環(huán)保節(jié)能技術(shù)應(yīng)用在暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中是減少其對環(huán)境污染的重要手段。

2.2 是節(jié)約資源的有效形式

伴隨著國家越來越注重環(huán)保，節(jié)能環(huán)保技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域中，并且其效果得到了高度的認(rèn)可。例如：將太陽能技術(shù)應(yīng)用在房屋建筑中，便可以成功地將太陽能轉(zhuǎn)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(jié)能環(huán)保技術(shù)應(yīng)用在暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中，能夠最大程度上減少電能的消耗，并且將節(jié)能環(huán)保技術(shù)應(yīng)用在蓄冷與蓄熱方面，能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的循環(huán)利用，極大地提升了資源的利用率，成功的達(dá)到節(jié)約能源消耗的目的。

2.3 是積極建設(shè)資源節(jié)約型社會的有效手段

就當(dāng)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(chǎn)生活很多領(lǐng)域中積極應(yīng)用了節(jié)能環(huán)保技術(shù)。而將節(jié)能環(huán)保技術(shù)應(yīng)用在暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中，是積極響應(yīng)構(gòu)建資源節(jié)約型社會的重要舉措，有助于更好地實現(xiàn)資源節(jié)約型社會[4]。

3 節(jié)能環(huán)保技術(shù)在暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 冷熱源在暖通空調(diào)智能系統(tǒng)中的應(yīng)用

要想實現(xiàn)暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保，最關(guān)鍵的是便是合理設(shè)計制冷系統(tǒng)，而在這一操作中，最關(guān)鍵的內(nèi)容便是合理配置冷熱源。當(dāng)總?cè)萘肯嗤那闆r下，當(dāng)冷熱源與容量的搭配不相同時，冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中消耗的能源也不盡相同。特別是關(guān)于空調(diào)冷源的選擇方面，通常離心機(jī)的制冷量比較大，當(dāng)負(fù)荷率較高時，其COP也表較高，但是在部分負(fù)荷情況下，螺桿機(jī)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(gòu)成數(shù)臺大容量機(jī)組配合1臺小容量機(jī)組的工作方式，從而滿足當(dāng)冷負(fù)荷工況不同時冷源系統(tǒng)處于高效運(yùn)行狀態(tài)，在選擇冷源時，一般是按照以下原則來進(jìn)行的：

針對小容量機(jī)組其制冷量計算公式；Q1=Qmin/y；

大容量機(jī)組制冷量計算公式：Q2=q1/z；

大容量機(jī)組臺數(shù)計算公式：N=(Qmax-Q1)/Q2。

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

值得注意的是：在冷源容量選擇時，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格結(jié)合系統(tǒng)的冷負(fù)荷予以選擇，注意不能有附加。如果機(jī)組的規(guī)格無法滿足計算冷負(fù)荷的具體要求時，那么選擇機(jī)組的總裝機(jī)容量：計算冷負(fù)荷應(yīng)≤1.1[5]。

3.2 變頻技術(shù)在冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

在冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中應(yīng)用變頻技術(shù)，其電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速、頻率二者關(guān)系可以用以下公式進(jìn)行表示：

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

式中，N1與N2均表示電機(jī)功率；n1與n2則表示的是電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f1與f2則表示的是電機(jī)的頻率。

根據(jù)上述公式可以看出：

冷暖空調(diào)的電機(jī)功率變化跟轉(zhuǎn)速與頻率變化的3次方呈正比例關(guān)系，當(dāng)電機(jī)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(shè)備型號時，通常是根據(jù)每個空調(diào)區(qū)逐時冷負(fù)荷的綜合最大值或者冷負(fù)荷的累計值選擇對應(yīng)的空調(diào)設(shè)備與冷機(jī)容量，在絕大多數(shù)情況下，空調(diào)的制冷系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)為部分負(fù)荷。通過變頻控制冷凍水泵、制冷機(jī)組、冷卻塔風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)等等，讓上述系統(tǒng)隨著系統(tǒng)負(fù)荷的改變而改變，達(dá)到供需匹配的目的，最終獲得理想的節(jié)能效果。然而，因此變頻器的變頻范圍有相關(guān)規(guī)定，通常在70%～100%這一范圍中能夠取得滿意的節(jié)能效果，但是假如變頻達(dá)到50%時，那么其功率便會降低到12.5%，將引起電機(jī)的效率明顯降低，因此在設(shè)置變頻器時應(yīng)該考慮上述問題[6]。

3.3 蓄冷技術(shù)在冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

縱觀當(dāng)前我國的冷暖空調(diào)，可以發(fā)現(xiàn)絕大部分采用的是電制冷的冷源方式，這種方式便容易導(dǎo)致在夏季空調(diào)冷負(fù)荷的高峰時期出現(xiàn)在電力負(fù)荷的高峰時期，這無疑加劇了電網(wǎng)的負(fù)荷壓力。而在冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中應(yīng)用蓄冷技術(shù)便可以在一定程度發(fā)揮削峰填谷的功能，降低夏季電網(wǎng)在高峰時期的供電壓力，降低其所在區(qū)域中的電力裝機(jī)的容量，提高了發(fā)電機(jī)組在高峰時代的發(fā)電效率，能夠間接地發(fā)揮節(jié)能減排的目的。在冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中應(yīng)用冰蓄冷裝置，能夠成功地實現(xiàn)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(qū)域供冷系統(tǒng)發(fā)揮節(jié)能的作用。除此之外，在冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中應(yīng)用蓄冷技術(shù)，還可能降低制冷機(jī)組的裝機(jī)容量，減少對應(yīng)的變配電設(shè)備，特別是將其應(yīng)用在峰谷電價的區(qū)域中，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益[7]。

3.4 空氣源熱泵在冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

空氣源熱泵在制冷循環(huán)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(nèi)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(nèi)供熱。電能作為空氣源熱泵的驅(qū)動能源，在轉(zhuǎn)移冷熱量時不會對環(huán)境造成污染，因此跟傳統(tǒng)的電采暖相比，效率更高。所以，空氣源熱泵已經(jīng)成為“煤改電”的一大重要選擇。供熱的情況下，在標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣源熱泵的COP可以達(dá)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(yīng)的增加，從而發(fā)揮更顯著的節(jié)能作用。特別是在應(yīng)用了噴氣增焓等新型技術(shù)后，當(dāng)在零下15 ℃的環(huán)境下，COP的值同樣可以超過2.0。當(dāng)前空氣源熱泵聯(lián)合蓄熱式或者空氣熱源泵+太陽能集熱器的互補(bǔ)供暖方式已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在我國北方地區(qū)[8]。

3.5 太陽能在冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

太陽能作為一種清潔且可再生的能源，其在暖通空調(diào)領(lǐng)域中擁有廣闊的潛力。當(dāng)前，我國在一些陽光充足的地區(qū)，基本上實現(xiàn)了太陽能供應(yīng)生活熱水、供暖、提供照明以及空調(diào)等等。例如：通過應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(jìn)行補(bǔ)充加熱。例如：可以將太陽能蓄熱水箱中的熱水當(dāng)做吸收式作為冷暖空調(diào)吸收式制冷機(jī)組的熱源，如此一來便可以滿足夏天空調(diào)制冷的需求。

4 冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中應(yīng)用節(jié)能環(huán)保技術(shù)的要點分析

4.1 確保冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)的環(huán)保節(jié)能設(shè)計質(zhì)量

作為設(shè)計人員，將節(jié)能環(huán)保技術(shù)應(yīng)用在冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)中時，應(yīng)該充分考慮節(jié)能環(huán)保技術(shù)帶來的長遠(yuǎn)利益，即要站在實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化這一角度，確保制冷系統(tǒng)設(shè)計的質(zhì)量。在設(shè)計過程中，相關(guān)人員不但應(yīng)該具備扎實的冷暖空調(diào)基礎(chǔ)理論知識，還應(yīng)該結(jié)合實際情況對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整。詳細(xì)而言，就是在設(shè)計時不可盲目的根據(jù)自身的工作經(jīng)驗設(shè)計制冷系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，而是應(yīng)該嚴(yán)格結(jié)合節(jié)能的新技術(shù)和新產(chǎn)品的性能特征來設(shè)計制冷系統(tǒng)。

4.2 保證冷暖空調(diào)系統(tǒng)與設(shè)備的安裝質(zhì)量

詳細(xì)而言，就是要將冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)作用于人員活動的高峰期，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保這一目的。也可以應(yīng)用中央空調(diào)系統(tǒng)來輸送熱源動力，從而提高空調(diào)的制冷效率。在這一過程中，作為節(jié)能環(huán)保技術(shù)人員應(yīng)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(jù)當(dāng)?shù)氐墓芾頇C(jī)構(gòu)頒布的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)對冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)的設(shè)備與相關(guān)配件進(jìn)行安裝，從而盡可能減少設(shè)備安裝運(yùn)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(diào)制冷系統(tǒng)配件設(shè)計規(guī)范化

由于冷暖空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計水平高低直接決定著其節(jié)能環(huán)保效果的高低，所以設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)既定的標(biāo)準(zhǔn)使用較小的投資和相應(yīng)的能耗設(shè)計系統(tǒng)的配件，要想達(dá)到上述目的，便需要暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計人員樹立節(jié)能環(huán)保意識，并將該意識應(yīng)用在設(shè)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(diào)制冷系統(tǒng)中的節(jié)能環(huán)保技術(shù)的效果進(jìn)行分析，××工程的總建筑面積為12.3萬平方米，將其設(shè)計成現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，選擇灌注樁作為基礎(chǔ)，抗震設(shè)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(diào)主機(jī)房，配置了土壤熱源泵機(jī)組，同時具備制冷與制熱的功能。接下來，本人將結(jié)合該工程暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)實際情況，對地源熱泵節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用開展分析。

5.2 地源熱泵節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用

淺層地?zé)崮茏鳛橐环N新型清潔能源，其主要存儲于地球表面層上。跟深層地?zé)嵯啾龋瑴\層地?zé)崮芫哂虚_發(fā)簡單、存儲量大等優(yōu)點，并且其還具有無污染以及收集管理方便等優(yōu)點。在××工程施工作業(yè)中，通過綜合應(yīng)用各類熱泵技術(shù)，如地源熱泵技術(shù)、水源熱泵技術(shù)等等。通過對淺層地源熱泵進(jìn)行利用，能夠為該小區(qū)提供52%～64%的能源，從而節(jié)約 冷熱泵機(jī)的使用成本與費(fèi)用達(dá)到30%～40%，其地理管理系統(tǒng)如圖2所示。

5.3 技術(shù)特點分析

通過分析地源熱泵節(jié)能環(huán)保技術(shù)在××工程暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用可以歸納出，該技術(shù)主要擁有以下兩個特征：第一，可再生特征。通過應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)冷源與熱源同××工程建筑內(nèi)部能量的高效轉(zhuǎn)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(nèi)部溫度，從而達(dá)到降低建筑內(nèi)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(tǒng)的應(yīng)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(yīng)用實際分析，無任何污染性氣體產(chǎn)生，因此不會對環(huán)境造成污染。結(jié)合其在××工程的應(yīng)用實際發(fā)現(xiàn)，該工程的整個暖通空調(diào)系統(tǒng)造價為1 675.62萬元，其在后期每年節(jié)約的能源支出達(dá)到了118萬元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

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